Che cos'è una reazione nucleare a catena?

Una reazione di fissione nucleare avviene quando gli atomi di un elemento instabile vengono bombardati con neutroni, dividendo il nucleo di ciascun atomo in parti più piccole. Se la scissione di ciascun nucleo rilascia diversi neutroni ad alta velocità che possono quindi dividere più nuclei dell'elemento, ha luogo una reazione a catena. Poiché i neutroni in più dividono più nuclei, viene rilasciata più energia e la reazione a catena può provocare un'esplosione come quella di una bomba nucleare. Se la reazione a catena viene controllata rimuovendo alcuni dei neutroni in eccesso, l'energia viene ancora rilasciata sotto forma di calore, ma si può evitare un'esplosione. La reazione nucleare a catena è uno dei tre tipi di reazioni nucleari che hanno caratteristiche diverse e possono essere utilizzate in modi diversi.

TL; DR (troppo lungo; non letto)

Una reazione nucleare a catena è una reazione di fissione che rilascia neutroni extra. I neutroni scindono atomi aggiuntivi rilasciando ancora più neutroni. Poiché il numero di neutroni emessi e il numero di atomi divisi aumenta in modo esponenziale, può verificarsi un'esplosione nucleare.

Il nucleo di un atomo immagazzina molta energia che può servire a scopi utili. I tre tipi di reazioni nucleari che utilizzano l'energia nucleare sono radiazioni, fissione e fusione. Le macchine a raggi X mediche e industriali utilizzano le radiazioni degli elementi radioattivi per creare immagini del corpo o nei materiali di prova. Le centrali elettriche e le armi nucleari utilizzano la fissione nucleare per produrre energia. La fusione nucleare alimenta il sole, ma gli scienziati non sono stati in grado di creare una reazione di fusione nucleare a lungo termine sulla Terra sebbene gli sforzi continuino. Di questi tre tipi di reazioni nucleari, solo la fissione può creare una reazione a catena.

La chiave per una reazione nucleare a catena è garantire che la reazione generi neutroni extra e che i neutroni dividano più atomi. Poiché l'elemento uranio-235 produce diversi neutroni per ogni atomo diviso, questo isotopo dell'uranio viene utilizzato nei reattori nucleari e nelle armi nucleari.

La forma e la massa dell'uranio influenzano se può aver luogo una reazione a catena. Se la massa di uranio è troppo piccola, troppi neutroni vengono emessi all'esterno dell'uranio e vengono persi nella reazione. Se l'uranio ha la forma sbagliata, per esempio un foglio piatto, si perdono anche troppi neutroni. La forma ideale è una massa solida abbastanza grande da avviare la reazione a catena. In questo caso, i neutroni in più colpiscono altri atomi e l'effetto di moltiplicazione porta alla reazione a catena.

L'unico modo per controllare o fermare una reazione nucleare a catena è impedire ai neutroni di dividere più atomi. Le barre di controllo costituite da un elemento che assorbe i neutroni come il boro riducono il numero di neutroni liberi e li eliminano dalla reazione. Questo metodo viene utilizzato per controllare la quantità di energia prodotta da un reattore e per garantire che la reazione nucleare rimanga sotto controllo.

In una centrale nucleare, le barre di controllo vengono sollevate e abbassate nel combustibile di uranio. Quando completamente abbassate, tutte le aste sono circondate dal carburante e assorbono la maggior parte dei neutroni. In tal caso, la reazione a catena si interrompe. Quando le aste vengono sollevate, meno di ciascuna asta assorbe neutroni e la reazione a catena accelera. In questo modo gli operatori della centrale nucleare possono controllare e fermare la reazione nucleare a catena.

Sebbene le reazioni a catena nucleari nelle centrali elettriche di tutto il mondo forniscano notevoli quantità di energia elettrica, le centrali nucleari hanno due problemi principali. In primo luogo, c'è sempre il rischio che il sistema di controllo basato su barre di controllo non funzioni a causa di guasti tecnici, errori umani o sabotaggi. In tal caso potrebbe esserci un'esplosione o un rilascio di radiazioni. In secondo luogo, il carburante usato è altamente radioattivo e deve essere immagazzinato in sicurezza per migliaia di anni. Questo problema non è ancora risolto e il combustibile usato rimane nella maggior parte dei casi in varie centrali nucleari. Di conseguenza, gli usi pratici per le reazioni a catena nucleari sono diminuiti in molti paesi, compresi gli Stati Uniti.