Prendiamo un atomo pesante come l’uranio o il plutonio. Colpiscilo con un neutrone. Guardalo rompersi.
Questa divisione è la fissione nucleare. Non è una reazione chimica. È qualcosa di molto più violento ed energico. Il nucleo si divide in due frammenti più o meno uguali. Pezzi pesanti. Sottoprodotti radioattivi. Ma la vera storia non sono le macerie. È l’energia.
Quando l’atomo si rompe, si libera un’enorme quantità di energia.
Questo processo è il motore dietro le centrali nucleari. È anche il meccanismo alla base delle armi nucleari. La differenza sta nel controllo. Si crea una reazione a catena fuori controllo. L’altro mantiene un polso costante e gestibile.
I meccanismi della scissione
Perché la scissione di un atomo libera energia? La risposta sta nel difetto di massa.
La massa combinata dei due frammenti è leggermente inferiore al nucleo originario. Quella massa mancante non svanisce. Si converte direttamente in energia. L’equazione di Albert Einstein, E=mc², spiega questa conversione. Una piccola quantità di massa produce una quantità colossale di energia perché la velocità della luce al quadrato è un numero enorme.
I frammenti volano a pezzi. Trasportano energia cinetica. Si scontrano con gli atomi circostanti. Il calore aumenta. Il vapore fa girare le turbine. Flussi di elettricità.
Controllare la reazione a catena
La fissione non avviene in modo isolato. Il processo di scissione spesso rilascia neutroni aggiuntivi. Questi neutroni possono colpire altri atomi di uranio. Quegli atomi si dividono. Rilasciano più neutroni.
Questa è una reazione a catena.
Se lasciata incontrollata, la reazione accelera in modo esponenziale. È una bomba. Se controllata, la reazione rimane stabile. Quello è un reattore.
Nel nucleo sono inserite barre di controllo realizzate con materiali che assorbono neutroni come boro o cadmio. Assorbono i neutroni in eccesso. Rallentano la reazione. Gli operatori regolano queste aste per mantenere il livello di potenza desiderato.
Perché è importante oggi
La fissione nucleare fornisce una parte significativa dell’elettricità mondiale a basse emissioni di carbonio. Funziona in modo affidabile. A differenza del solare o dell’eolico, non dipende dal tempo. Non produce emissioni dirette di carbonio durante il funzionamento.
I rifiuti però restano. I frammenti radioattivi degli atomi divisi rimangono pericolosi per migliaia di anni. Lo stoccaggio e lo smaltimento sono sfide continue. La tecnologia è potente. È anche profondamente complesso.
Oltre l’energia
La fissione non riguarda solo le centrali elettriche. Gli isotopi medici vengono spesso prodotti nei reattori. Questi isotopi aiutano a diagnosticare e curare le malattie. Le terapie contro il cancro si basano su precise fonti di radiazioni. Alcuni provengono da sottoprodotti della fissione.
La scienza è semplice nel concetto. Dividere un nucleo pesante. Ottieni energia. L’applicazione è il luogo in cui la complessità prende il sopravvento. Sicurezza, rifiuti e politica complicano il quadro.
La fisica non cambia. Le conseguenze sì.
Con l’avanzare della tecnologia, i nuovi progetti di reattori mirano a una maggiore efficienza e sicurezza. Piccoli reattori modulari promettono energia più economica e scalabile. La ricerca sulla fusione offre un percorso completamente diverso: combinando gli atomi anziché dividerli. Ma la fissione rimane una pietra angolare dell’attuale panorama energetico.
Ci affidiamo a questo. Lo temiamo. Lo gestiamo.
L’atomo si divide. L’energia scorre. La domanda non è se possiamo farlo. La questione è se possiamo farlo saggiamente.
Come funziona realmente la fissione nucleare
Si comincia con una divisione. Nella fissione nucleare, il nucleo di un atomo si divide in due nuclei più leggeri. Questo non accade solo per divertimento. A volte avviene spontaneamente. Più spesso, devi forzare la questione.
Puoi indurre la rottura usando particelle come neutroni, protoni, deutoni o particelle alfa. Anche i raggi gamma funzionano.
Una volta che il nucleo si rompe, il profitto è enorme.
L’energia viene rilasciata in grandi quantità. I prodotti radioattivi si formano istantaneamente. Diversi neutroni volano nel vuoto.
Ed ecco il bello. Quei neutroni liberati? Non si allontanano semplicemente. Colpiscono i nuclei vicini di materiale fissile. Indurre la fissione lì. Rilasciando ancora più neutroni.
La sequenza si ripete. Si innesca una reazione a catena. I nuclei subiscono la fissione in massa. Un’enorme quantità di energia esplode verso l’esterno.
Potere controllato contro distruzione incontrollata
Metti sotto controllo questa reazione a catena. Fallo in un reattore nucleare. Ottieni il potere. Energia pulita e densa a beneficio della società.
Fallo male. Oppure farlo apposta. Come in una bomba atomica. Il risultato è un’esplosione di straordinaria forza distruttiva.
La stessa fisica. Esiti opposti. Si nutrono le città. L’altro li livella.
L’era atomica e le sue complicazioni
La scoperta della fissione nucleare ha aperto una nuova era. L’era atomica.
Il suo potenziale nel bene o nel male ha plasmato ogni cosa. Cambiamenti sociologici. Sconvolgimenti politici. Boom economici. Salti scientifici.
Ha portato anche gravi preoccupazioni. Il rapporto rischio-beneficio non è semplice. È una camminata costante sul filo del rasoio.
Anche da un punto di vista puramente scientifico, la fissione rimane complessa. Presenta enigmi. Le spiegazioni teoriche sono incomplete. Comprendiamo meglio i meccanismi che il quadro completo.
Sappiamo come dividere l’atomo.
Stiamo ancora cercando di capire cosa significhi veramente detenere quel potere.
La parola “fissione” non fu inventata fino al 1939. I fisici tedeschi Lise Meitner e Otto Frisch coniarono il termine per descrivere un nucleo pesante che si divide in due nuclei più leggeri di dimensioni più o meno uguali. Fu la fine di una caotica saga scientifica e l’inizio di un intenso periodo di ricerca.
La vera storia è iniziata prima. James Chadwick scoprì il neutrone in Inghilterra nel 1932. Enrico Fermi e il suo team in Italia iniziarono presto a bombardare gli elementi con queste particelle neutre. Nel 1934 notarono qualcosa di strano. Il bombardamento dell’uranio con neutroni lenti ha creato quattro diverse specie radioattive. Emettevano particelle beta. Gli scienziati pensavano di aver trovato elementi transuranici con numeri atomici 93, 94 o superiori.
I radiochimici accorsero in massa per studiare questi nuovi isotopi. I risultati erano confusi. La confusione durò fino al 1939.
Otto Hahn e Fritz Strassmann in Germania dimostrarono definitivamente che quegli elementi “transuranici” erano in realtà bario, lantanio e altri elementi della tavola periodica media. Hanno seguito un indizio di Irène Joliot-Curie e Pavle Savić in Francia.
Ida Noddack aveva suggerito nel 1934 che gli elementi più leggeri potessero formarsi da nuclei pesanti. L’idea è stata ignorata. Sfidava la fisica nucleare accettata e mancava di prove chimiche. Hahn e Strassmann ne hanno fornito la prova.
Meitner e Frisch hanno utilizzato il modello a goccia di liquido per spiegare il processo. Hanno sottolineato il massiccio rilascio di energia. I laboratori di tutto il mondo hanno confermato la reazione. Nel giro di un anno, oltre 100 articoli descrissero il processo.
Le prove chimiche che furono così vitali per condurre Hahn e Strassmann alla scoperta della fissione nucleare furono ottenute mediante l’applicazione di tecniche di trasporto e tracciante.
Come gli scienziati hanno identificato i prodotti della fissione
Le tecniche chimiche furono cruciali. Sono state create quantità invisibili di specie radioattive. Gli scienziati hanno dedotto la loro identità monitorando il modo in cui si muovevano con elementi portanti noti.
Hanno aggiunto traccianti radioattivi noti. Hanno confrontato il comportamento per identificare le incognite. Da allora questi metodi radiochimici hanno isolato 34 elementi dalla fissione. La gamma spazia dallo zinco (numero atomico 30) al gadolinio (numero atomico 64).
L’ampia gamma di radioattività rende la fissione una ricca fonte di traccianti. Questi sono utilizzati in applicazioni chimiche, biologiche e industriali.
Quali isotopi causano la fissione e perché è importante
I primi esperimenti utilizzavano l’uranio ordinario. Fu subito stabilito che il responsabile era l’uranio-235. Fissioni con neutroni lenti.
L’uranio-238 è più abbondante. Per la fissione richiede neutroni veloci con energia superiore a 1 MeV. Anche i nuclei di torio e protoattinio effettuano la fissione con neutroni veloci.
Anche altre particelle funzionano. Protoni veloci, deutoni e alfa inducono la reazione. Anche i raggi gamma sono efficaci.
L’invenzione del reattore nucleare
Nel 1939, Frédéric Joliot-Curie, Hans von Halban e Lew Kowarski scoprirono che diversi neutroni venivano emessi durante la fissione dell’uranio-235. Ciò suggeriva una reazione a catena autosufficiente.
Fermi e i suoi colleghi ne videro il potenziale. Hanno riconosciuto il potere di una reazione controllata. Il 2 dicembre 1942 ci riuscirono.
Gestivano il primo reattore nucleare al mondo. Si chiamava “mucchio”. Consisteva di blocchi di uranio e grafite. È stato costruito nel campus dell’Università di Chicago.
Seguì il Progetto Manhattan. È stato uno sforzo segreto. Ha sviluppato la bomba atomica dopo che gli Stati Uniti sono entrati nella seconda guerra mondiale.
Quando la guerra finì, gli sforzi cambiarono. Gli scienziati hanno sviluppato nuovi tipi di reattori. Miravano alla produzione di energia su larga scala. Ciò ha dato vita all’industria dell’energia nucleare.
I fondamenti del processo di fissione erano ormai chiari. La tecnologia era passata dalla teoria alla realtà. Le implicazioni per l’energia e la guerra furono immediate. Nel 1934 il mondo cambiò in modi che pochi avrebbero potuto prevedere.
Il segreto della fissione nucleare non è magico. È strutturale. Bisogna guardare come è costruita la materia nucleare. E quanto è stabile.
I nuclei sono costituiti da nucleoni. Questa è solo la parola elegante per protoni e neutroni. Il conteggio totale di queste particelle è il tuo numero di massa. Abbastanza semplice. Ma qui è dove diventa strano. La massa effettiva di un nucleo è sempre inferiore alla somma delle sue parti. Se prendessimo tutti quei neutroni e protoni liberi e li pesassimo separatamente, peserebbero più del nucleo che hanno creato.
La differenza tra questi due pesi è il difetto di massa. E quella massa mancante? Non è scomparso. Si è trasformato in energia.
L’equazione di Einstein spiega questo. E = mc 2. L’energia è uguale alla massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato. È un tasso di conversione enorme. Quel difetto di massa è una misura diretta dell’energia di legame. Che è fondamentalmente la colla che tiene insieme il nucleo.
Pensatela in questo modo. Quando si forma un nucleo, rilascia energia. Devi rimettere dentro la stessa quantità di energia per romperlo. Per scomporlo in singoli nucleoni. Maggiore è l’energia di legame, più stabile è il nucleo. Più è difficile separarsi.
“La differenza è nota come difetto di massa ed è una misura dell’energia di legame totale (e, quindi, della stabilità) del nucleo.”
Questa stabilità è importante. Perché se il nucleo è instabile, potrebbe dividersi. Fissione. Se è stabile, rimane lì. In attesa.
L’energia rilasciata durante la formazione è la stessa energia che dovresti fornire per distruggerlo. È un circuito chiuso. Un sigillo stretto. La massa diventa energia. L’energia tiene insieme la massa. Ed è per questo che alcuni atomi si dividono facilmente mentre altri restano indisturbati per miliardi di anni.
Osserva la curva dell’energia di legame media per nucleone. È una forma familiare in fisica, che raggiunge il picco proprio intorno al numero di massa 56. Questo è il punto debole. Questo è ferro.
Il grafico racconta una storia semplice sulla stabilità. Il ferro si trova in cima alla collina. Se hai un nucleo più pesante del ferro, vuole dividersi. Vuole spezzarsi in pezzi più leggeri che si trovano più in basso sul pendio energetico. La differenza nell’energia di legame non semplicemente svanisce. Viene rilasciato. Questa è la fissione.
Se hai qualcosa di più leggero del ferro, il percorso è diverso. Questi nuclei possono acquisire stabilità scontrandosi tra loro. Si fondono in un nucleo più pesante con un difetto di massa maggiore. La differenza di massa si converte in energia. Questa è fusione. È il motore del sole. È la base della bomba all’idrogeno. È anche il Santo Graal per la produzione di energia pulita, un campo che ha visto decenni di ricerca attiva, spesso frustrante.
La barriera al decadimento spontaneo
È qui che il semplice modello energetico crolla.
Se le considerazioni energetiche fossero l’unico fattore, tutta la materia alla fine collasserebbe in ferro. Tutto cercherebbe quella configurazione più stabile. Ma non succede. L’universo non è così pigro o così efficiente.
Ci sono barriere. Altri fattori bloccano la conversione spontanea.
Per capirne il motivo, i fisici trattano il nucleo come una goccia liquida carica. È un’analogia qualitativa, ma regge. La forza nucleare forte lega insieme i nucleoni. È attraente. È potente. Ma è a corto raggio. Funziona solo tra vicini più prossimi.
I nucleoni sulla superficie hanno meno vicini di quelli sepolti all’interno. Questo crea tensione superficiale. La goccia vuole minimizzare la sua superficie per ridurre l’energia. La forma più efficiente per racchiudere il volume è una sfera. Quindi il nucleo assume una forma sferica.
Il problema della repulsione di Coulomb
I protoni non seguono le stesse regole a corto raggio. Sono caricati positivamente. Si respingono a vicenda tramite la forza di Coulomb a lungo raggio.
Man mano che il nucleo diventa più grande, questa repulsione diventa un problema serio. Una volta superato un conteggio di circa 40 nucleoni, la forza attrattiva dell’interazione forte fatica a tenere tutto incollato contro la spinta elettrica.
La soluzione? Diluizione.
I nuclei più pesanti mantengono la stabilità relativa aggiungendo neutroni in eccesso. I neutroni si aggiungono alla forza di attrazione forte senza aumentare la repulsione di Coulomb. Agiscono come colla, diluendo la densità protonica. Hai bisogno di sempre più neutroni man mano che il numero di massa aumenta per evitare che la goccia si disperda.
Questo delicato equilibrio definisce i limiti della tavola periodica. Spiega perché alcuni elementi sono stabili e altri decadono. Spiega perché non possiamo semplicemente lasciare che l’universo precipiti in un mucchio di sfere di ferro. Le barriere sono reali. La fisica è complessa. E l’energia racchiusa in quelle gocce pesanti e ricche di neutroni? Ancora in attesa di essere sbloccato.
Quando un nucleo si eccita, inizia a oscillare. Smette di essere una sfera perfetta.
Le forze superficiali intervengono immediatamente. Vogliono riportare il nucleo in una forma rotonda perché una sfera riduce al minimo la tensione superficiale. Ma c’è una controforza. I protoni all’interno si allontanano a vicenda. Man mano che il nucleo si allunga, i protoni si allontanano sempre di più. La repulsione diminuisce.
Queste due tendenze opposte creano un problema. Una barriera.
La Figura 2 lo mostra chiaramente. La curva energetica inizialmente sale. Perché? Perché la forza nucleare forte – il collante che tiene insieme il nucleo – è potente e a corto raggio. Combatte la deformazione.
Ma la repulsione di Coulomb tra i protoni si indebolisce più velocemente di quanto cresca la tensione superficiale. Alla fine, si incontrano in una situazione di stallo.
Questo è il punto B.
Questa posizione specifica è nota come “punto di sella”.
In una mappa tridimensionale dell’energia potenziale, questo picco assomiglia alla sella di un cavallo. È il punto di resistenza più alto prima che il nucleo si impegni a dividersi. Se non hai abbastanza energia per superare questa sella, non succede nulla.
Oltre il punto B le regole cambiano. La repulsione di Coulomb prende il sopravvento. Spinge il nucleo ad un ulteriore allungamento. I protoni spingono più forte di quanto la tensione superficiale possa sostenere. Il nucleo si allunga fino a spezzarsi.
Questo è il punto S, il punto di scissione. Il nucleo si spezza in due. Qualitativamente, la fissione è solo il risultato del rifiuto dei protoni di restare vicini.
Fissione indotta
Non tutti i nuclei si dividono da soli. L’altezza di quella barriera energetica dipende interamente da quale nucleo stai guardando.
Per forzare la fissione bisogna eccitare il nucleo. Devi colpirlo con abbastanza energia per superare la barriera. Puoi farlo con i raggi gamma (fotofissione) o frantumandovi una particella. Neutroni, protoni, qualunque cosa funzioni.
È qui che conta la natura pari-dispari dei neutroni. Cambia l’energia legante.
Se aggiungi un neutrone a un nucleo che ne ha già un numero dispari, otterrai un numero pari. Questo abbinamento è stabile. L’energia legante aumenta.
Se aggiungi un neutrone a un nucleo di neutroni pari, ottieni un numero dispari. Il guadagno energetico vincolante è minore.
Questa differenza spiega perché alcuni materiali si dividono con neutroni lenti mentre altri richiedono neutroni veloci.
La maggior parte degli elementi pesanti sono instabili per quanto riguarda la fissione, ma si trovano in un buco profondo. Hanno bisogno di un calcio per uscire.
- Uranio-233, Uranio-235, Plutonio-239: Hanno un numero dispari di neutroni. L’aggiunta di un altro neutrone rilascia energia di legame sufficiente a spingerli oltre la barriera. I neutroni lenti e a bassa energia funzionano bene.
- Torio-232, Uranio-238: Hanno un numero pari di neutroni. Il guadagno energetico vincolante è troppo debole. È necessaria l’energia cinetica del neutrone in arrivo per compensare la differenza. È necessario un neutrone veloce con circa 1 MeV di energia.
Il calcolo è semplice. Se l’energia di attivazione non è presente, la barriera regge.
Fissione spontanea
La meccanica quantistica è strana. Si tratta di probabilità, non di certezze.
Anche nel suo stato fondamentale – la configurazione energetica più bassa, seduto al sicuro sotto la barriera – un sistema fissile ha una possibilità piccola e finita di trovarsi dall’altra parte.
Prendi l’uranio-238. È confinato all’interno della barriera. Ma il tunneling quantistico gli consente di penetrare nel muro. Non si arrampica. Passa attraverso.
Questa è la fissione spontanea. Non è richiesta alcuna influenza esterna.
La probabilità è minima. Per l’uranio-238, ci vogliono più di 10^{15}$ anni perché metà del materiale decada in questo modo. È molto tempo.
Ma per i nuclidi più pesanti conosciuti, la probabilità aumenta. La barriera diventa più sottile. La fissione spontanea diventa la modalità dominante di decadimento. Alcuni di questi nuclei superpesanti durano solo frazioni di secondo.
Questa instabilità è un limite difficile. Potrebbe impedire del tutto la formazione di nuclei ancora più pesanti. L’universo traccia una linea sulla sabbia e la fissione spontanea è la gomma.
Le fasi della fissione
La Figura 3 traccia la sequenza temporale di una scissione del nucleo pesante. L’orologio in basso ci dice quanto velocemente ciò accade. Non è una combustione lenta. È violento e istantaneo.
La probabilità di scissione
Quando un nucleo pesante si spacca, non sempre si rompe negli stessi pezzi. I neutroni e i protoni si muovono in modi imprevedibili. Ciò crea una distribuzione di probabilità per la massa e la carica nucleare.
Gli scienziati chiamano la probabilità che appaia un frammento specifico il suo rendimento di fissione. Viene misurato come percentuale di tutte le fissioni che determinano quel particolare risultato.
Una volta che il nucleo si spezza, le due metà si ritraggono. Sono caricati positivamente. La repulsione di Coulomb tra loro è immensa. Si allontanano con l’energia cinetica determinata dalle loro cariche e dalla distanza tra i loro centri di carica al momento della scissione. Anche per la stessa suddivisione della massa l’energia varia. I parametri cambiano. La velocità di rinculo cambia.
Spogliarsi e rallentare
I frammenti si muovono troppo velocemente per i propri elettroni. Gli elettroni atomici non riescono a tenere il passo. Vengono spogliati.
I frammenti della fissione si disintegrano come atomi altamente carichi, non come entità neutre.
La carica nucleare non viene neutralizzata immediatamente dagli elettroni atomici. Il frammento è ancora deformato. Quando ritorna in una forma stabile, rilascia energia di deformazione. Questo si converte in energia di eccitazione interna. I neutroni evaporano. I raggi gamma rapidi vengono emessi quasi contemporaneamente.
Questi atomi altamente carichi e in rapido movimento entrano in collisione con il mezzo che attraversano. In aria la portata è di pochi centimetri. L’energia cinetica si trasferisce al mezzo sotto forma di ionizzazione e calore. L’atomo rallenta.
Durante questo rallentamento, cattura gli elettroni dall’ambiente circostante. Diventa neutrale nel momento in cui si ferma. Ora non è più un frammento. È un prodotto di fissione.
Il numero di massa potrebbe essere cambiato. I neutroni sono andati persi durante la transizione. Il prodotto è ancora radioattivo. Non è stabile. Subisce un decadimento beta. La scala temporale? Da frazioni di secondo a molti anni. L’emissione beta produce elettroni e antineutrini. I raggi gamma e i raggi X si uniscono spesso alla festa.
Le variabili nascoste
Le distribuzioni di massa, carica ed energia cinetica dipendono dalle specie di fissione. Dipendono anche dall’energia di eccitazione dell’atto.
La fenomenologia è ampia. Gli aspetti da interpretare sono tanti. Considera la sistematica delle sezioni trasversali di fissione. Questa è una misura della probabilità che si verifichi la fissione. Consideriamo la variazione dei neutroni immediati emessi. Questo varia in base alla specie e alla suddivisione della massa.
Osserva la distribuzione angolare dei frammenti rispetto al fascio di particelle. Guarda le emivite della fissione spontanea. Guarda gli isomeri della fissione spontanea, che sono stati eccitati del nucleo.
Alcuni eventi emettono particelle di luce come idrogeno-3, elio-3 o elio-4. Non sempre. Ma in numeri piccoli e significativi. Tra i prodotti esistono emettitori di neutroni ritardati. La scala temporale di ciascuna fase è importante. La distribuzione del rilascio di energia tra particelle e radiazioni è complessa.
Una trattazione completa di tutti questi aspetti è impossibile in questa sede. Ma alcuni dettagli forniscono informazioni. Offrono un assaggio del fascino.
Distribuzioni di massa dei frammenti di fissione
Il modo in cui i frammenti di fissione si dividono è una delle caratteristiche più distintive dell’intero processo nucleare. Non è casuale. Dipende fortemente da due cose: la massa della scissione del nucleo e l’energia di eccitazione presente quando avviene.
A basse energie di eccitazione, le cose diventano asimmetriche. Prendi l’uranio-235 o il plutonio-239. Non si dividono in due metà uguali. Sono invece favorevoli ad una divisione ineguale. Ciò crea una distribuzione di probabilità a due gobbe. Il gruppo leggero di frammenti passa a numeri di massa più elevati man mano che il nucleo di fissione diventa più pesante. Il gruppo pesante rimane per lo più stazionario.
Aumenta l’energia e le regole cambiano.
Le divisioni simmetriche diventano più probabili. Quelli asimmetrici cadono. La valle tra le due cime si riempie. Ad eccitazioni elevate, la curva diventa a gobba singola. La resa massima si trova proprio in simmetria.
Non tutti i nuclei giocano secondo le stesse regole. Gli isotopi del radio mostrano una strana distribuzione a tripla gobba. I nuclidi più leggeri rimangono a gobba singola e simmetrici. Ma in primo luogo richiedono una significativa energia di attivazione per la fissione. Poi ci sono i nuclei molto pesanti vicino al fermio-260. Qui, la fissione spontanea produce una curva simmetrica, con una sola gobba. Le energie cinetiche dei frammenti risultanti sono insolitamente alte.
Comprendere queste distribuzioni è stato un grosso enigma. Una spiegazione teorica completa rimane sfuggente, nonostante i progressi significativi.
Come le catene di decadimento ripristinano l’equilibrio
La stabilità richiede uno specifico rapporto neutrone-protone (n /p ). Questo rapporto deve aumentare all’aumentare del numero di protoni. Fino al calcio (20 protoni), il rapporto è pari all’unità. Dopodiché si sale. Per gli elementi più pesanti si arriva a circa 1,5.
Quando un nucleo pesante subisce una fissione, emette pochi neutroni. Questo aiuta, ma non basta. I frammenti rimanenti hanno ancora un rapporto n /p troppo alto per la stabilità. Sono instabili.
Risolvono questo problema attraverso il decadimento radioattivo. Nello specifico, il decadimento beta-meno. I neutroni si convertono in protoni. Vengono emessi un elettrone negativo (particella beta) e un antineutrino. Il numero di massa rimane lo stesso. Il numero atomico aumenta di uno. Ad ogni conversione nasce un nuovo elemento.
Questi successivi decadimenti beta formano una catena di decadimento del prodotto di fissione isobarica. Ogni numero di massa ha la propria catena. Il tempo di dimezzamento di queste specie radioattive generalmente aumenta man mano che si avvicinano all’isobare stabile all’estremità della linea.
Per essere chiari sulla terminologia:
– Gli isotopi condividono la stessa carica nucleare (Z, protoni) ma differiscono nel numero di neutroni e nel numero di massa (A ).
– Gli isobari condividono lo stesso numero di massa (A ) ma differiscono nel numero atomico (Z ).
Consideriamo una tipica divisione di massa nella fissione indotta dai neutroni dell’uranio-235. Se dai frammenti iniziali vengono emessi due neutroni si formano masse complementari di 93 e 141. La divisione della carica tra questi frammenti è un parametro critico nel processo.
Per queste masse specifiche, le catene di decadimento isobarico procedono come segue. Le emivite per ciascuna fase del decadimento beta sono indicate lungo le frecce di transizione.
La matematica dietro la fissione nucleare è precisa. Se guardi il simbolo di un elemento, il numero in basso è Z (protoni) e quello in alto è A (massa). Quando l’uranio-235 si divide, deve tenere conto di tutti i 92 protoni. Il nucleo non si rompe semplicemente in modo casuale. Tende a dividersi in coppie complementari. Krypton-36 e Bario-56. Rubidio-37 e cesio-55. Stronzio-38 e Xenon-54. Queste combinazioni conservano la carica. Sono i risultati probabili.
Rendimento indipendente e cumulativo
Non tutti i prodotti di fissione si presentano allo stesso modo. Alcuni si presentano immediatamente. Alcuni richiedono tempo. La resa indipendente misura la frequenza con cui uno specifico nuclide si forma direttamente dai frammenti iniziali dopo che si sono raffreddati. È il colpo diretto. Ma questa non è tutta la storia.
Se vuoi avere un quadro completo, hai bisogno del rendimento cumulativo. Questa è la percentuale totale per qualsiasi nuclide in una catena di decadimento. Lo si ottiene sommando la resa indipendente di quel nuclide alla resa di ogni precursore che decade in esso. È un gioco di somme. La resa totale dell’intera catena per uno specifico numero di massa è ciò che chiamiamo resa cumulativa.
L’ipotesi dello spostamento di carica uguale
I radiochimici lo studiano da decenni. Hanno trovato uno schema. La divisione di carica più probabile non è centrata sulla stabilità. È spostato. Ed ecco il bello: è spostato alla stessa distanza sia nei frammenti leggeri che in quelli pesanti. Gli scienziati chiamano questa ipotesi l’ipotesi Equal Charge Displacement (ECD). Le misurazioni fisiche lo hanno confermato.
Nell’esempio del rubidio-cesio menzionato prima, l’ECD prevede che le cariche più probabili si trovino intorno al rubidio-37 e al cesio-55. Ma alla natura piacciono le scorciatoie. Se un frammento ha 50 protoni, entra in gioco un forte effetto guscio che confonde le aspettative dell’ECD. La distribuzione della formazione di carica è stretta. Sembra gaussiano. È quasi lo stesso indipendentemente dalla suddivisione della massa o dallo specifico atomo di fissione.
L’addebito più probabile ($Z_p$) è un concetto utile in questo caso. Non deve essere un numero intero. È una media statistica. Man mano che l’energia della fissione aumenta, i frammenti cercano di mantenere lo stesso rapporto neutroni/protoni ($n/p$) del nucleo originale. Questa è chiamata distribuzione invariata delle tariffe.
Neutroni immediati: l’esplosione immediata
Quanti neutroni escono? Varia. Il numero medio per fissione è $\bar{\nu}$. Per la fissione spontanea dell’uranio-238, è circa 2,0. Per fermio-257, salta a 4.0. Per la fissione dell’uranio-235 indotta da neutroni termici, è 2,4.
Ma $\bar{\nu}$ è una media. Ogni singolo evento è diverso. Dipende da come avviene la scissione di massa. C’è ancora un dibattito su quanti neutroni volano via proprio al momento della scissione. La maggior parte dei fisici concorda, tuttavia, sul fatto che la maggior parte dei neutroni viene rilasciata dai frammenti che si rinculano subito dopo la loro divisione.
Perché? Energia. I frammenti hanno energia. Calore di eccitazione interna. Energia di deformazione immagazzinata come una molla. Quando il frammento ritorna alla sua forma stabile, quell’energia rilascia neutroni. Più energia ha il frammento, più neutroni emette.
Neutroni ritardati: il meccanismo di controllo
La maggior parte dei neutroni sono rapidi. Alcuni sono in ritardo. Ciò accade quando i prodotti della fissione decadono beta. L’energia del decadimento beta è elevata. Superiore all’energia di legame di un neutrone nel nucleo figlia. Ciò di solito si verifica quando la figlia ha uno o due neutroni in più oltre un guscio chiuso di 50 o 82. Quei neutroni in più sono legati debolmente.
Il decadimento beta spinge la figlia in uno stato eccitato. Uno stato eccitato che è instabile. Emette un neutrone. Ma non è immediato. È ritardato dall’emivita del precursore. Abbiamo identificato sei di questi emettitori di neutroni ritardati. La loro emivita varia da 0,5 secondi a 56 secondi.
La loro resa è minima. Circa l’1% dei neutroni pronti. Allora perché sono importanti? Senza di loro, il controllo di un reattore nucleare sarebbe quasi impossibile. La reazione a catena cambierebbe troppo velocemente perché le mani umane o anche la maggior parte dei sistemi meccanici possano adattarsi. Questi neutroni ritardati ci fanno guadagnare tempo. Rendono gestibile la reazione.
Calcoli del rilascio di energia
Da dove viene il calore? Differenza di massa. Calcoli il rilascio totale di energia osservando le masse rimanenti. Reagenti contro prodotti. Prendiamo l’uranio-235 più un neutrone. Confrontalo con prodotti finali stabili come il niobio-93 e il praseodimio-141 più due neutroni. La massa non si conserva. Una parte se n’è andata.
L’equazione di Einstein, $E=mc^2$, ci dice dove è andato. È diventata energia. Il rilascio totale dipende dalla specifica suddivisione della massa. Ma nella fissione dell’uranio-235 indotta da neutroni termici, l’energia si distribuisce secondo uno schema prevedibile.
La maggior parte resta con i frammenti. Energia cinetica. I frammenti si separano ad alta velocità, scontrandosi con gli atomi circostanti, creando calore. Poi ci sono i neutroni. Trasportano energia cinetica. I raggi gamma rilasciano energia istantaneamente. Le particelle beta e i neutrini portano via energia durante il decadimento. I neutrini, purtroppo, sfuggono del tutto. Portano l’energia con sé e non la lasciano mai andare.
Questo è il motivo per cui la progettazione del reattore è così complessa. Stai gestendo il calore nei solidi, le radiazioni nel vuoto e le particelle che fuggono nello spazio. I conti sono puliti. La realtà è confusa. E la distribuzione dell’energia determina quanto diventa caldo il tuo nucleo.
La fisica dell’energia persa e i modelli nucleari
Non tutti i neutroni catturati nel nocciolo di un reattore rimangono al loro posto. Alcuni sfuggono completamente, e il rilascio di energia da parte di questi neutroni immediati dipende da come vengono infine fermati. Questo rapido rilascio di energia avviene su una scala temporale di circa $10^{-12}$ secondi. Viene in gran parte convertito in calore all’interno di un reattore operativo e viene utilizzato per la produzione di energia.
Ma c’è anche un rilascio ritardato di energia. Ciò deriva dal decadimento radioattivo dei prodotti di fissione, la cui emivita varia da frazioni di secondo a molti anni. Le specie dalla vita più breve decadono nel reattore e la loro energia si aggiunge al calore generato; tuttavia, le specie a vita più lunga rimangono radioattive e pongono un problema nella manipolazione e nello smaltimento degli elementi di combustibile del reattore quando devono essere sostituiti.
Gli antineutrini che accompagnano il decadimento beta dei prodotti di fissione non sono reattivi e la loro energia cinetica (circa 10 MeV per fissione) non viene recuperata. Nel complesso, circa 200 MeV di energia per fissione potrebbero essere recuperati per applicazioni energetiche.
La sfida della precisione teorica
La fissione nucleare è un processo complesso che comporta il riarrangiamento di centinaia di nucleoni in un singolo nucleo per produrre due nuclei separati. Una comprensione teorica completa di questa reazione richiederebbe una conoscenza dettagliata delle forze coinvolte nel movimento di ciascuno dei nucleoni attraverso il processo. Poiché tale conoscenza non è ancora disponibile, è necessario costruire modelli semplificati del sistema reale per simularne il comportamento e ottenere una descrizione quanto più accurata possibile delle fasi del processo. I successi e i fallimenti dei modelli nel tenere conto delle varie osservazioni del processo di fissione possono fornire nuove intuizioni sulla fisica fondamentale che governa il comportamento dei nuclei reali, in particolare sulle grandi deformazioni nucleari incontrate in un nucleo sottoposto a fissione.
Il quadro per comprendere le reazioni nucleari è analogo a quello delle reazioni chimiche e implica il concetto di una superficie di energia potenziale su cui avviene la reazione. La forza trainante delle reazioni fisiche o chimiche è la tendenza ad abbassare l’energia potenziale e ad aumentare la stabilità del sistema. Così, ad esempio, una pietra in cima a una collina rotolerà giù dalla collina, convertendo la sua energia potenziale in cima in energia cinetica di movimento, e si fermerà in fondo in uno stato più stabile di energia potenziale inferiore. L’energia potenziale viene calcolata in funzione di vari parametri del sistema oggetto di studio. Nel caso della fissione, l’energia potenziale può essere calcolata in funzione della forma del sistema mentre procede oltre la barriera fino al punto di scissione, e può essere determinato il percorso dell’energia potenziale più bassa.
Come è stato sottolineato, un calcolo esatto dell’energia potenziale nucleare non è ancora possibile, ed è per approssimare questo calcolo che sono stati costruiti vari modelli per simulare il sistema reale. Alcuni modelli sono stati sviluppati per affrontare aspetti della struttura nucleare e della spettroscopia, nonché caratteristiche delle reazioni nucleari, e sono stati utilizzati anche nel tentativo di comprendere la complessità della fissione nucleare. I modelli si basano su diverse ipotesi e approssimazioni sulla natura delle forze nucleari e sulla dinamica del percorso verso la scissione. Nessun modello può spiegare tutta l’ampia fenomenologia della fissione, ma ciascuno affronta aspetti diversi del processo e fornisce una base per un ulteriore sviluppo verso una teoria completa.
La goccia liquida e il mistero dell’asimmetria
Il nucleo non sta semplicemente lì. Si muove. A volte tutto oscilla come una goccia d’acqua. Altre volte, le singole particelle danzano nelle proprie corsie. Questa dualità ha confuso i fisici per decenni.
George Gamow iniziò a far rotolare la palla nel 1935. Immaginò il nucleo come una goccia liquida incomprimibile. Niels Bohr prese quell’idea e la portò avanti. Nel 1939, Bohr e John A. Wheeler avevano utilizzato il modello della goccia di liquido per spiegare la fissione nucleare. Il concetto era semplice. Spari un neutrone in un nucleo. Viene assorbito. L’energia si diffonde. Il nucleo vacilla. Alla fine, si divide.
Il modello ha funzionato bene per il quadro generale. Ha mostrato come la forza nucleare forte che cerca di tenere insieme le cose compete con la repulsione elettrica tra i protoni che cercano di separarli. Ma aveva un difetto fatale. Si prevedeva che quando un nucleo si divide, si rompe in due metà uguali. Simmetrico. Pulito.
Non è andata così.
La fissione si traduce in masse disuguali. Un pezzo è grande. L’altro è piccolo. Il modello a goccia di liquido non poteva spiegare questa asimmetria di massa. Ha anche lottato con le masse dello stato fondamentale e le barriere di fissione. Per i nuclei altamente eccitati il modello andava bene. Per quelli stabili? Non così tanto.
Conchiglie e numeri magici
Gli scienziati avevano bisogno di una prospettiva diversa. Hanno smesso di considerare il nucleo come una massa informe. Hanno iniziato a osservare le singole particelle.
Immagina un singolo nucleone che si muove attraverso un campo creato da tutti gli altri. È un potenziale medio. Un pozzo sferico. La meccanica quantistica risolve il moto di una particella in quel pozzo. Il risultato? Livelli energetici.
Neutroni e protoni hanno i propri gruppi di livelli. Si raggruppano in conchiglie. Proprio come gli elettroni in un atomo. Un certo numero di nucleoni riempie completamente questi gusci. Questi sono i numeri magici.
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
I nuclei con questi numeri sono ostinatamente stabili. Si legano strettamente. Maria Goeppert Mayer e J. Hans D. Jensen lo formalizzarono nel 1949. Lo chiamarono modello a guscio sferico. Noto anche come modello a particelle indipendenti.
Spiegava le masse dello stato fondamentale. Spiegava gli spin nucleari. Ha spiegato perché alcuni stati eccitati durano più a lungo di altri (isomeri). Se il nucleo è sferico e vicino ad un numero magico, il modello è ottimo.
Ma per quanto riguarda il resto della tavola periodica?
Il nucleo deformato
Prendiamo i lantanidi e gli attinidi. Lantanio attraverso lutezio. Attinio attraverso Lawrencium. Il loro numero di nucleoni si trova tra i numeri magici.
Qui il modello a guscio sferico fallisce. Questi nuclei non sono sferici. Sono deformati. Si allungano. Sembrano un pallone da calcio. O un’anguria.
Nel 1955 intervennero Aage Bohr, Ben R. Mottelson e Sven G. Nilsson. Calcolarono il movimento di un nucleone in un potenziale sferoidale. Non una sfera. Uno sferoide.
Uno sferoide ha tre assi di simmetria. Può ruotare. La rotazione avviene indipendentemente dall’eccitazione interna dei nucleoni. Anche il nucleo può vibrare. Può pulsare.
Questo approccio ibrido combinava il movimento delle particelle indipendenti con il movimento collettivo dell’intero sistema. Rotazioni. Vibrazioni. Strutture a guscio.
Lo chiamavano il modello unificato. È diventato il modello a conchiglia deformata.
Non è stata solo una modifica. È stato un cambiamento nel modo in cui vediamo il nucleo atomico. Il nucleo non è solo una goccia. Non è solo una raccolta di palline isolate. È un oggetto dinamico e deformabile.
Perché è importante?
Perché la fissione nucleare non significa solo rompere le cose. Si tratta di comprendere la struttura che li sostiene. L’asimmetria della fissione è legata a questi effetti di guscio. I livelli di energia cambiano man mano che il nucleo si deforma. Il percorso verso la scissione diventa complesso.
Utilizziamo ancora il modello a goccia di liquido. È utile per le collisioni ad alta energia. Ma per i dettagli sottili? Per le scissioni di massa? Per la stabilità degli elementi pesanti? Hai bisogno del modello a conchiglia. Hai bisogno della deformazione.
La storia del nucleo è la storia di questi modelli concorrenti. Gocciolare. Conchiglia. Unificato. Non si annullano a vicenda. Si sovrappongono uno sopra l’altro.
Stiamo ancora perfezionando i parametri. Sto ancora modificando i potenziali. Il nucleo rimane uno dei sistemi su piccola scala più complessi che conosciamo.
E non abbiamo ancora nemmeno iniziato a studiare i quark all’interno dei protoni.
Aage Bohr applicò il modello unificato alla fissione trattando gli stati eccitati di un sistema come funzioni di un parametro di deformazione. Pensa a questo parametro come all’allungamento, lo stiramento fisico del nucleo mentre si muove verso la scissione. Bohr valutò questi stati nel punto di sella. Questo è il picco della barriera energetica.
Ecco il problema. Una volta che il sistema raggiunge la cresta del punto di sella, la maggior parte della sua energia di eccitazione va a deformare il nucleo. Il sistema diventa “freddo”. Ha poca energia termica rimasta. Sono disponibili solo gli stati eccitati bassi. È qui che le cose si fanno complicate per i teorici.
Come lo spin e la parità determinano i percorsi di fissione
Lo spin e la parità del canale specifico che il sistema occupa nel punto di sella determinano il risultato della fissione. Questa è nota come analisi dello stato di transizione. Rappresenta qualitativamente diverse caratteristiche chiave del processo.
Le soglie di fissione dipendono dallo spin e dalla parità dello stato nucleare composto. La distribuzione angolare dei frammenti è governata dal momento angolare rotazionale collettivo di quello stato. L’asimmetria nella distribuzione della massa risulta dal passaggio oltre la barriera in uno stato di parità negativa. La parità negativa manca di simmetria di riflessione.
“È l’unico modello che fornisce un’interpretazione soddisfacente delle distribuzioni angolari dei frammenti di fissione.”
Il modello funziona bene, ma ha un presupposto importante. Si presuppone che le proprietà dello stato di transizione nel punto di sella non siano alterate da considerazioni dinamiche durante la discesa al punto di scissione. Questo è un grande “se”. Nonostante ciò, il modello rimane essenziale. Qualsiasi teoria completa della fissione deve includere le sue caratteristiche interessanti.
Perché i numeri magici sono importanti per la divisione di massa
Il primo utilizzo del modello a guscio sferico nella fissione fu più semplice. Ha riconosciuto che i picchi nella distribuzione della massa della fissione erano correlati ai numeri magici. Ciò ha suggerito un’interpretazione qualitativa della divisione di massa asimmetrica.
I nuclei preferiscono la stabilità. Una preferenza per la formazione di nuclei con numero di neutroni vicino a 82 favorisce il picco del gruppo pesante. Ciò determina la suddivisione della massa per il sistema di fissione. Vedere la Figura 4 nei dati originali.
Ci si aspettava una stabilità extra per 50 protoni. Non è particolarmente evidente nei dati. Prendi lo stagno-132. È un nucleo doppiamente magico con 50 protoni e 82 neutroni. La sua resa nella fissione a bassa energia è piuttosto bassa. Il modello non è perfetto
Peter Fong e l’approccio statistico
Peter Fong negli Stati Uniti fece un’applicazione più quantitativa nel 1956. Utilizzò un approccio basato su modelli statistici. Ha messo in relazione la probabilità di formare una data coppia di frammenti con la densità di stati disponibile nel punto di scissione.
La logica è semplice. Il movimento casuale significa che il sistema sperimenta tutte le possibili configurazioni. Ha una maggiore probabilità di trovarsi nelle regioni in cui si concentra il maggior numero di configurazioni. Il modello presuppone che l’energia potenziale nel punto di sella venga convertita in energia di eccitazione. L’equilibrio statistico tra tutti gli stati si stabilisce nel punto di scissione.
I nuclei a guscio chiuso hanno energia legante extra. Ciò porta ad una maggiore densità di stati a una data energia di eccitazione. Gli altri nuclei no. Ciò crea una maggiore probabilità di formazione per configurazioni a guscio chiuso. Il risultato è una distribuzione di massa asimmetrica. Concorda bene con le osservazioni sulla fissione dell’uranio-235 indotta da neutroni.
Il problema dell’equilibrio del punto di scissione
Vengono inoltre spiegati i cambiamenti nella distribuzione della massa con l’aumento dell’energia di eccitazione. All’aumentare dell’energia di eccitazione, l’importanza degli effetti del guscio diminuisce. Ciò aumenta la probabilità di fissione simmetrica rispetto alla fissione asimmetrica.
Altre caratteristiche sono spiegate qualitativamente. Tuttavia, sono necessari ampi cambiamenti nei parametri del modello per abbinare gli esperimenti con altri nuclidi fissili. Ci sono problemi fondamentali con i presupposti di base.
La questione centrale per i modelli dei punti di scissione è la validità. Il sistema rimane nel punto di scissione abbastanza a lungo sul ripido declino della superficie dell’energia potenziale? C’è tempo perché si stabilisca una condizione di quasi equilibrio?
Ci sono prove che tale condizione prevalga. Non è chiaramente stabilito. Tuttavia, questi modelli si rivelano utili. Interpretano le osservazioni delle distribuzioni di massa, carica ed energia cinetica. Spiegano la dipendenza dell’emissione di neutroni dalla massa del frammento.
La struttura del guscio dei frammenti probabilmente gioca un ruolo significativo. Determina il corso del processo di fissione. I dettagli rimangono irrisolti. La fisica è confusa.
I modelli a goccia di liquido sono adatti per forme generiche. Falliscono quando i nuclei si allungano. Nello specifico, non tengono conto dei costi energetici superficiali in caso di grandi deformazioni. Questo è un problema per la fissione.
V.M. Strutinskii ha risolto questo problema nel 1967. Era un fisico russo. Ha proposto un modello ibrido. Aggiunge effetti di guscio al potenziale di caduta del liquido. La parte a goccia di liquido mantiene la superficie collettiva e gli effetti Coulomb. Le correzioni del guscio dipendono dalla deformazione. Queste correzioni possono raggiungere diversi milioni di elettronvolt. Ciò fa impallidire la barriera contro le gocce di liquido di circa 5 MeV.
La stabilità della conchiglia cambia con la forma. I numeri magici si spostano da valori sferici. Vicino alla barriera di fissione, questo crea struttura nella curva di energia. La Figura 7 lo mostra. I due picchi variano in base alla massa e alla carica.
La barriera a doppia gobba spiega gli isomeri
Questa forma a doppia gobba risolve gli enigmi della fissione. Esistono isomeri di fissione spontanea di breve durata. Vivono nel secondo pozzo. Stati di classe II. La barriera all’uscita è più piccola. Le emivite sono più brevi.
Questi stati differiscono nella forma. Gli stati di Classe I ritornano allo stato fondamentale tramite l’emissione gamma. Gli stati di classe II lo ostacolano. Sono isomeri di forma. La barriera a doppia gobba spiega anche le sezioni trasversali di fissione indotte dai neutroni. Struttura distribuzioni angolari di frammenti.
Il metodo di Strutinskii ha stimolato i calcoli. Ha trattato gli effetti macroscopici e microscopici in modo coerente. I fisici americani W.J. Swiatecki e James R. Nix hanno condotto questi studi. Hanno mappato le superfici dell’energia potenziale. Alcuni lavori hanno addirittura toccato l’evoluzione dinamica.
Asimmetria e punto di scissione
Gli attinidi mostrano asimmetria nella seconda barriera. Le divisioni asimmetriche della massa sono a energia inferiore. Le divisioni simmetriche sono preferite in seguito. Il singolo potenziale fallisce in caso di grandi deformazioni. Non è in grado di gestire bene due frammenti in formazione.
Una discontinuità si verifica durante la scissione. I risultati dipendono dal trattamento del sistema come uno o due nuclei. Un potenziale a due centri aiuta. Utilizza sfere sovrapposte. Corrisponde al comportamento di un centro con una piccola deformazione. Corrisponde al comportamento separato con grandi deformazioni.
Ciò suggerisce la preformazione precoce dei gusci dei frammenti. I modelli del punto di scissione possono avere presupposti instabili. Eppure corrispondono all’osservazione. Il modello Argonne Scission-Point è fondamentale. Utilizza gusci di frammenti deformati. Include l’interazione tramite il collo. Prevede le distribuzioni di massa, carica ed energia cinetica. Copre la dipendenza dalle emissioni di neutroni. Non prevede la probabilità di fissione. O distribuzioni angolari.
Le correzioni del guscio svaniscono con l’energia di eccitazione. Il comportamento macroscopico prende il sopravvento.
I numeri magici guidano la fissione simmetrica
Il fermio-264 subisce una fissione simmetrica. Le energie cinetiche dei frammenti sono insolitamente alte. Perché? Stabilità dei numeri magici. 50 protoni. 82 neutroni.
Si formano due frammenti di stagno-132. Questa è doppiamente magica. Energeticamente è favorito. La fissione dell’uranio o del plutonio a bassa energia non favorisce due di questi frammenti. Solo uno.
I frammenti di stagno-132 sono sferici. Non deformato. Configurazione compatta alla scissione. Centri di carica più vicini. Risultati di energia cinetica più elevati.
La fisica è chiara. La struttura conta. Le superfici energetiche non sono lisce. Hanno pozzi. E barriere. E discontinuità. Li stiamo ancora mappando.
Gli effetti del guscio rimangono fondamentali per il processo di fissione. Ciò è vero sia che si tratti del sistema di fissione nel punto di sella, sia dei frammenti deformati in prossimità del punto di scissione. Queste proprietà quantomeccaniche aiutano a spiegare molte caratteristiche osservate. Ma non abbiamo ancora una risposta chiara riguardo allo stadio esatto in cui vengono determinate le distribuzioni dei frammenti.
Gli ingredienti per una comprensione ragionevole della fissione ci sono. Semplicemente non sono ancora stati sintetizzati in una teoria completa e dinamica.
L’approssimazione adiabatica
Considera la dinamica della discesa. Il sistema si muove su una superficie ad energia potenziale dal punto di sella al punto di scissione. Una visione estrema è l’approssimazione adiabatica. Questo modello presuppone che il movimento collettivo del sistema sia lento. O forse l’accoppiamento tra gradi di libertà collettivi e interni di singola particella è debole.
Se ciò è vero, i movimenti veloci delle singole particelle possono facilmente adattarsi ai cambiamenti nella forma del nucleo di fissione. Progredisce verso la scissione senza interrompere il suo stato interno. I cambiamenti avvengono senza guadagnare o perdere energia termica.
La diminuzione dell’energia potenziale tra i punti della sella e della scissione apparirà quindi principalmente nei gradi di libertà collettivi alla scissione e sarà associata all’energia cinetica del movimento relativo dei frammenti nascenti.
Questa è nota come energia cinetica pre-scissione. L’energia entra nel movimento dei frammenti mentre volano via.
Trasferimento di energia non adiabatico
L’estremo opposto implica un movimento collettivo più veloce. O un accoppiamento più forte con il movimento delle particelle. Qui l’energia collettiva si trasforma in eccitazione interna. Questo diventa energia termica per i nucleoni.
Pensatelo come il riscaldamento nel movimento di un fluido viscoso. L’attrito tra gli strati genera calore. In questo processo non adiabatico, la miscelazione tra i gradi di libertà della singola particella può essere completa. Un modello statistico potrebbe essere applicabile al punto di scissione.
La terra di mezzo
Entrambi gli estremi sono approssimazioni. Rappresentano un comportamento complesso semplificato per l’analisi. L’evidenza sperimentale può supportare entrambe le interpretazioni a seconda del nucleo specifico o dell’energia coinvolta.
La natura raramente rientra in scatole binarie. La verità probabilmente si trova da qualche parte tra questi estremi. Sia i meccanismi adiabatici che quelli non adiabatici svolgono probabilmente un ruolo nel processo di fissione. L’interazione tra cambiamenti di forma macroscopici e aggiustamenti quantistici microscopici rimane una delle questioni aperte nella fisica nucleare. Conosciamo i pezzi. Semplicemente non li abbiamo ancora messi insieme.
La fissione non avviene una volta sola. Si diffonde. Quando un nucleo si divide, emette neutroni. Se questi neutroni colpiscono un altro atomo fissile, anche quell’atomo si divide. Rilascia più neutroni. La catena cresce. Oppure muore.
La matematica dietro questo è semplice ma letale. Lo misuriamo con k, il fattore di moltiplicazione. È il rapporto tra le fissioni in una generazione e l’ultima.
- Se k è inferiore a 1, la reazione svanisce.
- Se k è uguale a 1, hai un polso costante. Un’assemblea critica.
- Se k è maggiore di 1, la catena esplode. Super critico.
Un assieme critico non è solo un grumo di metallo. È un sistema attentamente progettato. Hai bisogno di materiale fissile, solitamente metallo o ossido. Hai bisogno di un moderatore per rallentare i neutroni. Hai bisogno di un riflettore per rimbalzare i neutroni vaganti nel nucleo in modo che non fuggano.
La fisica della bomba contro la centrale elettrica
In una bomba, la velocità è tutto. Vuoi k il più in alto possibile. Vuoi che il tempo tra i passaggi sia incredibilmente breve. L’obiettivo è rilasciare un’enorme energia in circa 10^-7 secondi.
Considera la scala. Un chilogrammo di uranio-235 sottoposto a fissione rilascia energia equivalente a 20.000 tonnellate di TNT. È un assassino di città in un solo chilogrammo.
I reattori sono diversi. Non vogliono esplodere. Vogliono canticchiare. In un reattore stazionario, k rimane a 1. Ma in pratica? Non puoi mantenerlo esattamente a 1. Lo progetti in modo che sia leggermente superiore a 1.
Perché? Perché le cose si degradano.
Il carburante brucia. Si esaurisce. I prodotti della fissione si accumulano. Alcuni di questi sottoprodotti sono “veleni”. Mangiano neutroni. Abbassano k. Se inizi esattamente da 1, il reattore si spegne prima di ottenere energia utile. Iniziare leggermente in alto ti consente di compensare la perdita di carburante e l’accumulo di veleno.
È inoltre necessario salvare alcuni neutroni. Puoi usarli per la ricerca o per creare isotopi radioattivi per uso medico e industriale.
Le barre di controllo lo rendono possibile. Si tratta di aste mobili realizzate con materiali che assorbono neutroni come boro, cadmio o afnio. Fateli scorrere dentro e k cade. Tirateli fuori e k si alza.
Non è immediato, però. Grazie agli emettitori di neutroni ritardati tra i prodotti di fissione, c’è un ritardo tra le generazioni di neutroni. Questo piccolo ritardo dà agli operatori umani e ai sistemi meccanici il tempo di reagire. Senza di esso, il controllo di un reattore sarebbe impossibile.
Reattori termici, intermedi e veloci
Non tutti i reattori funzionano allo stesso modo. Sono classificati in base all’energia dei neutroni che guidano la catena.
Reattori termici
Questi sono i più comuni. Si basano su neutroni “termici”. Si tratta di neutroni lenti, che si muovono a velocità paragonabili alle molecole di gas a temperatura ambiente.
La fissione produce neutroni veloci. Energia cinetica media superiore a 1 MeV. Troppo veloce per dividere in modo efficiente altri atomi di uranio-235. Devi rallentarli. Questo è il lavoro del moderatore.
Moderatori comuni:
– Acqua normale
– Acqua pesante (D2O)
– Grafite
Reattori intermedi
Questi mantengono la catena con neutroni di energia intermedia. Potrebbero usare il berillio come moderatore. Meno comune, ma utile in progetti specifici.
Reattori veloci
Non è necessario alcun moderatore. Qui, i neutroni di fissione veloce fanno il lavoro. Mantengono la reazione a catena senza rallentamenti. Ciò richiede diverse composizioni e progettazioni del carburante, ma può essere più efficiente in termini di utilizzo del carburante.
Ogni tipo ha bisogno di un modo per rimuovere il calore. Non è possibile far funzionare un reattore a secco. I refrigeranti variano in base al design:
– Acqua
– Gas
– Metallo liquido
La scelta del refrigerante dipende dalle esigenze di pressione, temperatura e stabilità chimica.
Oltre l’elettricità: l’utilità dei prodotti di fissione
Una volta che il reattore è in funzione e il combustibile è esaurito, i rifiuti non sono solo spazzatura. È una risorsa. I prodotti di fissione creati durante il funzionamento contengono una grande quantità di isotopi radioattivi.
Alcuni di questi sono di breve durata e pericolosi. Altri sono abbastanza stabili da poter essere raccolti.
Gli isotopi medici sono un obiettivo primario. Il tecnezio-99m, utilizzato nell’imaging diagnostico, è spesso un sottoprodotto della fissione. Lo iodio-131 tratta le condizioni della tiroide. Lo Stronzio-90 alimenta pacemaker e radio remoti.
Le applicazioni industriali sono altrettanto vaste. I radioisotopi vengono utilizzati per la radiografia per ispezionare i cordoni di saldatura nelle tubazioni. Misurano lo spessore nelle linee di produzione. Sterilizzano le attrezzature mediche senza calore, preservando i materiali sensibili.
I “rifiuti” da un punto di vista sono la materia prima per un altro settore. Lo stesso processo che genera energia genera anche gli strumenti per la medicina e l’industria moderne.
La distinzione tra produzione energetica e produzione materiale è artificiale. In un ciclo ben progettato, sono due uscite dello stesso flusso di neutroni.
Un reattore nucleare è, nella sua essenza, una fornace. Genera vapore o gas caldi. Queste uscite fanno due cose. Forniscono calore diretto. Oppure azionano le turbine per far girare i generatori di elettricità.
Questa è la storia familiare. Le centrali elettriche commerciali utilizzano questa tecnologia a livello globale. La Marina lo utilizza per azionare sottomarini e navi di superficie. Ma la storia finisce qui solo se si guardano le basi. La vera utilità di queste macchine si estende ben oltre la rete.
Perché è importante un elevato flusso di neutroni
I reattori svolgono un ruolo fondamentale nella scienza dei materiali. Forniscono intensi flussi di neutroni. Gli scienziati lo usano per studiare come si comportano i materiali sotto stress. Lo usano per sondare le strutture atomiche. Ma c’è un’altra uscita qui. Una vasta gamma di radionuclidi.
Questi radionuclidi non sono solo prodotti di scarto. Insieme ai prodotti di fissione, hanno trovato numerose applicazioni. Li puoi trovare nei trattamenti medici. Li puoi trovare nella radiografia industriale. Il reattore è una fabbrica di isotopi.
Il vantaggio della batteria atomica
Il calore derivante dal decadimento radioattivo ha un altro trucco. Può essere convertito direttamente in energia elettrica. Ciò avviene attraverso l’effetto termoelettrico nei materiali semiconduttori. Il risultato è una batteria atomica.
Queste non sono come le batterie del tuo telefono. Sono di lunga durata. Si basano su isotopi specifici. Alcuni emettono particelle beta. Lo stronzio-90 è un esempio. Il promezio-147 è un altro. Altri emettono particelle alfa. Il plutonio-238 rientra in questa categoria. Viene utilizzato anche il curio-244.
Perché usarli rispetto alle batterie solari o chimiche? Perché funzionano senza luce solare. Funzionano in condizioni di freddo estremo. Funzionano per decenni senza manutenzione.
Dove li mettiamo
Ciò li rende ideali per i luoghi che gli esseri umani non possono raggiungere facilmente. O luoghi in cui il rifornimento è impossibile.
Prendi dei pacemaker cardiaci. I primi modelli utilizzavano queste batterie nucleari. Sono sopravvissuti al cuore umano. Mantenevano in vita i pazienti quando altre fonti di energia fallivano.
Sono essenziali anche per le strutture remote senza personale. Pensa alle sonde spaziali. Le missioni Voyager utilizzavano fonti di energia al plutonio-238. I pannelli solari non erano un’opzione così lontana dal sole.
Consideriamo le regioni polari. L’Artico e l’Antartico hanno inverni lunghi. La luce solare è scarsa. Le batterie nucleari mantengono gli strumenti in funzione.
I mari aperti presentano sfide simili. Le stazioni di monitoraggio in acque profonde necessitano di una fonte di energia che non abbia perdite o che non si corroda rapidamente. Questi isotopi forniscono stabilità.
Impatto nel mondo reale
Le applicazioni della radioattività vanno oltre la semplice energia. Esistono usi pratici anche per altri radionuclidi. Aiutano a diagnosticare le malattie. Sterilizzano le attrezzature mediche. Tracciano i flussi di fluido nei pozzi petroliferi.
Quando guardi un reattore nucleare, vedi più di una centrale elettrica. È una fonte di precisione. È uno strumento di scoperta. È un sistema di supporto vitale negli ambienti più difficili della Terra e oltre.
La scienza è complessa. Le applicazioni sono ovunque. Devi solo sapere dove guardare.
