Fissione nucleare:reazione che produce la trasformazionedi un nuclide(U(235),Pu(239)..)

in due nuclidi di massa e numero atomico intermedioe liberazione di 2-3 neutroni e grande quantità di energia:

tale reazione utilizza come proiettili neutroni lenti o veloci

Neutrone + U(235)

U(236)

D

D

X+ Y + 3 n

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) possonomantenere la reazione di fissione che si sviluppa a catena

liberando in breve tempo e in uno spazio ridottogrande quantità di energia eventualmente estraibile

per la sua trasformazione in energia elettricanelle centrali a energia nucleare

isotopi

U238Pu239 U235

U235 U235

XY

Per avere una reazione a catena che si mantenga nel tempoe che sia controllabile si devono risolvere alcuni problemi

l’isotopo fissile U(235) in natura rappresenta solo unapiccola percentuale(0.7%) rispetto a U(238) non fissile:

mediante processi complessi e costosi si deve cercaredi 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 Ualtri elementi che potrebbero assorbire i neutroni liberati

e frenare o bloccare la reazione a catena:FASE DI RAFFINAZIONE

Barra di materiale fissile grezzosono presenti

isotopo U(238) maggioranza isotopo U(235) minoranzaaltri elementi inquinanti

E’ necessario arricchire percentualmenteil materiale con U(235)ARRICCHIMENTO

ed eliminare gli elementi inquinantiche potrebbero assorbire neutroni durante

la reazione a catenaRAFFINAZIONE

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 possonoseparare 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 celleintercomunicanti ,i due diversi isotopi si separano

gradualmente in funzione della diversa velocità di diffusionedovuta alla diversa massa posseduta:

U(235) diffonde più velocemente di U(238)

Il materiale arricchito di U(235) va ulteriormentetrattato per eliminare tutti gli elementi che durantela reazione a catena potrebbero assorbire neutroniimpedendo il mantenimento della reazione stessa

e trasformandosi in isotopi radioattivi

Materiale da raffinare Materiale raffinato

Gli isotopi U(238) assorbono più facilmente i neutroniveloci liberati nella fissione trasformandosi in Plutoniomentre invece gli isotopi U(235) assorbono facilmentesia 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 neutronipossono controllare e bloccare completamente

la reazione a catena sottraendo i neutroni presentiFASE di REGOLAZIONE con REGOLATORI

L’energia liberata nella fissione può essere trasferita comecalore a fluidi circolanti nella massa ove si verifica la

fissione mediante reazione a catena e quindi scambiatacon altri fluidi in scambiatori di calore e trasformatain energia elettrica mediante centrale elettronucleari

FASE di RAFFREDDAMENTO e SCAMBIO TERMICOsono 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

Fluido raffreddamento Scambiatore calore Centrale elettrica

Barre controllo moderatore

schermatura

Materiale per reattore o pila

Materiale fissile

Fluido raffreddamento

Barre controllo moderatore

schermatura

Barre di controllo abbassate:reazione a catena bloccata

Schermatura reattore

Barre di cadmio,boro

Grafite

Materiale fissile U,Pu

Circuito raffreddamento

Barre sollevate:reazione attiva

Sollevando o abbassando le barre regolatrici si regola lareazione a catena nel reattore

Barra di materiale fissile arricchitae raffinata:sono presenti

isotopo U(238) maggioranza isotopo U(235) minoranza

tracce di altri elementi inquinanti

Descrizione delle interazioni tra neutronie nuclidi presenti nelle barre fissili e

atomi presenti nel materiale moderatore

Quando avviene una fissione vengono prodotti due nuovi nuclidie 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 attraversail materiale moderatore che separa le barre fissili e vieneopportunamente rallentato:entrando in una barra fissilepotrà più facilmente essere catturato da U(235) piuttostoche da U(238) e quindi mantenere la reazione di fissione

Neutroni veloci chetrasformano U238 in Pu239

Neutroni veloci che produconofissione di U235

Neutroni moderati cheproducono fissione di U235

Barra regolatrice sollevata

Neutroni veloci chetrasformano U238 in Pu239

Neutroni veloci che produconofissione di U235

Barra regolatrice abbassata

Reazione bloccata

Neutroni veloci chetrasformano U238 in Pu239

Neutroni veloci che produconofissione di U235

Barra regolatrice sollevata

Barre inquinate da X,Yi neutroni sono quasi tutti

assorbiti da nuclidi inquinanti:reazione a catena bloccata

Barre inquinate da X,Yi neutroni sono quasi tutti

assorbiti da nuclidi inquinanti:reazione a catena bloccata

Le barre fissili ormai inquinate vanno estrattee sostituite con barre raffinate:il materiale

estratto,molto radioattivo perché ricco ancoradi U(235),U(238),Pu(239) e X,Y isotopi radioattivicontinua nel decadimento radioattivo che generaanche calore:va conservato in ambiente sicuro,

isolato,per tempi molto lunghi:SCORIE RADIOATTIVE

Dalle barre inquinate estratte è possibile estrarreil plutonio generato dall’U238 essendo

chimicamente diverso dall’uranio e quindipiù facilmente separabile rispetto all’U235:

il plutonio a sua volta risulta fissile concaratteristiche simili all’U235

che può cosìsostituire nei suoi usi ed essere prodotto in

grande quantità facendo funzionare il reattorecon neutroni veloci,non moderati

(particolarmente usato per le bombe nucleari)

Per notizie su uso della fissione e della fusioneper la costruzione di bombe a fissione

e bombe a fusionecfr.radio8