11 - la radioattività

Normalmente il chimico si interessa degli elettroni, che caratterizzano la reattività di un elemento e non del nucleo atomico; ma molto spesso anche il chimico deve utilizzare, preparare e manipolare materiali radioattivi; è perciò necessario trattare, almeno fino a un certo livello, la radioattività. Per far questo occorre prendere in considerazione il nucleo dell'atomo.

 

Abbiamo visto che nella tavola periodica compaiono anche elementi "artificiali"; altri elementi sono "instabili".

Lo studio delle caratteristiche di questi elementi particolari è conseguente alla scoperta dei raggi X (Roentgen, 1895).

In questo settore, negli ultimi 100 anni, chimici e fisici hanno saputo:

- ottenere elementi non isolati in natura (ma di cui si potevano prevedere esistenza e caratteristiche in base alla periodicità);

- individuare, nel comportamento di alcuni elementi instabili, una caratteristica, la radioattività, che dipende specificamente da alcune proprietà dei nuclei atomici.

 

Un modello del nucleo è stato proposto (anche se molto semplificato) nel 1911 da Ernest Rutheford, analogo al modello attuale: il nucleo è di volume molto piccolo (rispetto a quello dell'atomo), concentra in sé quasi tutta la massa dell'atomo, è dotato di carica positiva.

 

Vediamo le prime tappe della scoperta e dello studio dei nuclei atomici:

 

Henry Becquerel (1852-1908; premio Nobel nel 1903), fisico francese, scoprì che una lastra fotografica anneriva a contatto con sali di uranio U; questo avvenne durante le sue ricerche sulla fluorescenza (24-2-1896).

 

Marya Sklodowska (1867-1934; premio Nobel nel 1903 e nel 1911), chimica polacca, (che sposò poi Pierre Curie, un fisico francese che collaborò poi con lei) durante ricerche sulla piezoelettricità dell'uranio, ne individuò la capacità di emettere radiazioni; scoprì la radioattività (termine da lei inventato) del torio Th; lavorando su tonnellate di pechblenda, un minerale di uranio, riuscì a isolare e caratterizzare il polonio Po (Z=84) e il radio Ra (Z=88) ambedue molto più radioattivi dell'uranio; fu la prima a rendersi conto che la radioattività comporta anche la trasformazione di un elemento in un altro.

 

André Louis Debierne, chimico francese scoprì nel 1899, nella pechblenda, l'attinio Ac (Z=89).

 

Friedrich Ernst Dorn, fisico tedesco, nel 1900 scoprì, nei prodotti di decadimento del radio Ra, un gas radioattivo, il radon Rn (Z=86); altri ricercatori, fra cui il tedesco Otto Hahn, nel 1917, il protoattinio Pa (Z=91).

 

Fig.11.1 Ernest Rutherford in una sua fotografia

 

Ernest Rutherford (1871-1937; premio Nobel nel 1909) studiò la diffrazione di particelle a emesse per radioattività e le individuò come He2+, cioè come nuclei di elio; riuscì a calcolare il diametro dei nuclei: 10-12-10-13 cm, contro 10-8 cm circa per il diametro degli atomi (da ciò si può dedurre l'enorme densità del nucleo, circa 1011 Kg/cm3 cioè 100.000 Ton/mm3!).

Ernest Rutherford

 

James Chadwick (1891-1974; premio Nobel nel 1935) scoprì nel 1932 che si potevano ottenere ioni H+ (protoni) p per bombardamento a di certi materiali: riscontrò che la carica positiva del protone ha lo stesso valore di quella negativa dell'elettrone. Scoprì anche che, per bombardamento a di elementi leggeri (B, Be) si ottenevano particelle senza carica e di massa circa eguale a 1 u.m.a., che furono chiamate neutroni n. Dedusse perciò che protoni e neutroni fossero costituenti del nucleo.

 

Le particelle costituenti il nucleo, in particolare neutroni e protoni, sono chiamate in generale nucleoni; i nucleoni possono essere soggetti a mutue relazioni:

 

Fig.11.2 Schema che rappresenta il bombardamento di un atomo con una particella a e la relazione tra neutrone n, elettrone e, protone p.

Nello schema, una particella a bombarda un atomo; ciò può provocare l'emissione di un protone p o di un neutrone n; il neutrone è relativamente instabile e può scindersi in un elettrone e più un protone p.

Il numero intero in alto a sinistra della particella (o del simbolo dell'atomo) rappresenta il numero di massa della particella, quello in basso a sinistra la sua carica elettrica (nel caso di atomi, il suo numero atomico Z, corrispondente al numero di protoni, perciò al numero di cariche elettriche positive del nucleo).

In una reazione nucleare la somma dei numeri di massa nel primo membro dell'equazione deve essere eguale a quella dei numeri nel secondo membro; analogamente, la somma algebrica delle cariche nel primo membro dell'equazione deve essere eguale a quella delle cariche nel secondo membro.

relazione tra neutrone, protone ed elettrone

 

Sappiamo che ogni atomo è caratterizzato dal numero atomico Z, che rappresenta il numero di protoni nel nucleo (uguale al numero degli elettroni dell'atomo neutro) e dal numero di massa A che rappresenta il numero di nucleoni (protoni e neutroni) del nucleo. E' sempre A ³ Z

 

Molti elementi hanno massa atomica (da non confondere col numero di massa!) non sempre vicina all'unità (per esempio Cl 35.45; H 1.008; Ni 58.71...). Ciò è dovuto alla possibilità di esistenza di nuclei con eguale Z (perciò chimicamente eguali) e diverso A (perciò con diverso numero di neutroni nel nucleo).

Questi nuclidi di uno stesso elemento si chiamano isotopi.

I nuclidi sono i tipi di nuclei che prendiamo in considerazione: potremo distinguerli secondo diverse tipologie:

isotopi (dal greco iso-topos = eguale posto, nella tavola periodica, dato che si tratta di atomi con lo stesso nome), con eguale Z ed A diverso (per esempio 11H, 21H; oppure 126C, 136C) , che per noi chimici sono i più importanti

isobari: (dal greco iso-baros = con lo stesso peso), con Z diverso, (perciò chimicamente diversi) ed A uguale (4018Ar, 4019K, 4020Ca)

isotoni: (con lo stesso numero di neutroni), cioè con A-Z uguale (per esempio 21H, 32He)

Nella figura sono riportati, in funzione di Z e di A, tutti i nuclidi stabili, cioè tutti quelli riscontrati in natura; mancano perciò quelli artificiali e quelli radioattivi; in particolare si può notare la mancanza di Z=43 (tecnezio Tc) e di Z=61 (promezio Pm), artificiali, benché a Z relativamente basso (ma dispari per ambedue). Il grafico si ferma a Z=83 (bismuto Bi), poiché tutti i nuclidi con Z>83 sono instabili e radioattivi, e molti di essi artificiali.

Fig.11.3 Tabella dei nuclidi naturali stabili (non radioattivi).

Z = numero atomico = numero di protoni nel nucleo;

A = numero di massa = numero di protoni + numero di neutroni nel nucleo;

A-Z = Z rappresenta il luogo dei punti corrispondenti ad A = 2 Z, cioè a nuclidi in cui il numero dei neutroni è eguale a quello dei protoni.

La zona racchiusa tra le curve che comprendono tutti i nuclidi stabili rappresenta la cosiddetta fascia di stabilità: fuori di essa nessun nuclide può essere stabile e dovrebbe decadere (modificarsi) in qualche modo, così da rientrare, in uno o più stadi, nella fascia di stabilità (è una condizione necessaria ma non sufficiente:  qualche nuclide all'interno della fascia potrebbe comunque non essere stabile).

Tutti i nuclidi che si trovano su una verticale sono isotopi (Z costante), cioè hanno lo stesso nome, lo stesso comportamento chimico, ma diversa massa.

Tutti i nuclidi che si trovano sulla stessa orizzontale sono isobari (A costante), cioè diverso nome, diverso comportamento chimico ma massa eguale.

E' interessante notare che solo gli elementi con Z pari hanno una notevole abbondanza di isotopi, mentre quelli con Z dispari ne hanno pochissimi, spesso uno soltanto o nessuno (cioè non esistono in natura, come il 43, tecnezio e il 61, Promezio). Inoltre, quando ci sono vari isotopi, quelli ad A più alto e più basso sono sempre pari, e quelli con Z dispari hanno quasi sempre A dispari.

banda dei nuclidi naturali stabili

 

Le ricerche per conoscere a fondo il nucleo sono in veloce evoluzione. Sappiamo che occorre energia per scindere il nucleo in nucleoni: questi infatti, nel nucleo, hanno massa minore di quando sono liberi e in quiete, in base alla relazione  E = mc2 (c, velocità della luce nel vuoto = 3 x 108 m s-1): il difetto di massa corrisponde alla energia con cui i nucleoni sono legati: la massa dei nucleoni liberi e in quiete (senza energia cinetica) è:

        per il neutrone n: 1.008665 u.m.a.                              per il protone p: 1.007825 u.m.a.

Il difetto di massa può venire espresso, utilizzando la relazione precedente, anche in differenza di energia DE.

In tal caso il valore è di circa DE = 8-9 MeV/nucleone e, ricordando che 1 eV = 1.6 x 10-19 J, possiamo capire quanto alta sia questa energia se consideriamo, come riferimento, una reazione chimica ad alta energia, come quella tra idrogeno e fluoro

                                                    H + F ® HF + 465 KJ/mole

In questo caso l'energia in gioco per ogni atomo sarà:

465 x 103 J / 6.023 x 1023 @ 8 x 10-19 J / atomo @ 5 eV/atomo.

Si tratta di un'energia circa due milioni di volte superiore; non solo: è bene ricordare che in un atomo ci sono più nucleoni!

 

Per quanto riguarda le forze che tengono assieme i nucleoni, si sa che sono efficaci a breve distanza (fra 2.5 e 0.5 Fermi, in cui l'unità Fermi, usata dai fisici nucleari, corrisponde a 10-13 cm); sotto 0.5 Fermi predominano le forze di repulsione; per la stabilità si ipotizzano scambi di particelle "mesoni" di cui si è accertata l'esistenza.

 

Le ricerche nel campo della fisica nucleare sono in velocissima evoluzione e vengono scoperte particelle nuove molto frequentemente; ma, almeno per ora, non c'è un modello soddisfacente per il nucleo come quello per l'atomo visto dal punto di vista chimico. 

Sono state individuate particelle come mesoni, leptoni, muoni, bosoni, neutrini, barioni, tauoni, pioni, adroni, quark; questi ultimi sembrano essere i "mattoni", che inizialmente si ipotizzava fossero 3 (il termine quark è tratto da un brano di James Joyce in cui un personaggio chiedeva "tre quark di birra") e che attualmente pare siano 6; ma sono veramente loro i "mattoni" della materia?

Limitiamoci per ora a fare solo alcune osservazioni:

- esistono nuclidi stabili a causa delle barriere di potenziale che impediscono la loro trasformazione;

- esistono gruppi di nuclidi stabili che possiamo caratterizzare in base alla parità o alla disparità del numero di protoni Z, di neutroni N, di nucleoni (o numero di massa) A:

numero di nuclidi

Z

N = A-Z

A

166

pari

pari

pari

57

pari

dispari

dispari

53

dispari

pari

dispari

7

dispari

dispari

pari

Fig.11.4 Abbondanza di nuclidi in funzione del numero di protoni (Z), di neutroni (N) e di nucleoni (A) nel nucleo; l'abbondanza di nuclidi con Z pari (223) rispetto a quelli con Z dispari è confermato dai dati in fig.44.

Neutroni e protoni tendono evidentemente ad appaiarsi, avendo un momento magnetico, e si accoppiano con quello opposto (come succede per gli elettroni).

Ci sono poi dei valori "magici" di Z ed N, che corrispondono a nuclidi di alta stabilità e abbondanza naturale:

Z o N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Come esempio vengono riportati il numero di nuclidi naturali e di quelli artificiali o radioattivi rispetto ai numeri magici:

Z 2 8 20 28 50 82 126
configurazione elettronica di 2He 8O 20Ca 28Ni 50Sn 82Pb 126Ubh
numero nuclidi naturali 2 3 6 5 10 4 ?
numero nuclidi artificiali/radioattivi 3 5 8 7 15 19 ?
totale 5 8 14 12 25 23 ?

Fig.11.5 Abbondanza di nuclidi naturali e artificiali o radioattivi in funzione del numero di protoni (Z) nel nucleo.

 

Ma possiamo anche portare esempi di nuclidi con numero di neutroni (A-Z) uguale ai numeri magici:

A-Z 2 8 20 28 50 82 126
  42He 157N 3616S 4820Ca 8636Kr 13654Xe 20781Tl
    168O 3717Cl 5022Ti 8737Rb 13856Ba 20882Pb
      3818Ar 5123V 8838Sr 13956La 20983Bi
      3919K 5224Cr 8939Y 14058Ce 21084Po
      4020Ca 5426Fe 9040Zr 14159Pr  
          9242Mo 14260Nd  
            14462Sm  

Fig.11.6 Esempi di nuclidi con numero di neutroni corrispondente ad un numero magico.

Ciò farebbe pensare a una struttura simile a quella del modello elettronico dell'atomo, con i vari strati, gli ottetti, i gusci... anche se non si è ancora giunti ad una "modellizzazione" razionale e coerente.

 

La radioattività è una conseguenza della instabilità di alcuni nuclei: un nuclide instabile tende, emettendo radiazioni, a raggiungere la fascia di stabilità dei nuclei.

Il decadimento radioattivo può avvenire attraverso vari tipi di processi:

processo

particelle coinvolte

variazione di Z

variazione di A

emissione a

nuclei di He

-2

-4

emissione b-

elettroni

+1

-

emissione b+

positroni

-1

-

emissione g

radiazioni

-

-

cattura elettronica

elettroni

-1

-

Fig.11.7 Tipi di processi coinvolti nel decadimento radioattivo; i primi tre comportano emissione di particelle, il quarto di radiazioni; il quinto non è un vero processo di decadimento, ma ne ha gli stessi effetti: è dovuto alla cattura di un elettrone da parte del nucleo.

 

emissione a : vengono emessi nuclei 42He , perciò si ha una diminuzione di 2 unità per Z e di 4 per A.

                21084Po ® 20682Pb + 42He              23290Th ® 22888Ra+ 42He

                23892U ® 23490Th + 42He                  23592U ® 23190Th + 42He

                                        23793Np ® 23391Pa + 42He

E' molto importante poiché, essendo l'unica emissione che fa variare A, permette di raggruppare i nuclidi radioattivi in "famiglie" nelle quali A diminuisce di 4 unità ad ogni emissione; ogni emissione comporta anche un mutamento di identità chimica del nuclide, poiché Z diminuisce di 2 unità.

 

emissione b-: vengono emessi elettroni (dal nucleo, non si tratta degli elettroni negli orbitali!); ciò corrisponde alla reazione:              10n ® 11p + 0-1e

perciò si ha aumento di una unità per Z, mentre A resta costante.

                        146C ® 147N + 0-1b-                  23491Pa ® 23492U + 0-1b-

                        31H ® 32He + 0-1b-                      22588Ra ® 22583Ac + 0-1b-

In questa emissione si ha sempre mutamento di identità chimica, poiché cambia Z. Il simbolo usato nelle reazioni, b-, sta ad indicare un elettrone, ma si usa la simbologia fisica, per distinguerlo dagli elettroni orbitali.

 

emissione b+: vengono emessi positroni, particelle con la stessa massa dell'elettrone e carica opposta; si ha diminuzione di una unità per Z (scompare un protone e compare un neutrone), mentre A resta costante; corrisponde alla reazione: 11p ® 10n + 01b+   

                                                               116C ® 115B + 01b+   

Anche in questa emissione si ha sempre mutamento di identità chimica del nuclide; il simbolo b+ corrisponde a quello precedente, ma con carica positiva.

 

emissione g: vengono emesse non particelle ma radiazioni altamente energetiche (più dei raggi X; queste radiazioni hanno perciò lunghezza d'onda minore e frequenza maggiore dei raggi X e sono anche più penetranti e pericolose); è caratteristica di nuclei in uno stato eccitato; in genere accompagna ognuno dei tipi di decadimento visti.

                raggi g:: 0.25 Å > l > 0.001 Å                      raggi X: 100 Å > l > 0.01 Å

                                            23490Th* ® 23490Th + g    

In questa emissione non c'è alcuna variazione di A né di Z; generalmente si usa indicare il nuclide con un asterisco*, che indica uno stato eccitato e perciò instabile.

 

cattura elettronica: non è una emissione, ma ne ha gli stessi effetti: un elettrone viene catturato dal nucleo e si lega con un protone; perciò Z diminuisce di una unità, A resta costante; corrisponde alla reazione

                   11p + 0-1e ® 10n                                 19579Au + 0-1e ® 19578Pt

 

Se i nuclidi che decadono esistono in natura allora siamo in presenza di radioattività naturale; se invece si tratta di nuclidi instabili prodotti artificialmente, allora si tratta di radioattività artificiale o indotta.

Tutti i nuclidi con Z > 83 sono radioattivi, ma anche altri lo sono; per esempio: 4019K (emissione b-); 9943Tc, 14761Pm (artificiali).

 

Gli isotopi radioattivi naturali possono essere raggruppati in 3 famiglie, con un capostipite da cui prendono il nome; poiché le emissioni che portano a variazione di A (oltre che di Z) sono le a, ogni isotopo avrà A con differenza di 4 rispetto al predecessore: avremo così le seguenti famiglie, identificabili, oltre che col nome del capostipite, con una espressione algebrica che esprime il numero di massa di ogni membro della famiglia con n variabile (per semplicità saranno indicati solo i numeri di massa; Z è comunque identificato dal simbolo dell'elemento):

(4n+2) del Torio 234: 234Th, 234Pa, 234U, 230Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, 218At, 214Pb, 214Bi, 214Po, 210Ti, 210Pb, 210Bi, 210Po, 206Ti, 206Pb.

(4n) del Torio 232: parte da 232Th e termina con 208Pb.

(4n+3) dell'Uranio 235: parte da 235U e termina con 207Pb.

E' interessante notare che tutte queste tre famiglie terminano con un isotopo del Pb, elemento che è evidentemente molto stabile; ricordando le tabelle dell'abbondanza di nuclidi (figg. 11.3, 11.5, 11.6), Pb ha Z=82, pari.

Manca però una serie, quella (4n+1). Evidentemente non esiste più un capostipite di questa famiglia, perciò essa deve essersi esaurita.

 

Per capire perché, occorre introdurre un nuovo concetto che riguarda il tempo di vita del sistema; per conoscerlo si considera una grandezza, il tempo di dimezzamento t1/2.

t1/2 rappresenta, in questo caso, il tempo che una certa quantità di un nuclide impiega per ridurre a metà il numero di nuclei radioattivi; questa grandezza può essere enorme, ma anche piccolissima. Per i capostipiti delle famiglie già viste i tempi sono:

nuclide 234Th 232Th 235U
t1/2 4.5 x 109 anni 1.4 x 1010 anni 7.1 x 108 anni

Fig.11.8 Tempi di dimezzamento dei nuclidi progenitori delle tre famiglie attualmente esistenti.

Un nuclide intermedio con t1/2 basso, dovrebbe sparire; invece continua ad esistere finché il progenitore, con alto t1/2, lo genera.

La famiglia mancante (non possono esisterne altre) è stata ricostruita artificialmente; il suo capostipite 237Np infatti si è ormai esaurito in natura poiché ha un t1/2 più basso, 2.2 x 106 anni.

La famiglia si chiama perciò:

(4n+1) del Neptunio 237: parte da 237Np e termina con 209Bi. E' l'unica che termina con un isotopo stabile che non sia del Pb.

 

Abbiamo visto che nella tabella periodica compaiono molti elementi artificiali, in particolare gli ultimi, con Z molto alto; questi sono stati preparati in piccole quantità mediante bombardamenti nucleari: si utilizzano neutroni che bombardano nuclei pesanti come 238U: i neutroni, soprattutto se decelerati, entrano facilmente nel nucleo, poiché, non avendo carica, non subiscono repulsione da parte del nucleo; il nuovo nuclide però può avere troppi neutroni nel nucleo (può uscire cioè dalla fascia di stabilità): in questo caso può subire, per esempio, decadimento b-, che fa abbassare il rapporto n/p, facendo aumentare Z di una unità.

                                                AZM + 10n ® A+1ZM* ® A+1Z+1M   + 0-1b-

Attraverso reazioni successive si può arrivare fino a Z = 100, con rese soddisfacenti.

Per elementi con Z > 100, si bombardano elementi transuranici, anziché con neutroni lenti, con piccoli nuclei accelerati in acceleratori di particelle.

Alcuni esempi:

25399Es + 42He ® 256101Md + 10n

24696Cm + 136C ® 255102No + 4 10n

24395Am + 188O ® 256103Lw + 5 10n

24999Cf + 136C ® 259104Ku + 3 10n

24395Am + 2210Na ® 261105Ha + 4 10n

24998Cf + 188O ® 263106Unh + 4 10n

La difficoltà maggiore sta nel t1/2 di questi nuovi elementi, che è molto basso: con ogni probabilità siamo ai limiti delle possibilità di preparazione; basti pensare che mentre per 257100Fm il t1/2 = 85 giorni, per elementi con Z superiori, il t1/2 va diminuendo da 90 minuti (per Md, Z=101) fino a 0.9 secondi (per Unh, Z=106).

 

Abbiamo parlato spesso di tempo di dimezzamento t1/2; ma secondo quale legge avviene il decadimento radioattivo?

 

Si dice che la velocità è "cineticamente del I° ordine" poiché dipende solo dal numero N di nuclei instabili presenti                                  -dN /dt=lN

Nella legge del decadimento, dN è la quantità di nuclei decomposta nel tempo dt; dN /dt rappresenta la velocità di decadimento (che è negativa poiché il numero di nuclei radioattivi diminuisce nel tempo). Questa velocità è proporzionale, secondo la costante l, al numero N di nuclei instabili.

Integriamo l'equazione differenziale che rappresenta la velocità:

-dN /N =l dt

l'integrale è ln N0 /N =l t

in cui N0 è il numero di nuclei instabili al tempo t=0.

Si preferisce parlare di tempo di dimezzamento t1/2 anzichè di l.

Se poniamo perciò N = N0/2 (numero di nuclei corrispondente alla metà di quelli iniziali), allora, per la definizione di tempo di dimezzamento, il tempo corrispondente è t1/2.

Sviluppando e passando ai logaritmi decimali si ottiene che

t1/2 = (2.303/l) lg 2= 0.693/l.

Da questa semplice relazione è possibile perciò conoscere t1/2 se si conosce la costante specifica di velocità l o viceversa.

 

Fig.11.9 Una fotografia di Willard F.Libby nel suo laboratorio

Su questo principio si basa, per esempio, la datazione dei reperti archeologici contenenti residui di C organico.

Questo metodo è stato scoperto da Willard F.Libby nel 1949: gli organismi animali o vegetali assorbono, durante il loro metabolismo e fino alla morte, una quantità costante di costante di 146C, derivato da una reazione nucleare che avviene nell'alta atmosfera e causata da raggi cosmici

                                                    147N + 10n ® 146C + 11p

14CO2 viene assimilata assieme alla più comune 12CO2; poiché 14C è instabile (radioattivo), deve subire decadimento, ma, finché l'organismo vive, il rapporto tra 14C e 12C resta costante.

Willard F.Libby

Quando l'organismo muore e non assimila più carbonio, inizia a cambiare il rapporto 14C / 12C, poiché, mentre rimane costante la quantità di 12C, l'isotopo radioattivo mano a mano scompare. Il t1/2 = 5670 anni.

Basta così determinare il rapporto 146C /126C per sapere da quanto tempo è morto l'organismo.

E' stato un grande progresso, ma occorre ricordare che, quando il numero di anni è molto alto la misura è difficoltosa e sempre meno precisa (si parte da un rapporto iniziale 14C/12C »10-12!); non si può, attualmente, avere dati attendibili superiori a 6-7 t1/2 (35000 anni). Inoltre il metodo si basa sull'ipotesi che il rapporto 14C / 12C sia sempre stato lo stesso.

 

Abbiamo già osservato che l'energia insita nei legami nucleari è enorme: è chiaro che è molto vantaggioso poter sfruttare reazioni nucleari per ottenere energia.

Abbiamo 2 tipi di processi nucleari possibili: la fissione e la fusione

 

Fissione: corrisponde alla scissione di nuclei pesanti in nuclei più leggeri. Per esempio:

23592U + 10n ® 9336Kr + 14056Ba+ 3 10n

23592U + 10n ® 9038Sr + 14454Xe+ 2 10n

L'uranio 235, bombardato con neutroni, si scinde in due parti, con emissione di neutroni in quantità maggiore di quelli assorbiti.

Ma nell'U naturale ci sono pochi 235U (» 7/1000); è conveniente perciò bombardare materiali "fertili" (capaci di produrre altri nuclidi) per ottenere materiali "fissili" (adatti alla fissione).

                    23892U + 10n ® 23994Pu                                 2329Th + 10n ® 23392U

E' ciò che avviene nei cosiddetti "reattori veloci" o "breeder", in cui vengono utilizzati neutroni prodotti in eccesso da altri reattori.

Nelle precedenti reazioni di fissione si formano più neutroni di quelli consumati: se quelli prodotti in eccesso rispetto a 1 non vengono dispersi o bloccati (o se non si controlla la quantità di materiale fissile, mantenendola sotto il limite chiamato "massa critica") si ha una reazione nucleare a catena di tipo esplosivo, dato che ogni fissione produce una grande quantità di energia.

Questo avviene quando il numero di neutroni prodotti supera, anche se di poco, quello dei neutroni usati; se invece il sistema è controllato mediante variazione del numero di barre di materiale fissile inserite nel reattore, si può controllare l'energia prodotta: si tratta allora di una reazione nucleare controllata, come avviene in reattori nucleari o nelle pile atomiche (il primo reattore nucleare è del 1942, costruito come una "pila" di mattoni di U e grafite da Enrico Fermi nella palestra dell'Università di Chicago), in cui l'energia sviluppata dalla reazione nucleare viene recuperata come calore e trasformata in forme di energia più facilmente utilizzabili e trasferibili, come quella elettrica (centrali elettriche termonucleari).

Purtroppo le reazioni nucleari sono state sfruttate anche per scopi non pacifici: la cosiddetta "bomba atomica" era costituita da due masse, inferiori a quella critica, che venivano messe a contatto mediante una carica esplosiva, così che la massa totale superasse quella critica.

Nella gestione dei reattori nucleari esiste il grosso problema delle scorie radioattive, per quanto riguarda sia lo smaltimento, sia l'arricchimento, che comporta il loro trasporto nei pochi stabilimenti capaci di farlo. Infatti le barre che vengono usate nei reattori tradizionali (non i breeder, che sono pochissimi), dopo un certo tempo si impoveriscono di materiale fissile, tanto da non poter venire più usate; tuttavia ne contengono ancora molto, oltre ad altri prodotti di decadimento e sono pericolosamente radioattive.

 

Fusione: corrisponde alla unione di atomi leggeri per formarne di più pesanti. La produzione di energia è il risultato della diminuzione di massa totale del sistema nucleare, secondo la nota relazione tra massa ed energia E=mc2.

Sarebbe una fonte di energia praticamente inesauribile. Anche in questo caso la fusione incontrollata può essere esplosiva: la prima volta che fu utilizzata fu nel 1952 (bomba H) nell'atollo di Bikini, in cui venne usata una bomba atomica per innescare la reazione di fusione.

Perché la fusione avvenga occorre portare la temperatura di un gas di particelle cariche ad alta densità (plasma) fino a milioni di gradi; così infatti aumenta la probabilità che avvengano le reazioni. Alcune di queste possibili reazioni sono:

21H + 21H ® 32He + 10n + 3.2 MeV

21H + 21H ® 32He + 11p + 4.0 MeV

21H + 31H  ® 42He + 10n +17.6 MeV

21H + 32H® 42He + 11p +18.3 MeV

63Li + 32H® 42He + 42He + 11p +16.9 MeV

63Li + 11p  ® 32He + 42He + 4.0 MeV

63Li + 21H  ® 73Li + 11p + 5.0 MeV

63Li + 21H  ® 42He + 42He +22.0 MeV

La temperatura di innesco, detta temperatura di ignizione, della reazione che avviene a temperatura più bassa è 4x107 °C.

 

Fig.11.10 Superficie limite per il mantenimento delle condizioni di fusione.

 

Il problema è quello di raggiungere e mantenere contemporaneamente alti valori per: temperatura T, densità del plasma d, tempo t.

In varie occasioni si sono superati i limiti per uno o due dei parametri, ma non molte sono le esperienze in cui tutti i tre i parametri sono stati superiori al minimo.

Praticamente occorre che tutti i tre parametri corrispondano a punti al di sopra della superficie indicata, che si può considerare una superficie limite.

superficie limite per la fusione nucleare

Nella bomba H la reazione veniva innescata da una bomba atomica, che forniva sia la T di ignizione che la densità del plasma, a causa della compressione istantanea dovuta all'esplosione.

Occorre tenere presente che, date le temperature elevatissime, nessun materiale può essere usato per costruire recipienti per il plasma; ma trattandosi di un gas di particelle cariche (elettroni, ioni), il plasma viene costretto entro elevatissimi campi magnetici o elettrici; aumentando l'intensità del campo è possibile aumentare la densità del plasma fino al livello voluto.

Esistono molti tipi di apparecchiature sperimentali, in U.S.A., URSS, G.B., Italia e molti principi operativi, con campi magnetici per il contenimento, con raggi laser per l'ignizione, a deuterio solido, recentemente anche con impulsi di raggi X, etc. In Italia si sono ottenuti ottimi risultati con il Tokamak, usato anche in Russia. Il ritardo nel raggiungimento delle condizioni operative per una utilizzazione pratica (e pacifica) della fusione è dovuto appunto alle condizioni estremamente critiche in cui si deve operare.

Resta il fatto che il combustibile sarebbe reperibile ovunque e perciò "a disposizione" di tutti: il potere economico, in questo caso, starebbe nel "know how" tecnologico e non nel possesso di pozzi petroliferi o di miniere di uranio.

Oltre all'enorme quantità di energia disponibile, la fusione presenta anche il vantaggio della "pulizia" del reattore: non produce scorie radioattive (l'unico può essere il trizio 31H, che è però anche un combustibile della fusione e sarebbe perciò possibile trovare le condizioni adatte perché venga del tutto consumato) e non può provocare incidenti: infatti, mentre in un reattore nucleare, se il controllo non è adeguato, si innesca una reazione a catena esplosiva (vedi Chernobyl, Tree Miles Island), in un reattore a fusione, qualsiasi difetto provocherebbe la caduta della temperatura o della densità del plasma, con disinnesco istantaneo della reazione.

Poichè in alcune reazioni di fusione si producono protoni e neutroni ad alta energia, il sistema potrebbe venire accoppiato con un reattore nucleare o con un acceleratore in cui quelle particelle possano venire utilizzate; oppure si potrebbe produrre energia elettrica assorbendo l'energia dei neutroni su uno schermo di Li liquido e recuperando il calore con uno scambiatore di calore.

 

Poi... è arrivata la notizia della "fusione fredda", che ha messo in crisi il modello costruito dai fisici per la fusione "calda". Dopo le grandi polemiche iniziali (veniva messo in crisi anche il sistema di finanziamenti, enormi, di cui godono i centri di ricerca sulla fusione), nel massimo silenzio, molte nazioni stanno lavorando in questo campo. Potrebbe essere la soluzione del problema energetico mondiale?

 


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