Fissione nucleare:reazione che produce la trasformazione
di un nuclide(U(235),Pu(239)..)
in due nuclidi di massa e numero atomico intermedio
e liberazione di 2-3 neutroni e grande quantità di energia:
tale reazione utilizza come proiettili
neutroni lenti o veloci
D
D
Neutrone + U(235)
X+ Y + 3 n
U(236)
I neutroni liberati possono
colpire altri nuclidi U(235) e produrne la fissione
colpire U(238) che diventa U(239)-->Np(239)-->Pu(239)
colpire altri nuclidi che diventano isotopi
solo i neutroni che colpiscono U(235) possono
mantenere la reazione di fissione che si sviluppa a catena
liberando in breve tempo e in uno spazio ridotto
grande quantità di energia eventualmente estraibile
per la sua trasformazione in energia elettrica
nelle centrali a energia nucleare
U238
Pu239
U235
X
U235
Y
U235
isotopi
Per avere una reazione a catena che si mantenga nel tempo
e che sia controllabile si devono risolvere alcuni problemi
l’isotopo fissile U(235) in natura rappresenta solo una
piccola percentuale(0.7%) rispetto a U(238) non fissile:
mediante processi complessi e costosi si deve cercare
di aumentare la % di U(235) nel materiale da usare per
costruire le barre fissili da usare nella reazione:
FASE DI ARRICCHIMENTO
inoltre si devono allontanare dalla miscela di isotopi di U
altri elementi che potrebbero assorbire i neutroni liberati
e frenare o bloccare la reazione a catena:
FASE DI RAFFINAZIONE
Barra di materiale fissile grezzo
sono presenti
isotopo U(238) maggioranza
isotopo U(235) minoranza
altri elementi inquinanti
E’ necessario arricchire percentualmente
il materiale con U(235)
ARRICCHIMENTO
ed eliminare gli elementi inquinanti
che potrebbero assorbire neutroni durante
la reazione a catena
RAFFINAZIONE
Il processo di arricchimento deve aumentare la % di U(235)
raro in natura rispetto a U(238):
avendo i due isotopi le stesse proprietà chimiche si possono
separare solo sfruttando la debolissima differenza
delle masse,usando metodi molto costosi
(es.diffusione in celle intercomunicanti)
Ponendo composti di U(235) e U(238) allo stato gassoso in celle
intercomunicanti ,i due diversi isotopi si separano
gradualmente in funzione della diversa velocità di diffusione
dovuta alla diversa massa posseduta:
U(235) diffonde più velocemente di U(238)
Il materiale arricchito di U(235) va ulteriormente
trattato per eliminare tutti gli elementi che durante
la reazione a catena potrebbero assorbire neutroni
impedendo il mantenimento della reazione stessa
e trasformandosi in isotopi radioattivi
Materiale da raffinare
Materiale raffinato
Gli isotopi U(238) assorbono più facilmente i neutroni
veloci liberati nella fissione trasformandosi in Plutonio
mentre invece gli isotopi U(235) assorbono facilmente
sia i neutroni veloci sia i neutroni rallentati,moderati,
(neutroni termici)mediante tecniche opportune:
FASE di MODERAZIONE mediante MODERATORI
(grafite,acqua pesante)
Servono inoltre dei materiali (cadmio,boro)che
mediante il loro elevato potere di assorbire neutroni
possono controllare e bloccare completamente
la reazione a catena sottraendo i neutroni presenti
FASE di REGOLAZIONE con REGOLATORI
L’energia liberata nella fissione può essere trasferita come
calore a fluidi circolanti nella massa ove si verifica la
fissione mediante reazione a catena e quindi scambiata
con altri fluidi in scambiatori di calore e trasformata
in energia elettrica mediante centrale elettronucleari
FASE di RAFFREDDAMENTO e SCAMBIO TERMICO
sono necessari sistemi vari di sicurezza,
schermatura,controllo ecc.
la struttura nella quale avviene la reazione a catena
e la produzione di energia(reattore nucleare)
può essere schematizzata come segue:
Materiale fissile
Barre controllo
moderatore
Fluido raffreddamento
Scambiatore calore
Centrale elettrica
schermatura
Materiale per reattore o pila
Materiale fissile
Fluido raffreddamento
Barre controllo
moderatore
schermatura
Barre di controllo abbassate:reazione a catena bloccata
Schermatura reattore
Grafite
Barre di cadmio,boro
Materiale fissile U,Pu
Circuito raffreddamento
Sollevando o abbassando le barre regolatrici si regola la
reazione a catena nel reattore
Barre sollevate:reazione attiva
Barra di materiale fissile arricchita
e raffinata:sono presenti
isotopo U(238) maggioranza
isotopo U(235) minoranza
tracce di altri elementi inquinanti
Descrizione delle interazioni tra neutroni
e nuclidi presenti nelle barre fissili e
atomi presenti nel materiale moderatore
Quando avviene una fissione vengono prodotti due nuovi nuclidi
e 2-3 neutroni veloci
i nuclidi rimangono nella barra fissile e gradualmente
aumentando la loro concentrazione inquinano il materiale
fissile che deve essere estratto e rinnovato
(materiale estratto,radioattivo=scorie radioattive)
Un neutrone veloce assorbito da U(238) lo trasforma in Pu(239)
un neutrone veloce assorbito da U(235) produce una fissione
un neutrone veloce,uscendo dalla barra fissile attraversa
il materiale moderatore che separa le barre fissili e viene
opportunamente rallentato:entrando in una barra fissile
potrà più facilmente essere catturato da U(235) piuttosto
che da U(238) e quindi mantenere la reazione di fissione
Barra regolatrice sollevata
Neutroni veloci che
trasformano U238 in Pu239
Neutroni veloci che producono
fissione di U235
Neutroni moderati che
producono fissione di U235
Barra regolatrice abbassata
Neutroni veloci che
trasformano U238 in Pu239
Neutroni veloci che producono
fissione di U235
Reazione bloccata
Barra regolatrice sollevata
Neutroni veloci che
trasformano U238 in Pu239
Neutroni veloci che producono
fissione di U235
Barre inquinate da X,Y
i neutroni sono quasi tutti
assorbiti da nuclidi inquinanti:
reazione a catena bloccata
Barre inquinate da X,Y
i neutroni sono quasi tutti
assorbiti da nuclidi inquinanti:
reazione a catena bloccata
Le barre fissili ormai inquinate vanno estratte
e sostituite con barre raffinate:il materiale
estratto,molto radioattivo perché ricco ancora
di U(235),U(238),Pu(239) e X,Y isotopi radioattivi
continua nel decadimento radioattivo che genera
anche calore:va conservato in ambiente sicuro,
isolato,per tempi molto lunghi:
SCORIE RADIOATTIVE
Dalle barre inquinate estratte è possibile estrarre
il plutonio generato dall’U238 essendo
chimicamente diverso dall’uranio e quindi
più facilmente separabile rispetto all’U235:
il plutonio a sua volta risulta fissile con
caratteristiche simili all’U235
che può così
sostituire nei suoi usi ed essere prodotto in
grande quantità facendo funzionare il reattore
con neutroni veloci,non moderati
(particolarmente usato per le bombe nucleari)
Per notizie su uso della fissione e della fusione
per la costruzione di bombe a fissione
e bombe a fusione
cfr.radio8