Principi delle armi atomiche (a fissione)

Il processo di fissione

Quando vengono bombardati da neutroni, alcuni isotopi di uranio e plutonio (e alcuni altri elementi più pesanti) si dividono in atomi di elementi più leggeri, un processo noto come fissione nucleare. Oltre a questa formazione di atomi più leggeri, in media tra 2,5 e 3 neutroni liberi vengono emessi nel processo di fissione, insieme a una notevole energia. Come regola generale, la fissione completa di 1 kg di uranio o plutonio produce circa 17,5 chilotoni di energia esplosiva equivalente al TNT.

In una bomba atomica o in un reattore nucleare, prima un piccolo numero di neutroni riceve abbastanza energia per collidere con alcuni nuclei fissionabili, che a loro volta producono altri neutroni liberi. Una parte di questi neutroni viene catturata da nuclei che non fissionano; altri sfuggono al materiale senza essere catturati; e i rimanenti causano ulteriori fissioni. Molti nuclei atomici pesanti sono in grado di fissionare, ma solo una frazione di questi sono fissili, cioè fissionabili non solo da neutroni veloci (altamente energetici) ma anche da neutroni lenti. Il processo continuo per cui i neutroni emessi dai nuclei in fissione inducono fissioni in altri nuclei fissili o fissionabili è chiamato reazione a catena di fissione. Se il numero di fissioni in una generazione è uguale al numero di neutroni nella generazione precedente, il sistema è detto critico; se il numero è maggiore di uno, è supercritico; e se è minore di uno, è subcritico. Nel caso di un reattore nucleare, il numero di nuclei fissionabili disponibili in ogni generazione è attentamente controllato per prevenire una reazione a catena “runaway”. Nel caso di una bomba atomica, invece, si cerca una crescita molto rapida del numero di fissioni.

Le armi a fissione sono normalmente fatte con materiali che hanno alte concentrazioni degli isotopi fissili uranio-235, plutonio-239, o qualche combinazione di questi; tuttavia, alcuni dispositivi esplosivi che usano alte concentrazioni di uranio-233 sono stati anche costruiti e testati.

I principali isotopi naturali dell’uranio sono l’uranio-235 (0,7%), che è fissile, e l’uranio-238 (99,3%), che è fissionabile ma non fissile. In natura, il plutonio esiste solo in concentrazioni minime, quindi l’isotopo fissile plutonio-239 viene prodotto artificialmente nei reattori nucleari a partire dall’uranio-238. (Per fare un’esplosione, le armi a fissione non richiedono uranio o plutonio puro negli isotopi uranio-235 e plutonio-239. La maggior parte dell’uranio usato nelle armi nucleari attuali è circa il 93,5% di uranio-235 arricchito. Le armi nucleari contengono tipicamente il 93% o più di plutonio-239, meno del 7% di plutonio-240, e quantità molto piccole di altri isotopi di plutonio. Il plutonio-240, un sottoprodotto della produzione di plutonio, ha diverse caratteristiche indesiderabili, tra cui una massa critica più grande (cioè la massa necessaria per generare una reazione a catena), una maggiore esposizione alle radiazioni per i lavoratori (rispetto al plutonio-239), e, per alcuni progetti di armi, un alto tasso di fissione spontanea che può causare una reazione a catena per iniziare prematuramente, con un conseguente rendimento inferiore. Di conseguenza, nei reattori usati per la produzione di plutonio-239 per uso militare, il periodo di tempo in cui l’uranio-238 viene lasciato nel reattore è limitato per limitare l’accumulo di plutonio-240 a circa il 6%.