La fissione nucleare è un processo in cui un nucleo si divide in due (o talvolta persino tre) nuclei più leggeri. In genere vengono rilasciate anche altre particelle (neutroni, ad esempio) e radiazione elettromagnetica (raggi gamma). La fissione può avvenire spontaneamente ma viene più spesso indotta artificialmente.

La reazione di fissione più comune che avviene nei reattori nucleari è:

n + ²³⁵U → X + Y + (0-8)n + γ + energia in eccesso

dove X e Y indicano i nuclei in cui si è diviso l'Uranio. Questi sono chiamati frammenti di fissione (esempi: ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe, ecc.) e hanno masse che quasi si sommano alla massa del nucleo di Uranio originale (si noti che vengono rilasciati da 0 a 8 neutroni).

L'isotopo ²³⁵U è l'unico nucleo fissile che esiste in natura. Fissile significa capace di subire fissione quando cattura un neutrone lento (o termico). Tuttavia, nell'Uranio naturale, l'isotopo ²³⁵U si trova in concentrazioni molto basse, intorno allo 0,72% – il resto è principalmente ²³⁸U. Altri nuclei fissili sono stati però prodotti artificialmente.

Nella fissione nucleare dell'Uranio, in media vengono prodotti 2,5 neutroni, quindi la reazione porta a un numero di neutroni in crescita nel sistema. La maggior parte dei frammenti di fissione è radioattiva e in media vengono emessi circa cinque fotoni (raggi gamma) in una singola reazione.

L'animazione illustra la reazione di fissione n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Quando un neutrone viene assorbito dal nucleo ²³⁵U, si forma un nucleo ²³⁶U con un'energia così alta che i nucleoni all'interno iniziano a oscillare vigorosamente e il nucleo si allunga.

In circa 10^-12 s questo allungamento dà origine a un collo tra due parti del nucleo. Il nucleo si divide poi come una goccia d'acqua che cade da un rubinetto si divide in due gocce. Le forze nucleari agiscono ancora tra i nucleoni alle due estremità opposte del nucleo allungato, ma non così intensamente. Allo stesso tempo le due parti si respingono attraverso le forze elettrostatiche tra i protoni, e il nucleo si divide in due frammenti.

L'immagine illustra un esempio di fissione nucleare. L'asterisco indica che il nucleo di Uranio è in uno stato eccitato, cioè possiede un eccesso di energia che non permetterà al nucleo di essere stabile.

L'energia rilasciata quando un ²³⁵U subisce fissione è di circa 200 MeV. Questa energia è l'energia cinetica dei frammenti di fissione (circa 167 MeV), dei neutroni (circa 5 MeV), e circa 17 MeV vengono rilasciati nei decadimenti beta (in media, 3 decadimenti per frammento). I rimanenti 7 MeV vengono emessi come raggi gamma.

Si ricordi che la combustione di un singolo atomo di carbonio produce solo circa 4 eV di energia – circa 50 milioni di volte meno! Anche l'energia per molecola rilasciata dall'esplosione del TNT è molto piccola in confronto: circa 18 milioni di volte più piccola.

Abbiamo imparato che in una tipica reazione di fissione di ²³⁵U vengono prodotti circa 2 neutroni.

Se questi 2 neutroni vengono poi assorbiti da altri due nuclei ²³⁵U, portando a fissioni con 2 neutroni per fissione come prima. Questo ci lascia con 4 neutroni. Questi quattro neutroni possono indurre quattro nuovi processi di fissione, a seguito dei quali appariranno otto neutroni. Il numero di neutroni prodotti nel sistema aumenta geometricamente in quello che viene chiamato reazione a catena.

Non è solo il numero di neutroni che aumenta rapidamente – anche l'energia rilasciata cresce a un ritmo enorme. Se ogni nucleo in 1 g di ²³⁵U subisce fissione, l'energia rilasciata sarà 6,023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5,125 × 10²³ MeV = 8,2 ×10¹⁰ J. Questa è l'energia di una massa di 1000 tonnellate che cade sulla Terra da un'altezza di 8,2 chilometri!

Il numero di fissioni individuali in una reazione a catena è proporzionale al numero di nuclei fissili nel materiale. I neutroni prodotti dalla fissione possono avviare un'altra fissione se vengono assorbiti da un nucleo fissile. Ma i neutroni di fissione possono essere assorbiti da altri tipi di nuclei, o addirittura fuggire dal materiale. Pertanto, la probabilità che avvenga la fissione è inferiore a 1. Tuttavia, ci sono alcuni modi per aumentare questa probabilità.

I neutroni rilasciati nella fissione hanno circa 1-2 MeV di energia. Tali neutroni veloci hanno una probabilità molto bassa di causare la fissione di ²³⁵U e quindi questi neutroni passeranno accanto a molti, moltissimi nuclei prima di essere assorbiti da uno e indurre la fissione. Una soluzione è rallentarli, cioè assicurarsi che abbiano energie relativamente piccole (una frazione di 1 eV). Si può pensare alla maggiore probabilità come derivante dal fatto che i neutroni lenti trascorrono più tempo a contatto con il nucleo di Uranio. Chiamiamo tali neutroni neutroni termici, perché le loro energie cinetiche sono vicine alle energie cinetiche delle molecole dell'aria che ci circonda. Per rallentare i neutroni in un reattore di fissione, ad esempio, si riempiono i vuoti tra il materiale fissile con un cosiddetto moderatore, ad esempio acqua o grafite.

Un altro metodo per aumentare la probabilità di cattura dei neutroni è circondare il materiale fissile con un riflettore di neutroni, che disperde i neutroni per aumentare il numero di collisioni. In particolare, berillio, grafite e acciaio sono comuni materiali riflettori.

Inoltre, alcuni neutroni incontreranno nuclei che assorbono neutroni. Nel caso di neutroni termici tali assorbenti efficienti includono nuclei di boro, cadmio e gadolinio. I neutroni veloci sono fortemente assorbiti dall'isotopo più comune nell'uranio naturale, ²³⁸U, producendo ²³⁹Pu e ²⁴⁰Pu fissili. Pertanto, bisogna conoscere la composizione chimica e isotopica di un materiale nel quale ci aspettiamo di osservare una reazione a catena. Scopriremo di più su tutto ciò nella prossima sezione, dedicata ai reattori nucleari.