Energia nucleare dalla fissione
L'equazione
di fissione dell'uranio consente di sottolineare due aspetti essenziali di tutti i
processi di fissione nucleare. In primo luogo la quantità di energia prodotta
da ogni singola fissione è molto grande; in termini pratici, la reazione di 1 kg di uranio 235
sviluppa 18,7 milioni di kilowattora in forma di calore. Secondo, il processo
di fissione innescato dall'assorbimento di un neutrone dal primo nucleo di
uranio 235 continua in modo autonomo: in seguito alla disgregazione di ciascun
nucleo di uranio si creano 2 o 3 neutroni, che provocano in rapida sequenza la
fissione di altrettanti nuclei di uranio 235, ciascuno dei quali a sua volta si
spezza in due frammenti, con produzione di neutroni e sviluppo di energia; si
realizza in questo modo un processo a catena che produce continuamente energia
nucleare.
Solo
lo 0,7 per cento dell'uranio presente in natura è uranio 235; il resto è
costituito dall'isotopo non fissile uranio 238, che ha una concentrazione di
alcune parti per mille, talmente bassa da essere inessenziale ai fini dei
processi di reazione nucleare. Una quantità qualsiasi di uranio naturale, dunque, non è in
grado di sostenere una reazione a catena, poiché la percentuale di U 235, il
solo isotopo in grado di dare luogo a un processo di fissione in seguito a
bombardamento con neutroni, è troppo piccola. La probabilità di produzione del
processo di fissione in uranio naturale può però essere aumentata fino a cento
volte, se i neutroni prodotti (troppo veloci per intercettare i pochi nuclei di
U 235) vengono rallentati mediante una serie di collisioni elastiche con nuclei
leggeri, quali idrogeno, deuterio o carbonio. Praticamente, ciò equivale a
immergere l'uranio naturale in acqua pesante, un'acqua la cui molecola è
composta da ossigeno e deuterio.
Nel
dicembre del 1942, all'università di Chicago, il fisico italiano Enrico Fermi riuscì a produrre la prima reazione nucleare a catena
controllata, utilizzando frammenti di uranio naturale distribuiti all'interno
di un blocco di grafite pura (una forma di
carbonio). Nella "pila", o reattore nucleare di Fermi, la grafite
fungeva da "moderatore" per rallentare i neutroni, rendendo così
possibile la reazione a catena.
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nucleare