Dai componenti dei nuclei atomici strumenti per radiografare la materia e trasmutare scorie radioattive Trasformare le scorie nucleari in rifiuti meno radioattivi? Ovvero, trasformare un elemento chimico in un altro? Grazie agli acceleratori di particelle, e ai neutroni da essi prodotti, ciò oggi è possibile, anche se l’antico sogno degli alchimisti (di trasformare i metalli in oro) purtroppo non è praticabile! Il processo fisico alla base di questa trasmutazione di elementi è quello della spallazione (frantumazione di nuclei pesanti colpiti da protoni o neutroni). (Asimmetrie)

come si ottengono fasci intensi di neutroni? Esistono due possibilità: tramite fissione in reattori nucleari o per mezzo di acceleratori di particelle. In un acceleratore di particelle, i neutroni vengono generati bombardando con un fascio di protoni di alta energia un metallo a elevato numero atomico. Quando uno dei protoni incidenti penetra nel nucleo, avvia una serie di collisioni tra i neutroni e i protoni che lo costituiscono, cioè una cosiddetta cascata intra-nucleare. Alcuni di questi neutroni e protoni con energie sufficientemente alte possono uscire dal nucleo ed eventualmente colpire altri nuclei (cascata inter-nucleare). Il nucleo originale può rimanere in uno stato eccitato ed effettuare la transizione a uno stato stabile “evaporando” altri neutroni o protoni. Questo processo è detto di spallazione (vedi figura a). Se i protoni hanno un’energia di circa 1 GeV la spallazione è estremamente efficiente, poiché genera 20-30 neutroni per ogni protone incidente. Sebbene questo sia un modo di produrre neutroni più costoso rispetto a una reazione a catena di fissione in un reattore nucleare, si ha il vantaggio che il fascio arriva al campione solo durante brevissimi intervalli temporali anziché “in continua”, e ciò permette una accurata misura dell’energia del singolo neutrone proiettile. I neutroni così prodotti hanno energie fino a centinaia di MeV. Ma una particella è anche un’onda di “de Broglie”, con lunghezza d’onda che cresce al diminuire dell’energia: a queste energie, il loro comportamento ondulatorio corrisponde a lunghezze d’onda troppo corte per lo studio della materia, essi quindi devono essere fortemente rallentati tramite opportuni elementi moderatori (acqua o idrogeno liquido a temperature criogeniche), fino a raggiungere energie comprese tra i 5 e 25 millesimi di eV. Questa regione d’energia corrisponde a lunghezze d’onda particolarmente adatte a esplorare le strutture cristalline o le oscillazioni degli atomi e delle molecole che costituiscono i campioni da analizzare. (Asimmetrie)

L'Italia ha partecipato tramite l'ENEA a questo esperimento, nell'ambito del quale ha svolto attività di progettazione dei sistemi di carico e scarico del "bersaglio di spallazione", ovvero di una sorta di modulo, chiamato "target", nel quale avviene una reazione in cui il nucleo bersaglio emette neutroni a seguito del bombardamento con protoni ad alta energia, oltre ad attività di qualificazione dei sistemi per l'asportazione di calore, di qualificazione dei materiali strutturali in condizione di corrosione da metallo liquido e di verifica termo-meccanica del target stesso. (ENEA)