Produrre neutroni in abbondanza

Vi ricordate le puntate precedenti tutte incentrate sul ruolo dei neutroni nel nucleo? Se non le avete lette, allora vi conviene prendervi un minuto per una lettura veloce altrimenti questo nuovo articolo potrebbe apparirvi un po' ostico (puntata 1, 2 e 3). Abbiamo visto come alcune configurazioni nucleari che chiamiamo magiche anche se di magico non hanno proprio nulla, garantiscano una buona stabilità al nucleo nonostante sia particolarmente ricco di neutroni. E' il caso per esempio dello isotopo 132 dello stagno che con i suoi 50 magici protoni e gli 82 altrettanto magici neutroni ha un tempo di dimezzamento di una quarantina di secondi che sulla scala dei tempi umani sono una durata relativamente breve, ma sufficientemente lunga da essere studiata.

Nel nostro percorso divulgativo verso lo studio dei nuclei estremamente ricchi di neutroni, abbiamo bisogno di fare un'altra pausa di riflessione, per capire come possiamo fare a produrre questi nuclei.  E già perché se vivono così poco certamente non possiamo trovarli in natura, dove una parte degli elementi, quelli più leggeri sono stati creati all'inizio dei tempi (nucleosintesi primodiarle), mentre quelli più pesanti sono stati creati successivamente nel processo di nucleosintesi stellare. In entrambi i casi è comunque passato troppo tempo per poter trovare anche la più piccola traccia di questi isotopi sulla Terra. Serve un processo artificiale.


Semplificando forse pure troppo, possiamo dire che per creare i nuclei ricchi di protoni dobbiamo andare ad un acceleratore di particelle come i ciclotroni, dove ioni positivi leggeri vengono sparati nei nuclei. Superando la barriera di Coulomb, gli ioni positivi si impiantano nel nucleo, spesso espellendo neutroni con il risultato di avere un nucleo finale più ricco di protoni rispetto a quello iniziale. Per creare un nucleo con un eccesso di neutroni si deve andare ai reattori di ricerca, dove possiamo esporre il nostro campione ad un flusso intenso di neutroni che possono impiantarsi nel nucleo. Ma anche in questo caso c'è un problema, in un reattore possiamo pensare di aggiungere qualche neutrone al nucleo, ma non certo tanti a piacere! Infatti il processo di cattura neutronica viene controbilanciato dal decadimento del nucleo prodotto.

Cerco di spiegarmi con un esempio. L'isotopo con più neutroni dello stagno e che troviamo in natura (5% di abbondanza relativa) è lo Sn-124.  Se lo metto in un reattore e gli aggiungo un neutrone ottengo lo Sn-125 che ha una emivita di circa 9 giorni. Se durante questi nove giorni non riesco ad aggiungere un secondo neutrone, questo decadrà trasformando uno dei suoi neutroni in un protone (decadimento beta) diventando Sb-125 (antimonio) inutilizzabile per il nostro scopo. Man mano che aggiungo neutroni, i vari processi di decadimento diventano sempre più competitivi, fino a far perdere completamente di efficacia la cattura di nuovi neutroni.

Potrebbe sembrare un vicolo cieco e invece c'è una via d'uscita. Non è facile, ma nemmeno impossibile. A venirci in aiuto è la fissione, il fenomeno fisico in cui un nucleo molto grosso si spezza in due parti. Se tornate a guardare il diagramma del paesaggio nucleare noterete che la linea nera fatta dai nuclei stabili non è una retta e tantomeno non è sulla diagonale dell'ipotetico piano cartesiano col numero di protoni e neutroni sugli assi. Questo significa che se prendete un nucleo stabile molto grosso e lo spaccate in due parti, i due frammenti più piccoli avranno molti più neutroni del necessario. Facciamo un esempio con dei numeri per chiarirci. Prendiamo l'uranio 238, questo ha 92 protoni  e 146 neutroni che servono per stabilizzarlo, se per assurdo lo spaccassimo esattamente a metà suddividendo in parti uguali protoni e neutroni (attenzione che non avviene mai così, ma è solo una semplificazione per capirci!) avremmo due nuclei di palladio (46 protoni) e 73 neutroni ciascuno. Al palladio però bastano una sessantina di neutroni per essere stabile.

Ecco che abbiamo trovato la via per ottenere nuclei estremamente ricchi di neutroni. Dobbiamo prendere quelli estremamente grossi e spaccarli, quindi dobbiamo andare comunque ad un reattore, ma dobbiamo cercare tra i rifiuti degli elementi di combustibile per trovare quello che ci serve.

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