Descrizione

Schema di una reazione nucleare.
1) Un nucleo di uranio 235 viene "bombardato" da un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due frammenti e libera tre neutroni e dell'energia.
2) Uno di questi neutroni è assorbito da un altro nucleo di uranio 238 ed è perso nel bilancio. Un secondo neutrone può "fuggire" dal sistema o essere assorbito da un elemento che non continua la reazione. Il terzo neutrone viene assorbito da un nucleo di uranio 235 che si spezza in due frammenti liberando due neutroni e dell'energia.
3) I due neutroni liberati si scontrano con due nuclei di uranio 235 e ogni nucleo libera da uno a tre neutroni che servono per continuare la reazione a catena.

Nella fissione nucleare, quando un nucleo di materiale fissile (se produce fissione con neutroni di qualsiasi energia cinetica) o fissionabile (se la fissione è possibile solo con neutroni di elevata energia cinetica, detti veloci) assorbe un neutrone si fissiona producendo due o più nuclei più piccoli e un numero variabile di nuovi neutroni. Gli isotopi prodotti da tale reazione sono radioattivi in quanto posseggono un eccesso di neutroni e decadono beta in una catena di decadimenti radioattivi fino ad arrivare ad una configurazione stabile. Inoltre nella fissione vengono prodotti normalmente 2 o 3 neutroni veloci liberi. L'energia complessivamente liberata dalla fissione di 1 nucleo di ²³⁵U è di 211 MeV, una quantità elevatissima data dalla formula

dove la prima massa è la massa del nucleo di ²³⁵U e del neutrone incidente mentre la seconda massa è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodotti, mentre c è la costante che rappresenta la velocità della luce nel vuoto (299.792.458 m/s). Perciò in questo fenomeno parte della massa iniziale scompare e si trasforma in energia sotto forme diverse, la maggior parte (circa 167 MeV) in energia cinetica, ovvero in moto, dei frammenti pesanti prodotti della reazione. Circa 11 MeV sono trasportati via dai neutrini emessi al momento della fissione e quindi l'energia effettivamente sfruttabile come energia termica è di circa 200 MeV per ogni fissione. In un comune processo di combustione, l'ossidazione di un atomo di carbonio fornisce un'energia di circa 4 eV, un'energia che è meno di cinquanta milionesimi di quella prodotta nella reazione nucleare di fissione.

I nuovi neutroni prodotti possono venire assorbiti dai nuclei degli atomi di uranio 235 vicini, se ciò avviene possono produrre una nuova fissione del nucleo. Se il numero di neutroni che danno luogo a nuove fissioni è maggiore di 1 si ha una reazione a catena in cui il numero di fissioni aumentano esponenzialmente, se tale numero è uguale a 1 si ha una reazione stabile in tal caso si parla di massa critica. La massa critica è dunque quella concentrazione e disposizione di atomi con nuclei fissili per cui la reazione a catena si mantiene stabile e il numero di neutroni presente nel sistema non varia. Se si varia tale disposizione allora il numero di neutroni assorbiti può scendere e si ha che la reazione si spegne oppure aumentare e si ha che la reazione cresce esponenzialmente. Per cui scrivendo:

K= neutroni presenti in una generazione/neutroni presenti della generazione precedente

se la disposizione è tale che si abbia K>1 allora il numero di neutroni aumenta, se K<1 diminuisce, mentre se K=1 il numero di neutroni resta stabile e si parla di massa critica. La quantità K viene definita in fisica del reattore come il fattore di moltiplicazione effettivo e è fondamentale nel controllo del reattore stesso.

La fissione nucleare è il procedimento su cui si basano i reattori nucleari a fissione e le bombe atomiche (o, meglio, nucleari). Se per i reattori nucleari il valore di K non deve superare mai il valore di 1 se non di una quantità bassissima (come quando si aumenta la potenza del reattore e allora si può arrivare a K=1.005) per le armi nucleari si deve avere che il valore di K deve essere il più alto possibile e in tal caso si può arrivare a K=1.2.

L'uranio si trova in natura come miscela di due isotopi: ²³⁸U e ²³⁵U in rapporto di 150 a 1, dunque l'uranio 235 è solo lo 0.7% del totale dell'uranio, e solo quest'ultimo è fissile. Il processo di arricchimento consiste nell' aumentare la percentuale in massa di uranio ²³⁵U a scapito del ²³⁸U in modo da riuscire ad avere un numero di nuclei fissili sufficiente per far funzionare il reattore, in tal caso l'arricchimento varia dal 3% al 5% o per costruire una bomba atomica, in tal caso l'arricchimento arriva fino al 90%. In una reazione, la presenza di impurità e di atomi di ²³⁸U e, nei reattori, di apposite barre che hanno lo scopo di controllare la reazione a catena fa si che solo parte dei neutroni emessi venga assorbita dai nuclei di fissile.

Residui della reazione 

Gli atomi con un numero di massa maggiore hanno nel loro nucleo più neutroni rispetto a quelli con minor numero di massa, per cui un processo di fissione produce dei frammenti di fissione con un numero elevato di neutroni; tali isotopi per diventare stabili devono dunque presentare un decadere beta più volte. Il tempo di decadimento di tali elementi dipende dal tipo di nucleo prodotto e può variare da pochi millisecondi fino a decine di anni. Per questo tutte le reazioni di fissione producono isotopi radiottivi alcuni dei quali rimangono attivi molto a lungo. Inoltre le reazioni di fissione dell' ²³⁵U che avvengono nei reattori nucleari avvengono in presenza di un gran numero di nuclei di ²³⁸U, questi assorbono parte dei neutroni prodotti trasformandosi in ²³⁹U (reazione di fertilizzazione) il quale in tempi rapidi decade due volte beta diventando plutonio 239 il quale ha un tempo di decadimento molto più lungo (si dimezza in 24000 anni). Per cui le reazioni di fissione producono molte sostanze radiaottive estremamente nocive, ma mentre le scorie che provengono dai prodotti da fissione decadono in poche decadi, il plutonio resta radiattivo per un tempo che in termini umani è praticamente eterno.

Per costruire dei reattori nucleari che non producano scorie nucleari dagli anni 50 del secolo scorso si stanno studiando dei reattori a fusione nucleare, ma per ora tali reattori hanno un funzionamento non continuo (si riesce a tenere 'accesa' la reazione di fusione nucleare per tempi dell'ordine di grandezza della decina di secondi), la ricerca tuttavia va avanti, pur fra mille dubbi sulla loro possibile fattibilità e ipotesi di avere il primo reattore funzionante fra cinquanta anni. Il reattore nucleare a fusione più promettente è quello in corso di costruzione del progetto ITER nel sito francese di Cadarache. Un altro modo per affrontare il problema della produzione del plutonio potrebbe essere quella di costruire dei reattori autofertilizzanti a neutroni veloci in cui oltre alla fissione dell'uranio 235 si fissiona pure una parte del plutonio 240 formato dalla fertilizzazione dell'uranio 238. Un consorzio italo-franco-tedesco ha realizzato il primo e per ora unico esempio di reattore veloce autofertilizzante di tipo commerciale Superphénix, refrigerato a sodio liquido. Questo progetto è stato però abbandonato a causa dei costi economici e dei problemi tecnologici nell'uso del sodio.