Quale isotopo viene utilizzato nella fissione nucleare?
doc-7690
Anche gli isotopi più rari dell' idrogeno hanno applicazioni specifiche. Il deuterio (idrogeno-2) è usato nelle applicazioni di fissione nucleare come moderatore per rallentare i neutroni e nelle reazioni di fusione nucleare. I composti del deuterio hanno applicazioni in chimica e biologia negli studi degli effetti isotopi di reazione. Il trizio (idrogeno-3), prodotto nei reattori nucleari, è utilizzato nella produzione di bombe a idrogeno, come etichetta isotopica nelle bioscienze e come fonte di radiazioni nelle vernici luminose.
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doc-16698
Molti usi contemporanei dell' uranio sfruttano le sue proprietà nucleari uniche. L' uranio-235 si distingue per essere l' unico isotopo fissile naturale. L' uranio-238 è fissionabile da neutroni veloci ed è fertile, il che significa che può essere trasmutato al plutonio fissile-239 in un reattore nucleare. Un altro isotopo fissile, l' uranio-233, può essere prodotto a partire dal torio naturale ed è importante anche nella tecnologia nucleare. Mentre l' uranio-238 ha una piccola probabilità di fissione spontanea o addirittura di fissione indotta con neutroni veloci, l' uranio-235 e, in misura minore, l' uranio-233 hanno una sezione trasversale di fissione molto più elevata per i neutroni lenti. In concentrazioni sufficienti, questi isotopi mantengono una reazione a catena nucleare sostenuta. Questo genera il calore nei reattori nucleari e produce il materiale fissile per le armi nucleari. L' uranio impoverito (238U) è utilizzato nei penetratori di energia cinetica e nella placcatura delle armature.
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doc-16693
Un team guidato da Enrico Fermi nel 1934 osservò che bombardando l' uranio con neutroni produce l' emissione di beta (raggi (elettroni o positroni dagli elementi prodotti; vedi la particella beta). I prodotti di fissione furono inizialmente scambiati per nuovi elementi dei numeri atomici 93 e 94, che il Preside della Facoltà di Roma, Orso Mario Corbino, battezzò rispettivamente ausonio ed esperio. Gli esperimenti che hanno portato alla scoperta della capacità dell' uranio di fissione (a parte) in elementi più leggeri e liberare energia di legatura sono stati condotti da Otto Hahn e Fritz Strassmann nel laboratorio di Hahn a Berlino. Lise Meitner e suo nipote, il fisico Otto Robert Frisch, pubblicarono la spiegazione fisica nel febbraio 1939 e chiamarono il processo "fissione nucleare". Subito dopo, Fermi ipotizzò che la fissione dell' uranio potesse rilasciare neutroni sufficienti a sostenere una reazione di fissione. La conferma di questa ipotesi è arrivata nel 1939, e lavori successivi hanno trovato che in media circa 2,5 neutroni vengono rilasciati da ogni fissione dell' isotopo uranio raro uranio-235. Altri lavori hanno dimostrato che l' isotopo molto più comune dell' uranio-238 può essere trasmutato in plutonio, che, come l' uranio-235, è anche fissile da neutroni termici. Queste scoperte hanno portato numerosi paesi ad iniziare a lavorare sullo sviluppo delle armi nucleari e dell' energia nucleare.
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doc-5290
Le trasformazioni di energia nell' universo nel corso del tempo sono caratterizzate da vari tipi di energia potenziale che è stata disponibile dal Big Bang successivamente essere "rilasciato" (trasformato in più tipi attivi di energia come l' energia cinetica o radiante) quando un meccanismo di attivazione è disponibile. Esempi familiari di tali processi includono il decadimento nucleare, in cui l' energia viene rilasciata che originariamente era "immagazzinata" in isotopi pesanti (come uranio e torio), per nucleosintesi, un processo che in ultima analisi utilizza l' energia potenziale gravitazionale liberata dal collasso gravitazionale delle supernovae, per immagazzinare energia nella creazione di questi elementi pesanti prima che venissero incorporati nel sistema solare e nella Terra. Questa energia viene attivata e rilasciata nelle bombe a fissione nucleare o nella produzione di energia nucleare civile. Allo stesso modo, nel caso di un' esplosione chimica, l' energia chimica potenziale viene trasformata in energia cinetica ed energia termica in un tempo molto breve. Ancora un altro esempio è quello di un pendolo. Nei punti più alti l' energia cinetica è pari a zero e l' energia potenziale gravitazionale è al massimo. Al suo punto più basso l' energia cinetica è al massimo ed è pari alla diminuzione di energia potenziale. Se uno (unrealisticamente) ipotizza che non ci sia attrito o altre perdite, la conversione di energia tra questi processi sarebbe perfetta, e il pendolo continuerebbe a oscillare per sempre.
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doc-16720
Durante le fasi successive della seconda guerra mondiale, l' intera guerra fredda, e in misura minore in seguito, l' uranio-235 è stato utilizzato come materiale esplosivo fissile per produrre armi nucleari. Inizialmente sono stati costruiti due tipi principali di bombe a fissione: un dispositivo relativamente semplice che utilizza uranio-235 e un meccanismo più complicato che utilizza plutonio-239 derivato dall' uranio-238. Più tardi, fu costruito un tipo molto più complicato e molto più potente di bomba a fissione/fusione (arma termonucleare), che utilizza un dispositivo a base di plutonio per causare una miscela di trizio e deuterio per subire la fusione nucleare. Tali bombe sono rinchiuse in un caso di uranio non fissile (non arricchito) e derivano più della metà della loro potenza dalla fissione di questa materia da neutroni veloci provenienti dal processo di fusione nucleare.
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doc-16696
L' uranio naturale è costituito da tre isotopi principali: l' uranio-238 (99,28% di abbondanza naturale), l' uranio-235 (0,71%) e l' uranio-234 (0,0054%). Tutti e tre sono radioattivi, emettono particelle alfa, con l' eccezione che tutti e tre questi isotopi hanno piccole probabilità di subire fissione spontanea, piuttosto che emissioni alfa. Esistono anche altri cinque isotopi in traccia: uranio-239, che si forma quando 238U subisce fissione spontanea, rilasciando neutroni catturati da un altro atomo di 238U; uranio-237, che si forma quando 238U cattura un neutrone ma ne emette altri due, che poi decade al netunio-237; uranio-233, che si forma nella catena di decadimento di quel nettunio-237; e infine Si prevede inoltre che il torio-232 dovrebbe essere in grado di subire un doppio decadimento beta, che produrrebbe uranio-232, ma questo non è ancora stato osservato sperimentalmente. uranio-234.
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doc-16690
L' uranio-235 era il primo isotopo che è stato trovato essere fissile. Altri isotopi naturali sono fissile, ma non fissile. In caso di bombardamento con neutroni lenti, il suo isotopo uranio-235 si dividerà il più delle volte in due nuclei più piccoli, liberando energia nucleare vincolante e più neutroni. Se troppi di questi neutroni sono assorbiti da altri nuclei di uranio-235, si verifica una reazione nucleare a catena che provoca uno scoppio di calore o (in particolari circostanze) un' esplosione. In un reattore nucleare, tale reazione a catena è rallentata e controllata da un veleno neutronico che assorbe alcuni dei neutroni liberi. Tali materiali assorbenti neutronici fanno spesso parte delle barre di controllo del reattore (vedi fisica del reattore nucleare per una descrizione di questo processo di controllo del reattore).
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doc-16722
Nel 1972, il fisico francese Francis Perrin scoprì quindici antichi e non più attivi reattori a fissione nucleare naturale in tre diversi giacimenti minerari presso la miniera di Oklo in Gabon, nell' Africa occidentale, noti collettivamente come i reattori fossili di Oklo. Il giacimento minerario risale a 1,7 miliardi di anni fa; poi l' uranio-235 costituiva circa il 3% del totale dell' uranio sulla Terra. Ciò è abbastanza elevato da consentire una reazione a catena di fissione nucleare prolungata, purché esistano altre condizioni di supporto. La capacità dei sedimenti circostanti di contenere i prodotti dei residui nucleari è stata citata dal governo federale degli Stati Uniti come prova della fattibilità dello stoccaggio del combustibile nucleare esaurito presso il deposito dei residui nucleari della montagna di Yucca. Francese.
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doc-8520
Von Neumann continuò indisturbato nel suo lavoro e divenne, insieme a Edward Teller, uno di quelli che sostennero il progetto delle bombe a idrogeno. Collabora poi con Klaus Fuchs per l' ulteriore sviluppo della bomba, e nel 1946 i due depositano un brevetto segreto su "Miglioramento dei metodi e dei mezzi per l' utilizzo dell' energia nucleare", che delinea uno schema per l' utilizzo di una bomba a fissione per comprimere il combustibile di fusione per avviare la fusione nucleare. Il brevetto Fuchs-von Neumann utilizzava l' implosione da radiazioni, ma non nello stesso modo in cui è stato utilizzato in quello che è diventato il design finale della bomba a idrogeno, il progetto Teller-Ulam. Il loro lavoro è stato, tuttavia, incorporato nel "George" colpo di operazione Greenhouse, che è stato istruttivo nel testare i concetti che sono andati nella progettazione finale. Il lavoro di Fuchs-von Neumann è stato trasmesso da Fuchs all' Unione Sovietica come parte del suo spionaggio nucleare, ma non è stato utilizzato nello sviluppo indipendente del progetto Teller-Ulam dei sovietici. Lo storico Jeremy Bernstein ha sottolineato che, ironicamente,"John von Neumann e Klaus Fuchs, nel 1946 produssero una brillante invenzione che avrebbe potuto cambiare l' intero corso dello sviluppo della bomba a idrogeno, ma che non fu completamente compresa fino a quando la bomba non fu fatta con successo".
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doc-17356
64Zn, l' isotopo più abbondante di zinco, è molto sensibile all' attivazione del neutrone, essendo trasmutato nel altamente radioattivo 65Zn, che ha un tempo di dimezzamento di 244 giorni e produce radiazioni gamma intense. Per questo motivo, l' ossido di zinco utilizzato nei reattori nucleari come agente anticorrosivo è esaurito di 64 Zn prima dell' uso, questo è chiamato ossido di zinco impoverito. Per lo stesso motivo, lo zinco è stato proposto come materiale salante per le armi nucleari (il cobalto è un altro materiale salino più noto). Una giacca di 64Zn arricchita isotopicamente sarebbe irradiata dall' intenso flusso di neutroni ad alta energia proveniente da un' arma termonucleare esplosiva, formando una grande quantità di 65Zn aumentando significativamente la radioattività della caduta dell' arma. Non è noto che tale arma sia mai stata costruita, testata o utilizzata. 65Zn è anche usato come tracciante per studiare come le leghe che contengono zinco si consumano, o il percorso e il ruolo dello zinco negli organismi.
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doc-17339
Diverse decine di radioisotopi sono stati caratterizzati. 65Zn, che ha un tempo di dimezzamento di 243,66 giorni, è il radioisotopo più longevo, seguito da 72Zn con un tempo di dimezzamento di 46,5 ore. Lo zinco ha 10 isomeri nucleari. 69mZn ha il tempo di dimezzamento più lungo, 13,76 h. L' apice m indica un isotopo metastabile. Il nucleo di un isotopo metastabile è in uno stato eccitato e tornerà allo stato di terra emettendo un fotone sotto forma di raggio gamma. 61Zn ha tre stati eccitati e 73Zn ne ha due. Gli isotopi 65Zn, 71Zn, 77Zn e 78Zn hanno ciascuno uno stato eccitato.
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