Trasformazione di un nucleo fertile in un nucleo fissile
L’uranio-238 rappresenta più del 95% dell’uranio presente nel nucleo dei reattori. Partecipa marginalmente alla reazione a catena, ma svolge comunque un importante ruolo ausiliario. Catturando un neutrone, diventa un nucleo di plutonio-239. Più tardi questo nucleo di plutonio-239 può subire una fissione se cattura di nuovo un altro neutrone. In qualche modo, l’uranio-238 può essere visto come una scissione con ritardo o per procura. Esso genera combustibile nucleare fornendo nuclei fissili: si dice fertile.
Il meccanismo di generazione del plutonio comporta diverse fasi. Catturando un neutrone, l’uranio-238 diventa uranio-239 che si trasforma rapidamente per radiazione beta in nettunio-239. Questo nettunio si trasforma poi per radiazione beta, dopo 3 giorni in media, in un nuovo nucleo: il plutonio-239. Questo radionuclide è fissile, come l’uranio-235.
La cattura di un neutrone da parte di un nucleo di uranio-238 porta alla formazione in pochi giorni di un nucleo di plutonio-239 fissile. Il nucleo di uranio-239 risultante dalla cattura del neutrone è beta-minus radioattivo. Emettendo un elettrone e un antineutrino, diventa nettunio-239, che essendo esso stesso instabile si trasforma a sua volta allo stesso modo in plutonio-239.
IN2P3Il plutonio-239 è un buon combustibile nucleare: scisso dai neutroni veloci, rilascia una media di 2,30 neutroni secondari per ogni neutrone catturato. Di questi neutroni secondari, uno è necessario per mantenere la reazione a catena. Poi 1,30 rimane disponibile.
Se in media, uno di questi neutroni disponibili viene catturato da un nucleo di uranio-238 trasformandolo in plutonio-239, il reattore produce tanto combustibile quanto ne consuma. Quando più di un neutrone produce plutonio (con una configurazione adeguata del nucleo del reattore), il reattore è chiamato breeder. Altrimenti, il reattore è chiamato “sottogeneratore”. La manciata di reattori che hanno funzionato come breeder sono reattori a neutroni veloci.
Le condizioni per la rigenerazione sono molto lontane dall’essere soddisfatte per i reattori convenzionali delle centrali nucleari che usano neutroni lenti. Tuttavia, quantità significative di plutonio sono generate nel loro combustibile irradiato.
La quantità di plutonio prodotta dall’origine del parco mondiale di reattori era stimata nell’anno 2000 a 1400 tonnellate, di cui il 60% è plutonio-239. Questa quantità cresceva di 70 tonnellate all’anno.
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