ATTENZIONE, POST CRITICO!

Post originale su FB: https://www.facebook.com/AvvocatoAtomico/posts/151709443161921

(nel senso che oggi parliamo di "criticità")

In ingegneria nucleare, la criticità è lo stadio in cui il tasso di reazioni nucleari di un dato sistema è costante e si auto-sostiene.

La criticità dipende essenzialmente dalla variazione del numero di neutroni liberi in circolazione nel sistema: i neutroni si generano sia nelle reazioni di fissione che tramite alcuni decadimenti radioattivi, e possono avere destini molto diversi, per esempio:

• un neutrone che colpisce un atomo di fissile può provocarne la rottura, e dunque causare un'altra reazione di fissione;
• un neutrone che colpisce un atomo di un elemento non fissile può venire assorbito: ad esempio l'Uranio 238 assorbendo un neutrone e poi decadendo beta due volte si trasforma in Plutonio 239; l'idrogeno dell'acqua assorbendo un neutrone si trasforma in Deuterio; in passato abbiamo visto come nell'incidente di Chernobyl un ruolo importante sia stato causato dall'assorbimento di neutroni ad opera dello Xeno 135: https://telegra.ph/Chernobyl-darwinite-03-24;
• un neutrone può semplicemente proseguire nella sua traiettoria fino ad uscire dal sistema (magari venendo poi assorbito dall'acciaio delle pareti del reattore);
• etc.

Ogni atomo che va incontro a fissione genera tipicamente 2-3 neutroni; se uno di essi genera un'altra fissione, mentre i rimanenti vengono assorbiti o si perdono, allora il sistema è critico. Un sistema dove i neutroni che vengono assorbiti sono più di quelli che vengono generati si dice sub-critico: in un tale sistema il tasso di fissioni tenderà a calare esponenzialmente nel tempo, fino a zero.

Al contrario, un sistema dove i neutroni che vengono generati sono più di quelli che vengono assorbiti si dice super-critico: in un tale sistema il tasso di fissioni tenderà ad aumentare nel tempo.

Occorre qua notare due cose: la prima è che un sistema può raggiungere la criticità anche senza aumentare la temperatura. Quest'ultima infatti dipende dal *numero* di neutroni liberi in circolazione nel sistema, la criticità dipende dalla *variazione* di tale numero.

Ipoteticamente sarebbe possibile costruire un sistema dove il numero di neutroni liberi è di 1. In tale macchina il tasso di fissioni sarebbe talmente basso da non causare un aumento misurabile di temperatura; ciò nondimeno, se questo tasso di fissioni si auto-sostenesse in maniera stabile, si parlerebbe comunque di criticità.

La seconda cosa da notare è che in realtà esistono due tipi di criticità: se il tasso di fissioni viene mantenuto costante sfruttando sia i neutroni prodotti dalle fissioni, sia quelli prodotti dai decadimenti, si parla di "criticità ritardata" (delayed criticality); se invece il tasso di fissioni viene mantenuto costante sfruttando solo i neutroni prodotti dalle fissioni si parla di "criticità immediata" (prompt criticality).

Come si può portare un sistema allo stadio di criticità?

Vi sono diversi modi:

1. aumentando la massa di fissile. Sotto una certa massa (detta appunto "massa critica"), in effetti, non è proprio possibile ottenere la criticità;
2. cambiando la forma del materiale: la forma che garantisce il tasso di fissioni più alto a parità di massa è quella sferica;
3. aumentando il grado di arricchimento: più sono gli atomi di fissile rispetto al totale, meno materiale occorre. Ad esempio la massa critica per l'Uranio arricchito al 20% è di circa 400 kg; se diminuisco il grado di arricchimento al 15% la massa critica sale a 600 kg;
4. rallentando i neutroni: i neutroni lenti hanno maggiore probabilità di causare una fissione rispetto a quelli veloci, ecco perché nella maggior parte dei reattori nucleari si utilizzano dei fluidi moderatori. Questo in molti casi coincide con l'abbassare la temperatura del sistema, anche se è possibile raffreddare un sistema senza rallentare i neutroni, utilizzando fluidi di raffreddamento particolari (questo avviene nei reattori FBR: https://telegra.ph/FBR-03-25);
5. utilizzando un materiale di contenimento a basso tasso di assorbimento neutronico: questi materiali, detti anche "riflettori di neutroni" evitano che i neutroni escano dal sistema, e quindi contribuiscono a mantenere stabile la popolazione neutronica;
6. aumentando la densità del fissile: se il materiale viene compresso, gli atomi si avvicinano, e dunque diventa molto più probabile che i neutroni liberi causino una fissione. La quantità di massa critica, in particolare, è inversamente proporzionale al quadrato della densità: se la densità raddoppia, mi servirà solo un quarto della massa per ottenere criticità.

Se un sistema supera la criticità, gli scenari possibili sono essenzialmente due:

• Il primo è quello in cui il sistema si stabilizza da solo ad un nuovo punto critico, ovvero il numero di neutroni rimane costante dopo un iniziale aumento. Questo avviene tipicamente nei reattori nucleari moderni: nel caso in cui per qualche motivo si arrivi ad avere super-criticità, l'aumento di temperatura provoca la dilatazione termica del combustibile, e dunque una diminuzione di densità; inoltre l'aumento di temperatura diminuisce l'effetto moderatore dell'acqua e quindi sfavorisce le fissioni. Il sistema dunque si auto-stabilizza.
• Il secondo scenario è quello in cui il sistema non si stabilizza e il tasso di fissioni aumenta in maniera esponenziale finché c'è combustibile a disposizione, il che provoca un rapido aumento di temperatura e una forte emissione di radiazioni. Questo è ciò che è avvenuto ad esempio nell'incidente di Chernobyl, ma nella storia vi sono stati anche altri eventi in cui si è portata una massa di fissile allo stadio critico in maniera accidentale, come l'incidente del "demon core" (in foto), in cui uno scienziato del progetto Manhattan fece cadere per errore un blocco di Carburo di Tungsteno sopra una sfera di Plutonio: il Carburo di Tungsteno, agendo da riflettore di neutroni, portò la sfera immediatamente allo stadio di super-criticità.

Cosa serve per fabbricare una bomba atomica?

Per fabbricare un ordigno a fissione non è sufficiente nemmeno ottenere la super-criticità: occorre ottenere una super-criticità immediata (prompt-super-criticality), ovvero quello stadio in cui l'aumento incontrollato di fissioni avviene solo tramite i neutroni di fissione, e dunque in pochi micro-secondi.

Per arrivare a questo risultato occorre innanzitutto utilizzare del combustibile purissimo (Uranio arricchito oltre il 90%, o Plutonio puro oltre l'80%), e poi occorre portarlo allo stadio di super-criticità immediata esattamente al momento desiderato.

Nelle bombe atomiche di prima generazione questo avveniva mantenendo il combustibile in due blocchi separati, entrambi sub-critici: al momento dell'innesco uno dei due blocchi veniva "sparato", tramite un esplosivo, contro l'altro, facendo raggiungere al sistema la super-criticità necessaria.

Negli ordigni più moderni, detti "a implosione", la massa sotto-critica invece è unica, e l'innesco è dato da una serie di cariche esplosive di tipo tradizionale che detonano in maniera sincronizzata, creando un'onda d'urto perfettamente sferica che comprime il materiale fissile: l'aumento improvviso di densità porta il materiale allo stadio desiderato. In entrambi i tipi di ordigno è poi presente un tamper, ovvero una struttura esterna che mantiene il fissile sotto pressione, impedendogli di espandersi con l'aumento della temperatura, e allo stesso tempo agisce da riflettore di neutroni, aumentando ulteriormente l'efficienza.

È evidente che la condizione di super-criticità immediata richiede notevoli accorgimenti per essere raggiunta, ed è impossibile che si verifichi all'interno di un reattore nucleare senza che intervengano dei feedback a riportare la situazione sotto controllo. La detonazione di un reattore nucleare è, pertanto, un concetto assolutamente fuori dalla realtà.

-Luca

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