Qual è il termine per la quantità di uranio-235 necessaria per sostenere una reazione nucleare a catena?
doc-16704
In natura, l' uranio è presente come uranio-238 (99,2742%) e uranio-235 (0,7204%). La separazione isotopica concentra (ricreazioni) l' uranio fissionabile-235 per le armi nucleari e la maggior parte delle centrali nucleari, ad eccezione dei reattori raffreddati a gas e dei reattori ad acqua pesante pressurizzata. La maggior parte dei neutroni rilasciati da un atomo di uranio-235 che fissiona deve colpire altri atomi di uranio-235 per sostenere la reazione a catena nucleare. La concentrazione e la quantità di uranio-235 necessaria per raggiungere questo obiettivo è detta "massa critica".
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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-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-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-16702
Il 2 dicembre 1942, nell' ambito del Progetto Manhattan, un altro team guidato da Enrico Fermi fu in grado di avviare la prima reazione a catena nucleare artificiale autosufficiente, Chicago Pile-1. Lavorando in un laboratorio sotto gli stand di Stagg Field presso l' Università di Chicago, il team ha creato le condizioni necessarie per una tale reazione mettendo insieme 400 tonnellate corte (360 tonnellate metriche) di grafite, 58 tonnellate corte (53 tonnellate metriche) di ossido di uranio e sei tonnellate corte (5,5 tonnellate metriche) di metallo di uranio, la maggior parte delle quali è stata fornita da Westinghouse Lamp Plant in un processo di produzione improvvisato.
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doc-16715
Per essere considerata "arricchita", la frazione di uranio-235 deve essere compresa tra il 3% e il 5%. Questo processo produce enormi quantità di uranio impoverito di uranio-235 e con una frazione di uranio-238 aumentata in proporzione, detta uranio impoverito o "UI". Per essere considerata "impoverita", la concentrazione di isotopi di uranio-235 non deve superare lo 0,3%. Il prezzo dell' uranio è aumentato dal 2001, per cui si sta considerando la possibilità di un nuovo arricchimento degli sterili contenenti più dello 0,35% di uranio-235, portando il prezzo dell' esafluoruro di uranio impoverito al di sopra dei 130 USD/kg nel luglio 2007 rispetto ai 5 USD/kg del 2001.
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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-16699
Una persona può essere esposta all' uranio (o alle sue figlie radioattive, come il radon) inalando polvere nell' aria o ingerendo acqua e cibo contaminati. La quantità di uranio presente nell' aria è di solito molto piccola; tuttavia, le persone che lavorano in fabbriche che trattano fertilizzanti fosfatici, vivono vicino a strutture governative che hanno costruito o testato armi nucleari, vivono o lavorano vicino a un moderno campo di battaglia dove sono state utilizzate armi all' uranio impoverito, o vivono o lavorano vicino a una centrale elettrica alimentata a carbone, a strutture che estraggono o lavorano il minerale di uranio, o arricchiscono l' uranio per il combustibile del reattore, possono avere una maggiore esposizione all' uranio. Le abitazioni o le strutture sovrapposte ai depositi di uranio (depositi di scorie naturali o artificiali) possono avere una maggiore incidenza di esposizione al radon. L' Occupational Safety and Health Administration (OSHA) ha fissato il limite di esposizione ammissibile per l' esposizione all' uranio sul posto di lavoro a 0,25 mg/m3 nell' arco di una giornata lavorativa di 8 ore. L' Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro (NIOSH) ha fissato un limite di esposizione raccomandato (REL) di 0,2 mg/m3 su una giornata lavorativa di 8 ore e un limite a breve termine di 0,6 mg/m3. A livelli di 10 mg/m3, l' uranio è immediatamente pericoloso per la vita e la salute.
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doc-16710
Durante la guerra fredda tra l' Unione Sovietica e gli Stati Uniti sono state accumulate enormi scorte di uranio e decine di migliaia di armi nucleari sono state create utilizzando uranio arricchito e plutonio a base di uranio. Dopo la dissoluzione dell' Unione Sovietica nel 1991, si stima che 600 tonnellate corte (540 tonnellate metriche) di uranio altamente arricchito per armi (oltre 40.000 testate nucleari) siano state immagazzinate in impianti spesso non adeguatamente sorvegliati nella Federazione russa e in diversi altri Stati dell' ex Unione Sovietica. Le forze di polizia in Asia, Europa e Sudamerica hanno intercettato in almeno 16 occasioni, dal 1993 al 2005, spedizioni di uranio o plutonio di contrabbando di tipo bombardistico, la maggior parte dei quali provenivano da fonti ex sovietiche. Dal 1993 al 2005 il Material Protection, Control e Accounting Program, gestito dal governo federale degli Stati Uniti, ha speso circa 550 milioni di dollari USA per contribuire alla salvaguardia delle scorte di uranio e plutonio in Russia. Questi fondi sono stati utilizzati per migliorare e migliorare la sicurezza delle strutture di ricerca e stoccaggio. Scientific American ha riferito nel febbraio 2006 che in alcuni degli impianti la sicurezza consisteva in recinzioni a maglie di catena che si trovavano in gravi stati di degrado. Secondo un' intervista dell' articolo, una struttura aveva immagazzinato campioni di uranio arricchito (grado armi) in un armadio della scopa prima del progetto di miglioramento; un' altra era stata tenuta traccia della sua scorta di testate nucleari usando schede indicizzate conservate in una scatola di scarpe.
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