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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