Alcune note sulla fissione nucleare. La Pila

Alcune note sulla fissione nucleare. La Pila
atomica di Fermi
Prof. Graziano Surace
Ultima Rivisitazione: Roma, 9 Giugno 2008
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Introduzione
Il navigatore italiano é atterrato nel nuovo mondo(A.Compton).
(The italian navigator has landed on the new world).
Con queste parole, Arthur Compton il 2 dicembre 1942 salutó il funzionamento della pila atomica progettata da Enrico Fermi (primo reattore nucleare), con la quale, per la prima volta al mondo, é stata prodotta energia
grazie ad una reazione nucleare a catena autosostenentesi.
Ma come funziona la pila di Fermi e perché é cosı́ importante? In primo
luogo va chiarito che si produce energia sempre a spese di qualcosa. Per
esempio si puó produrre energia sotto forma di calore bruciando del carbone.
Nella pila di Fermi si produce energia ”bruciando” uranio. Il fatto importante é che nella combustione del carbone, il numero di atomi di Carbonio
o Ossigeno non viene modificato. La reazione chimica infatti coinvolge solo
gli elettroni atomici, responsabili dei legami tra i differenti elementi. Nella
pila nucleare, il combustibile Uranio si trasforma in altri elementi, completamente differenti, tramite una reazione di fissione nucleare cioé una reazione
che coinvolge la parte piú interna dell’atomo, il nucleo. Prima di chiarire
come avvenga una tale reazione, é da sottolineare il fatto che la fissione di
un solo grammo di 235 U produce una quantitá di energia 2800000 volte piú
grande di quella che si ottiene bruciando un grammo di carbone! Questo
rende la pila di Fermi tanto straordinaria.
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Il meccanismo della fissione
Una reazione nucleare si chiama di ”Fissione” quando un nucleo di un elemento pesante, come l’uranio, si spezza in frammenti, cioé nuclei piú leggeri.
Questo tipo di reazione, che avviene spontaneamente con probabilitá piccolissima, puó esssere indotta dall’urto con neutroni. Infatti se un neutrone
collide con un nucleo di uranio, la probabilitá di fissione di quest’ultimo aumenta notevolmente. Un esempio di reazione di fissione é il seguente:
140
94
n +235
92 U →58 Ce +36 Kr + n + n + e + e
(1)
cioé una reazione del tipo
n +235
92 U → A + B + neutroni
(2)
Bene, perché questa reazione é cosı́ speciale? Lo si puó capire ”pesando”
i nuclei prima e dopo la fissione:
Sorpresa! La massa dei nuclei prodotti dalla reazione é piú piccola della
massa di partenza. La ben nota relazione di Einstein, E = ∆mc2 , ci dice
che la massa mancante si é trasformata in energia. Ben 200 milioni di eV in
una sola reazione! E’ evidente che la fissione nucleare é una fonte energetica
piú efficiente della tradizionale combustione.
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La pila atomica di Fermi
La pila di Fermi é stata il primo reattore nucleare a fissione mai costruito.
Fermi si rese conto che nella reazione di fissione venivano generati neutroni
che, a loro volta, potevano generare altre reazioni di fissione collidendo con
l’uranio in un meccanismo a catena. E’ proprio questo che accade nella pila:
il reattore si autosostiene, cioé, una volta innescate, le reazioni di fissione non
richiedono una sorgente di neutroni esterna, ma continuano ad avvenire ed
a produrre energia. Questa é in breve l’idea di funzionamento della pila. La
realtá é che il suo funzionamento é il frutto di un complicatissimo equilibrio
fra le quantitá ed i tipi di materiali in essa presenti.
Andiamo a vedere piu’ in dettaglio di cosa era fatta la prima pila, e perché.
Partiamo dal fatto che il reattore deve autosostenersi senza sorgenti di neutroni esterne. Cioé il numero di neutroni, che servono ad indurre le fissione
dell’ 235 U , non deve diminuire nel tempo, altrimenti il reattore ad un certo
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punto si spegnerebbe. Il numero di neutroni non puo’ per neanche aumentare
indefinitamente, altrimenti questi genererebbero sempre piu’ reazioni di fissione che produrrebbero enormi quantitá di energia fino all’esplosione del
reattore. Dunque si vuole che il numero di neutroni all’interno della pila
resti costante. Questo numero é dato dal rapporto K tra gli N neutroni
generati in reazioni di fissione e gli N0 neutroni inizialmente disponibili.
Il rapporto
N
(3)
K=
N0
si chiama fattore di moltiplicazione, e , per quanto esposto sopra,deve risultare
K = 1 in condizioni di ”criticitá” del reattore. Un reattore sottocritico
(K < 1) é destinato a spegnersi, mentre uno supercritico (K > 1) puó esplodere. Non é facile regolare il valore di K attorno ad 1 perché nella pila
si verificano anche dei processi diversi dalla fissione che assorbono neutroni
e che dunque li rendono indisponibili per questo tipo di reazione.
La pila di Fermi aveva la forma di una sfera leggermente schiacciata in
alto e in basso, ed aveva un raggio medio di circa 3.5 metri. Ai blocchetti
(di uranio e grafite) erano interposte le cosiddette sbarre di controllo (di
cadmio). Queste erano un dispositivo di sicurezza: dovevano essere estratte
nel periodo di funzionamento del reattore, ma, essendo costituite di materiale
con elevatissima probabilitá di assorbimento dei neutroni senza provocare
fissioni, il cadmio, assicuravano lo spegnimento della pila una volta reinserite
al suo interno. H. Anderson, uno dei fisici che lavoravano a Chicago con
Enrico Fermi descrive cosı́ il primó funzionamento della pila in condizioni di
criticitá:
”La mattina del 2 dicembre (1942) sul presto dissi a Fermi che
tutto era pronto ed egli ne assunse la direzione. Fermi aveva
predisposto una sequenza di operazioni per il ragiungimento della
criticitá. L’ultima barra di Cadmio venne estratta a mano, poco
a poco: ad ogni arresto si misurava l’attivitá neutronica e Fermi
confrontava i risultati con le previsioni basate sulle misure precedenti. Il procedimento convergeva rapidamente ed egli dimostrava
una crescente fiducia. Sicché quando si arrivó all’ultimo segmento
Fermi era certo che la criticitá sarebbe allora stata raggiunta. Infatti quando la barra di Cadmio fu completamente estratta, la pila
divenne critica e la prima reazione a catena autosostenentesi ebbe
luogo”.
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La Pila di Fermi funzionó con un fattore K pari a 1.0006 per 28 minuti.
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Alcune questioni di interesse fisico connesse con il
funzionamento di un reattore
1. Come si ottengono i neutroni di bassa energia (neutroni lenti) necessari
a provocare la fissione indotta dell’uranio?
2. Come si schermano i neutroni prodotti nelle reazioni di fissione?
La risposta al primo quesito é: attraverso il moderatore della reazione. Il
moderatore é costituito sostanzialmente da materiali formati da nuclei leggeri
capaci di sottrarre energia ai neutroni attraverso urti (sostanze idrogenate).
Sostanze di tal tipo possono essere la grafite (CH4 ), il berillio (Be) e l’accqua
pesante (un’acqua un pó particolare in cui l’idrogeno é sostituito da atomi
di deuterio, un isotopo dell’idrogeno).
La risposta al secondo quesito é: attraverso le cosiddette sbarre di controllo , un dispositivo di sicurezza. Queste sbarrette di cadmio, o acciaio
al boro devono essere estratte nel periodo di funzionamento del reattore essendo costituite di materiale con elevatissima probabilitá di assorbimento dei
neutroni senza provocare fissioni.
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