Fissione nucleare reazione che produce la trasformazione di

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 Pu 239 U 238 U 235 X U 235 Y U 235 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 U 238 in Pu 239 Neutroni veloci che producono fissione di U 235 Neutroni moderati che producono fissione di U 235

Barra regolatrice abbassata Neutroni veloci che trasformano U 238 in Pu 239 Neutroni veloci che producono fissione di U 235 Reazione bloccata

Barra regolatrice sollevata Neutroni veloci che trasformano U 238 in Pu 239 Neutroni veloci che producono fissione di U 235 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’U 238 essendo chimicamente diverso dall’uranio e quindi più facilmente separabile rispetto all’U 235: il plutonio a sua volta risulta fissile con caratteristiche simili all’U 235 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. radio 8