Esempi di nuclidi
Uranio
L’uranio è un elemento chimico naturale con numero atomico 92 che significa che ci sono 92 protoni e 92 elettroni nella struttura atomica. Il simbolo chimico per l’uranio è U. L’uranio si trova comunemente a bassi livelli (qualche ppm – parti per milione) in tutte le rocce, nel suolo, nell’acqua, nelle piante e negli animali (inclusi gli esseri umani). L’uranio si trova anche nell’acqua di mare e può essere recuperato dall’acqua dell’oceano. Concentrazioni significative di uranio si presentano in alcune sostanze come l’uraninite (il minerale di uranio più comune), depositi di roccia fosfatica e altri minerali.
L’uranio naturale consiste principalmente dell’isotopo 238U (99,28%), quindi la massa atomica dell’elemento uranio è vicina alla massa atomica dell’isotopo 238U (238,03u). L’uranio naturale consiste anche di altri due isotopi: 235U (0,71%) e 234U (0,0054%). L’abbondanza di isotopi in natura è causata dalla differenza di emivita. Tutti e tre gli isotopi di uranio presenti in natura (238U, 235U e 234U) sono instabili. D’altra parte questi isotopi (tranne 234U) appartengono ai nuclidi primordiali, perché il loro tempo di dimezzamento è paragonabile all’età della Terra (~4,5×109 anni per il 238U).
Nei reattori nucleari dobbiamo considerare tre isotopi artificiali, 236U, 233U e 232U. Questi sono prodotti per trasmutazione nei reattori nucleari da 235U e 232Th.
Xenon
Lo xeno è un elemento chimico presente in natura con numero atomico 54 che significa che ci sono 54 protoni e 54 elettroni nella struttura atomica. Il simbolo chimico dello xeno è Xe. Lo xeno è un gas nobile incolore, denso e inodore che si trova nell’atmosfera terrestre in tracce.
Nell’industria nucleare, soprattutto lo xeno artificiale 135 ha un impatto enorme sul funzionamento di un reattore nucleare. Per i fisici e per gli operatori dei reattori, è importante capire i meccanismi che producono e rimuovono lo xeno dal reattore per prevedere come il reattore risponderà in seguito a cambiamenti nel livello di potenza.
Un altro isotopo importante è lo xeno 133, che ha un’emivita di 5,2 giorni, e la sua presenza nel refrigerante di un reattore indica (insieme allo xeno 135) un possibile difetto del rivestimento del combustibile. Un nuovo difetto comporterà spesso un aumento graduale solo dell’attività di Xe-133, che viene misurata dal refrigerante del reattore. Man mano che il difetto si allarga, il tasso di rilascio dei nuclidi solubili e a vita più lunga, in particolare I-131, I-134, Cs-134 e Cs-137 aumenterà.
Boro
Il boro è un elemento chimico presente in natura con numero atomico 5, che significa che ci sono 5 protoni e 5 elettroni nella struttura atomica. Il simbolo chimico del boro è B.
Il boro naturale consiste principalmente di due isotopi stabili, 11B (80,1%) e 10B (19,9%). Nell’industria nucleare il boro è comunemente usato come assorbitore di neutroni grazie all’alta sezione trasversale neutronica dell’isotopo 10B. La sua sezione d’urto di reazione (n,alfa) per i neutroni termici è di circa 3840 barn (per un neutrone di 0,025 eV). L’isotopo 11B ha una sezione trasversale di assorbimento per i neutroni termici di circa 0,005 barn (per un neutrone di 0,025 eV). La maggior parte delle reazioni (n,alfa) dei neutroni termici sono reazioni 10B(n,alfa)7Li accompagnate da un’emissione gamma di 0,48 MeV.
Inoltre, l’isotopo 10B ha un’alta sezione trasversale di reazione (n,alfa) lungo tutto lo spettro energetico del neutrone. Le sezioni trasversali della maggior parte degli altri elementi diventano molto piccole ad alte energie come nel caso del cadmio. La sezione d’urto del 10B diminuisce monotonicamente con l’energia. Per i neutroni veloci la sua sezione trasversale è dell’ordine dei barn.