La comprensione del funzionamento dei reattori nucleari e del ciclo del combustibile richiede una distinzione netta tra le proprietà nucleari dei vari isotopi. Sebbene il linguaggio comune tenda a sovrapporre i termini, in ingegneria nucleare le definizioni di "fissionabile", "fissile" e "fertile" sono cruciali per progettare sistemi di produzione energetica efficienti e sicuri.
La natura del processo di fissione
Nella fissione, l’energia deriva dalla scissione di atomi pesanti, come l’uranio, in atomi più piccoli ad esempio iodio, cesio, stronzio, xeno e bario. A seguito dell’assorbimento di un neutrone, il nucleo dell’uranio diventa instabile. Di conseguenza il nucleo instabile si disgregherà, secondo modalità diverse, producendo più neutroni che colpiranno a loro volta altri atomi di uranio che diventeranno instabili e così via. Questa reazione a catena è alla base dei processi di fissione; se la quantità di nuclei è sufficientemente elevata, al raggiungimento della cosiddetta massa critica, si viene a innescare una reazione a catena in grado di autoalimentarsi. In media, l'energia liberata da ogni nucleo di uranio fissionato è di circa 180 MeV.
Il motivo per cui per produrre energia alcuni atomi si scindono mentre altri si fondono dipende dalla forza di legame tra protoni e neutroni. Sembra che i nuclei atomici più fortemente legati siano quelli di dimensioni simili al ferro, che ha 26 protoni nel nucleo.
Fissionabile vs Fissile: definizioni e distinzioni
È necessario operare una distinzione precisa tra questi termini. Si definisce "Fissionabile" qualsiasi materiale i cui atomi possono essere posti in fissione. Il termine "Fissile", invece, è più restrittivo: significa che l'isotopo è capace di sviluppare una reazione a catena con neutroni di qualsiasi energia, inclusi quelli "lenti" o termici.
Sebbene tutti i materiali fissili siano fissionabili, non tutti i materiali fissionabili sono fissili. In particolare, l'uranio-238 è fissionabile ma non fissile. I nuclei fissili hanno elevate sezioni di fissione termiche, il che può essere spiegato in base all’aumentata probabilità di reazione di un nucleo pesante con un neutrone quando quest’ultimo soggiorna più lungamente nelle vicinanze del nucleo. Gli isotopi fissili più noti sono l'uranio-235, il plutonio-239 e l'uranio-233.
Il ruolo degli isotopi fertili
Si chiama invece "fertile" un isotopo che non è fissile di per sé, ma che può trasformarsi in fissile a seguito dell’assorbimento di un neutrone. L'uranio-238 è fertile perché può generare plutonio-239 a seguito di assorbimento neutronico. Analogamente, il torio-232, assorbendo un neutrone, si trasforma in uranio-233 fissile. Questo processo è fondamentale per l'economia dei reattori, poiché permette di utilizzare materiale altrimenti non direttamente sfruttabile per la reazione a catena.
Reattori termici e reattori veloci
Nei reattori nucleari, il tipo di neutrone utilizzato determina la classificazione dell'impianto. Se le reazioni di fissione vengono prodotte da neutroni con elevata energia cinetica, si parla di reattori veloci. Se invece i neutroni, prima di essere assorbiti, urtano elasticamente con nuclei leggeri (moderatori) perdendo parte della loro energia, si parla di neutroni termici.
- Reattori termici: Utilizzano un moderatore (come acqua, acqua pesante o grafite) per rallentare i neutroni. L'acqua naturale, pur avendo ottime capacità di moderazione, presenta l’inconveniente delle catture neutroniche. Per questo, in molti reattori, è necessario utilizzare uranio arricchito per compensare le perdite.
- Reattori veloci: Non prevedono materiale moderante, poiché il rallentamento dei neutroni è indesiderato. Il refrigerante classico in questi casi è il sodio, che ha un elevato numero atomico e ottime capacità di scambio termico, ma richiede estrema cautela per l'elevata reattività chimica.
Il ciclo del torio e la prospettiva futura
L’uso del torio al posto dell’uranio è tornato di attualità per ridurre il rischio di proliferazione, poiché i combustibili a base di torio producono plutonio in quantità molto minore. Mentre l'uranio-238 ha bisogno necessariamente di neutroni veloci per creare plutonio-239, il torio può dar luogo alla reazione di produzione dell’uranio-233 anche in campo termico.
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Tuttavia, l'intoppo principale per l'uso del torio deriva dal fatto che, prima di estrarre energia, è necessario innescare il ciclo usando materiale fissile come uranio-235 o plutonio-239. Nonostante le difficoltà tecnologiche incontrate storicamente, come quelle del reattore di Shippingport, la ricerca moderna si sta concentrando su reattori a gas ad alta temperatura in cui l'ossido di torio può operare a temperature molto superiori a quelle del comune biossido di uranio.
Differenze con la fusione nucleare
A differenza della fissione, la fusione sfrutta atomi leggeri, come gli isotopi dell’idrogeno (deuterio e trizio), per formare elio. Mentre la fissione è una reazione di scissione, la fusione è il processo nel quale due nuclei si fondono.
La fusione è estremamente impegnativa perché richiede temperature di circa 100 milioni di gradi Celsius per vincere la repulsione elettromagnetica tra i nuclei. Per realizzarla si utilizza il Tokamak, un dispositivo a forma di ciambella dove il plasma è confinato da campi magnetici. A differenza dei reattori a fissione, la fusione non prevede reazioni a catena e si estingue spontaneamente se il plasma si raffredda o se le condizioni di confinamento vengono meno, rendendo il processo intrinsecamente più sicuro dal punto di vista della stabilità della reazione.
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