Le armi nucleari sfruttano l’energia prodotta dalle reazioni nucleari. Le reazioni nucleari sono delle reazioni in cui la massa dei prodotti è leggermente inferiore alla massa dei reagenti, la quale si trasforma in energia secondo la formula relativistica E = mc2. Le principali reazioni nucleari sono due: la fissione nucleare e la fusione nucleare. La fissione riguarda principalmente elementi pesanti mentre la fusione riguarda elementi leggeri. Il motivo per cui ciò accade si può dedurre osservando come l’energia di legame per nucleone, la quale determina la stabilità dell’atomo, varia al variare del numero di massa. Essa tende ad aumentare per elementi aventi numero di massa basso e tende invece a diminuire per elementi con numero di massa elevato. Di conseguenza gli elementi pesanti, a partire da dopo il 56Fe, sono più instabili rispetto agli elementi pesanti aventi un numero di nucleoni minore e quindi maggiormente predisposti alla fissione. Al contrario gli elementi leggeri, fino a prima del 56Fe, sono più instabili rispetto agli elementi leggeri aventi un numero di nucleoni maggiore e quindi per essi sarà più probabile una reazione di fusione.
Fissione
La fissione nucleare è la reazione in cui il nucleo di un atomo pesante si divide in due nuclei di atomi più leggeri. Questa reazione avviene spontaneamente solo per elementi aventi numero atomico Z (numero di protoni) maggiore di 92, ma essa può essere innescata attraverso l’assorbimento da parte del nucleo di un neutrone. Oltre ai due nuclei più leggeri e ad una notevole quantità di energia vengono emessi da questa reazione anche dei neutroni, in media tra i 2,5 e i 3. Questi neutroni potranno a loro volta dare origine ad altre fissioni, generando così delle reazioni a catena.
Per valutare lo sviluppo della reazione a catena viene usato il fattore di moltiplicazione K, definito come il rapporto delle fissioni in un istante t e il numero di fissioni nell’istante precedente:
- se K < 1 il sistema è subcritico e quindi la reazione tenderà a fermarsi
- se K = 1 il sistema è critico e quindi il numero di fissioni rimarrà costante. La quantità di materiale fissile necessaria per rendere la reazione autosufficiente viene definita massa critica
- se K > 1 il sistema è supercritico e quindi il numero di fissioni aumenterà esponenzialmente e la reazione diventerà incontrollata. Questo è il caso delle bombe atomiche
Solitamente il materiale fissile più usato è l’uranio 235U (spesso le bombe sono realizzate con un misto di 235U e 239Pu) che sperimentalmente si è visto essere fissile maggiormente per neutroni termici, ovvero aventi basse energie di circa 0,03 eV quindi dell’ordine di grandezza dell’energia data dall’agitazione termica. Un primo ostacolo alla reazione a catena è quindi determinato dal fatto che la maggior parte dei neutroni prodotti dalla fissione sono invece neutroni veloci, ovvero aventi energie di circa 1 MeV. Grazie all’utilizzo di moderatori (come la grafite o l’acqua) è possibile però termalizzare i neutroni, ovvero ridurre la loro energia, in modo da favorire la fissione. Inoltre con questo metodo si può anche ridurre la massa critica necessaria per rendere autosufficiente la reazione. Un ulteriore modo per diminuire la massa critica può anche essere quello di ottimizzarne la forma: quella della sfera risulta la più ottimale poiché ha il miglior rapporto volume / superficie e quindi comporta una minore fuga neutronica.
L’energia liberata dalla fissione di un atomo di 235U è di circa 200 MeV e viene rilasciata principalmente sotto forma di energia cinetica dei prodotti. Parte dell’energia è prodotta anche dai decadimenti ai quali vanno incontro i prodotti della reazione sia per quanto riguarda l’238U che per quanto riguarda i due nuclei prodotti, i quali, avendo un eccesso di neutroni, sono instabili e quindi tendono a stabilizzarsi attraverso il decadimento β-.
| Processo | Energia(MeV) |
|---|
| Moto dei prodotti di reazione | 166 |
| Neutroni emessi all’atto della fissione | 5 |
| Fotoni emessi all’atto della fissione | 8 |
| Elettroni emessi nei decadimenti β- | 7 |
| Fotoni emessi nei decadimenti β- | 7 |
| Antineutrini emessi nei decadimenti β- | 10 |
C.Romeni, «La fissione nucleare», Zanichelli 2016, pag 1280
Un esempio di nuclei prodotti dalla fissione dell’235U possono essere il bario (Ba) e il krypto (Kr) ma la reazione può dare origine anche a prodotti diversi. Il seguente grafico mostra in che percentuale si formeranno prodotti con un certo numero di massa.
Fusione
2H + 3H → 4He + n
Il trizio usato nella reazione non è presente all’interno della bomba ma viene prodotto a partire da del litio (6Li) attraverso un bombardamento di neutroni.
6Li + n → 3H + 4He