Radioattività delle scienze nucleari: energia, radioisotopi, usi e misure di sicurezza
Leggi questo articolo per conoscere l'energia, gli isotopi radio, gli usi, la misura di sicurezza e la radioattività della scienza nucleare!
"Nucleare" significa qualcosa relativo alla struttura o al comportamento degli atomi e dei nuclei degli atomi.
Cortesia dell'immagine: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/ALSEP_Apollo_14_RTG.jpg
La scienza e la tecnologia nucleare sono un campo di studio avanzato, una parte dello scenario 'hi-tech', in cui l'energia rilasciata dai nuclei degli atomi, quando subiscono certi cambiamenti, è utile non solo come fonte di energia ma ha applicazioni in agricoltura, industria e medicina.
Radioattività:
L'idrogeno ordinario ha un protone e nessun neutrone, quindi ha il numero di massa 1. L'idrogeno pesante, o deuterio, ha massa 2, perché ha un protone e un neutrone.
Una forma radioattiva di idrogeno, trizio, ha massa 3. Ha un protone e due neutroni. L'idrogeno ordinario, il deuterio e il trizio sono isotopi di idrogeno. Tutti gli isotopi di un elemento hanno le stesse proprietà chimiche. Il nucleo di uranio ha 92 protoni.
L'isotopo più abbondante di uranio ha 146 neutroni. Il suo numero di massa è quindi 238 (la somma di 92 e 146). Gli scienziati chiamano questo isotopo uranio 238 o U-238. L'isotopo di uranio che quasi tutti i reattori nucleari utilizzano come combustibile come 143 neutroni, e quindi il suo numero di massa è 235. Questo isotopo si chiama uranio 235 o U-235.
Una reazione nucleare comporta cambiamenti nella struttura di un nucleo. Come risultato di tali cambiamenti, il nucleo guadagna o perde uno o più neutroni o protoni. Si trasforma così nel nucleo di un diverso isotopo o elemento. Se il nucleo si trasforma nel nucleo di un altro elemento, il cambiamento viene chiamato trasmutazione.
La radioattività è il processo mediante il quale gli atomi emettono radiazioni, o particelle atomiche e raggi di alta energia, dai loro nuclei (nuclei). Di oltre 2.300 diversi tipi di atomi noti, oltre 2.000 sono radioattivi. In natura esistono solo circa 50 tipi radioattivi. Gli scienziati fanno il resto artificialmente.
Antoine Henri Becquerel di Francia scoprì la radioattività naturale nel 1896. Scoprì che i composti di uranio emettevano radiazioni che colpivano una lastra fotografica anche quando erano avvolti in carta nera; hanno anche ionizzato un gas. Poco dopo, Marie Curie scoprì una sostanza ancora più fortemente radioattiva, vale a dire il radio.
Ogni elemento con un numero atomico maggiore di quello del piombo (82) è radioattivo. I nuclei di alcuni di questi elementi possono decadere dividendosi in due: questa è la fissione spontanea.
La radioattività naturale si verifica anche in nove elementi più leggeri. Di questi i più importanti sono 14 6 C (carbonio) e 40 19 K (potassio). L'isotopo fu probabilmente formato quando fu creata la terra.
La sua esistenza attuale è dovuta alla sua lunga emivita di 1, 25 x 10 9 anni; sebbene costituisca solo lo 0, 01% di potassio naturale, la sua presenza rende il tessuto vivente sensibilmente radioattivo. Può decadere sia per emissione di b che per cattura di elettroni. È prodotto continuamente dall'azione dei neutroni nei raggi cosmici sull'azoto atmosferico, da una reazione nucleare.
Degli elementi della settima fila, solo cinque sono di natura rotonda; radio, attinio, torio, protoattinio e uranio.
Emissione di radiazioni:
Diverse forme di radiazioni hanno origine nei nuclei degli atomi radioattivi. Esistono tre tipi di radiazioni radioattive: le particelle alfa, che sono state identificate per la prima volta da Becquerel; raggi beta; identificato da Ernest Rutherford della Nuova Zelanda; e raggi gamma, identificati da Marie e Pierre Curie di Francia. L'emissione di raggi alfa o beta provoca la trasmutazione, ma la radiazione gamma non risulta in trasformazione.
Le particelle alfa hanno una carica elettrica positiva. Sono composti da due protoni e due neutroni e sono identici ai nuclei degli atomi di elio. Le particelle alfa sono emesse con alte energie, ma perdono energia rapidamente quando attraversano la materia. Questi sono fermati da un grosso foglio di carta; nell'aria hanno una portata di pochi centimetri, e alla fine vengono portati a riposare da collisioni con molecole d'aria.
Provocano un'intensa ionizzazione in un gas (attirando gli elettroni fuori dalle loro molecole) e vengono deviati da campi magnetici elettrici e molto forti. Tutte le particelle alfa emesse da una particolare sostanza radioattiva hanno la stessa velocità, circa un ventesimo della velocità della luce. L'americio emette solo particelle alfa.
La radiazione alfa si verifica in 238 U, un isotopo di uranio. Dopo aver perso una particella alfa, il nucleo ha 90 protoni e 144 neutroni. L'atomo con il numero atomico 90 non è più l'uranio, ma il torio. L'isotopo formato è 234 90 Th.
I raggi beta sono elettroni. Alcuni nuclei radioattivi emettono elettroni ordinari, che hanno cariche elettriche negative. Ma altri emettono positroni o elettroni caricati positivamente. Ad esempio, un isotopo di carbonio, 14 6 C, emette elettroni negativi. Il carbonio 14 ha otto neutroni e sei protoni.
Quando il suo nucleo si trasforma, un neutrone si trasforma in un protone, un elettrone e un antineutrino. Dopo l'emissione dell'elettrone e dell'antineutrino, il nucleo contiene sette protoni e sette neutroni. Il suo numero di massa rimane lo stesso, ma il suo numero atomico 7 è l'azoto. Quindi, 14 6 C cambia a 14 7 N dopo emissione di una particella beta negativa.
Un isotopo di carbonio, 11 6 C, emette positroni. Il carbonio 11 ha sei protoni e cinque neutroni. Quando emette un positrone, un protone si trasforma in un neutrone, un positrone e un neutrino. Dopo l'emissione del positrone e del neutrino, il nucleo contiene cinque protoni e sei neutroni. Il numero di massa rimane lo stesso, ma il numero atomico scende di uno.
L'elemento del numero atomico 5 è il boro. Quindi, 11 6 C cambia in 11 5 B dopo l'emissione di un positrone e un neutrino. Lo stronzio emette solo particelle beta. Le particelle beta viaggiano quasi alla velocità della luce. Alcuni possono penetrare 13 millimetri di legno.
Le radiazioni gamma possono verificarsi in diversi modi. In un processo, la particella alfa o beta emessa da un nucleo non porta via tutta l'energia disponibile. Dopo l'emissione, il nucleo ha più energia che nel suo stato più stabile. Si sbarazza dell'eccesso emettendo raggi gamma. I raggi gamma non hanno carica elettrica. Sono simili ai raggi X, ma di solito hanno una lunghezza d'onda più corta.
Mentre i raggi X sono dovuti a cambiamenti di energia esterni ai nuclei atomici, come tutte le forme di radiazione elettromagnetica, i raggi gamma, come le particelle alfa e beta, provengono da nuclei atomici interni. Questi raggi sono fotoni (particelle di radiazione elettromagnetica) e viaggiano con la velocità della luce. Sono molto più penetranti delle particelle alfa e beta.
Il radio emette raggi alfa, beta e gamma. Il cobalto è una pura fonte gamma.
Decadimento radioattivo e emivita:
Il decadimento radioattivo è il processo mediante il quale un nucleo si modifica spontaneamente (naturalmente) nel nucleo di un altro isotopo o elemento. Il processo rilascia energia principalmente sotto forma di radiazioni nucleari. Il processo di decadenza avviene di propria iniziativa e non può essere controllato; non è influenzato dalle variazioni di temperatura e si verifica se il materiale è puro o combinato chimicamente con altri elementi.
Uranio, torio e molti altri elementi naturali decadono spontaneamente e quindi si aggiungono alla radiazione naturale, o di fondo, che è sempre presente sulla terra. I reattori nucleari producono il decadimento radioattivo artificialmente. Le radiazioni nucleari rappresentano circa il 10% dell'energia prodotta in un reattore nucleare.
Gli scienziati misurano il decadimento radioattivo in unità di tempo chiamate emivite. Un'emivita è pari al tempo richiesto per metà degli atomi di un particolare elemento radioattivo o isotopo per decadere in un altro elemento o isotopo.
Il numero di particelle emesse in un dato periodo di tempo da un campione di un isotopo radioattivo (isotopo radioattivo) equivale a una percentuale definita del numero di atomi nel campione. Ad esempio, in qualsiasi campione di 11 ° C, il 3, 5 per cento degli atomi si decompone ogni minuto. Alla fine di un minuto, rimarrà solo il 96, 5% del campione.
Alla fine di un secondo minuto, rimarrà solo il 96, 5% del precedente 96, 5%, ovvero il 93, 1% dell'importo originale. Alla fine di 20 minuti, rimarrà solo la metà della quantità originale. Questo dimostra che l'emivita di 11 C è di 20 minuti. Questo estinzione di una sostanza si chiama decadimento radioattivo o trasformazione nucleare.
Differenti radioisotopi hanno emivite diverse. Possono variare da frazioni di secondo a miliardi di anni. Con poche eccezioni, l'unico isotopo radio trovato in natura in quantità rilevabili sono quelli con emivite di molti milioni o addirittura miliardi di anni. Gli scienziati credono che quando sono stati formati gli elementi che componevano la terra, erano presenti tutti gli isotopi possibili.
Generalmente, quelli con emivita breve sono decaduti in quantità irrisolvibilmente piccole. Ma alcuni isotopi radioattivi di breve durata che si verificano in natura sono stati formati dal decadimento di radioisotopi a lunga vita. Ad esempio, il torio-234, che ha una vita breve, è prodotto dall'uranio, che ha una lunga emivita.
Centinaia di radioisotopi di breve durata sono prodotti artificialmente bombardando nuclei con neutroni e altre particelle nucleari veloci nei reattori nucleari. Quando un neutrone o un'altra particella colpisce il nucleo di un atomo, è probabile che il nucleo lo catturi. In alcuni casi, un nucleo cattura una particella e emette immediatamente alcune delle sue particelle.
Energia nucleare:
L'energia nucleare è energia derivata dalle reazioni nucleari o dalla fissione di nuclei pesanti in nuclei più leggeri o dalla fusione di nuclei leggeri in nuclei più pesanti. Nei principi, l'energia di legame di un sistema di particelle che formano un nucleo atomico è l'energia nucleare.
Deriva dai cambiamenti nel nucleo degli atomi. Scienziati e ingegneri hanno trovato molti usi per questa energia, specialmente nella produzione di elettricità. Ma non hanno ancora la possibilità di sfruttare appieno l'energia nucleare. Se l'energia nucleare fosse pienamente sviluppata, potrebbe fornire l'elettricità di tutto il mondo per milioni di anni.
Un nucleo costituisce la maggior parte della massa di ogni atomo e questo nucleo è tenuto insieme da una forza estremamente potente. A causa di questa forza, un'enorme quantità di energia è concentrata nel nucleo.
Gli scienziati hanno rilasciato per la prima volta energia nucleare su larga scala all'Università di Chicago nel 1942, tre anni dopo l'inizio della seconda guerra mondiale. Questo risultato ha portato allo sviluppo della bomba atomica. È dal 1945 che l'energia nucleare è stata destinata a usi pacifici come la produzione di elettricità.
Einstein ha sottolineato che se l'energia di un corpo cambia di una quantità E, la sua massa cambia di un ammontare m dato dall'equazione, E = mc 2 . L'implicazione è che qualsiasi reazione in cui vi è una diminuzione della massa, chiamata un difetto di massa, è una fonte di energia.
I cambiamenti di energia e di massa nei cambiamenti fisici e chimici sono molto piccoli; quelli in alcune reazioni nucleari, come il decadimento radioattivo, sono milioni di volte più grandi. La somma delle masse dei prodotti di una reazione nucleare è inferiore alla somma delle masse delle particelle reagenti. Questa massa perduta viene convertita in energia.
Fissione nucleare:
La fissione nucleare è il processo mediante il quale un nucleo atomico si scompone in due o più frammenti principali con l'emissione di due o tre neutroni. È accompagnato dal rilascio di energia sotto forma di radiazioni gamma e l'energia cinetica delle particelle emesse.
La fissione si verifica spontaneamente nei nuclei dell'uranio-235, il principale combustibile utilizzato nei reattori nucleari. Tuttavia, il processo può anche essere indotto bombardando nuclei con neutroni perché un nucleo che ha assorbito un neutrone diventa instabile e presto si divide.
Il difetto di massa è grande e appare per lo più come la radice dei frammenti di fissione. Questi si allontanano a gran velocità, entrando in collisione con gli atomi circostanti e aumentando la loro media, cioè la loro temperatura. Il calore è quindi prodotto.
Se i neutroni della fissione dividono altri nuclei di uranio-235, viene creata una reazione a catena. In pratica, alcuni neutroni di fissione vengono persi fuggendo dalla superficie dell'uranio prima che ciò accada. Il rapporto tra quelli che scappano e quelli che causano la fissione diminuisce all'aumentare della massa dell'uranio-235.
Questo deve superare una certa massa critica per iniziare una reazione a catena. La massa critica è quindi la massa minima di materiale fissile che può subire una reazione a catena continua. Al di sopra della massa critica, la reazione può accelerare in un'esplosione nucleare se incontrollata.
L'isotopo U-238 sarebbe un combustibile ideale per i reattori nucleari perché è abbondante in natura. Ma i nuclei U-238 di solito assorbono neutroni liberi senza fissione. Un neutrone assorbito diventa semplicemente parte del nucleo. Lo scarso isotopo di uranio U-235 è l'unico materiale naturale che i reattori nucleari possono utilizzare per produrre una reazione a catena. L'uranio con una quantità abbondante di U-235 si chiama uranio arricchito.
Reattore nucleare:
Un reattore nucleare è il componente centrale di una centrale nucleare che genera energia nucleare in condizioni controllate da utilizzare come fonte di energia elettrica.
I reattori di potenza sono generalmente costituiti da tre parti principali. Sono (1) il reattore, o la pressione, la nave; (2) il nucleo; e (3) aste di controllo.
Il recipiente del reattore tiene le altre parti del reattore. È installato vicino alla base dell'edificio del reattore. La nave ha pareti di acciaio spesse almeno 15 centimetri. I tubi di acciaio portano dentro e fuori la nave per trasportare acqua e vapore.
Il nucleo contiene il combustibile nucleare e quindi è la parte del reattore dove avviene la fissione. Il nucleo è vicino al fondo del reattore. Consiste principalmente del combustibile nucleare tenuto in posizione tra una piastra di supporto superiore e una inferiore.
Le aste di controllo sono lunghe aste metalliche che contengono elementi come il boro o il cadmio. Questi elementi assorbono neutroni liberi e quindi aiutano a controllare una reazione a catena. Le aste di controllo sono inserite nel nucleo o si ritirano per rallentare o accelerare una reazione a catena.
Moderatori e refrigeranti:
Le operazioni del reattore dipendono anche da sostanze chiamate moderatori e refrigeranti. Un moderatore è una sostanza, come l'acqua o il carbonio, che rallenta i neutroni che lo attraversano. I reattori richiedono un moderatore perché i neutroni rilasciati dalla fissione sono neutroni veloci. Ma i neutroni lenti sono necessari per provocare una reazione a catena nella miscela di U-238 e U-235 che i reattori utilizzano come combustibile.
Un liquido refrigerante è una sostanza, come l'acqua o il diossido di carbonio, che conduce bene il calore ma non assorbe facilmente neutroni liberi. Il refrigerante trasporta calore dalla reazione a catena. Facendo così, i server del refrigerante impediscono entrambi che il nucleo del reattore si sciolga e produca vapore.
Molti reattori di potenza sono reattori ad acqua leggera, che utilizzano acqua (ordinaria) leggera sia come moderatore sia come refrigerante. I reattori ad acqua pesante usano ossido di deuterio o acqua pesante, sia come moderatore che come refrigerante. La grafite è un altro moderatore. I reattori indiani (tranne quello di Tarapur) usano acqua pesante.
Preparazione del carburante:
L'uranio utilizzato nei reattori di acque leggere deve essere arricchito, ovvero la percentuale di U-235 deve essere aumentata. I neutroni liberi hanno quindi una migliore possibilità di colpire un nucleo U-235.
Produzione di vapore:
Il reattore raggiunge la criticità quando una reazione a catena nel combustibile è stata indotta a fornire, in media, una reazione in più per ogni reazione di fissione.
I reattori ad acqua leggera sono di due tipi principali. Un tipo, il reattore ad acqua pressurizzata, produce vapore al di fuori della nave del reattore. L'altro tipo, reattore ad acqua bollente, fa vapore all'interno della nave.
La maggior parte delle centrali nucleari utilizza reattori ad acqua pressurizzata. Questi reattori riscaldano l'acqua moderatore nel nucleo sotto pressione estremamente elevata. La pressione consente all'acqua di superare il suo normale punto di ebollizione di 100 ° C senza effettivamente bollire. La reazione a catena riscalda l'acqua a circa 320 ° C. I tubi trasportano questi generatori di acqua calda e vapore estremamente caldi, sebbene non bollenti, al di fuori dei reattori. Il calore dell'acqua pressurizzata fa bollire l'acqua nel generatore di vapore e produce così vapore.
In un reattore ad acqua bollente, la reazione a catena fa bollire l'acqua moderatore nel nucleo. I tubi trasportano il vapore prodotto dal reattore alle turbine della pianta.
In India, il tipo di reattore standard è il reattore ad acqua pesante pressurizzato.
Le barre di combustibile devono essere rimosse e rielaborate di volta in volta per separare i prodotti di scarto radioattivo e piccole quantità di plutonio-239 dall'uranio non utilizzato. Il plutonio-239 viene prodotto nel reattore quando l'uranio-238 assorbe i neutroni a fissione veloce; come l'uranio 235, subisce la fissione e viene utilizzato nei reattori di breeding veloce e per fabbricare armi nucleari.
Reattori sperimentali di allevamento:
Il tipo più importante di allevatore sperimentale utilizza l'abbondante isotopo uranio-U-238 come combustibile di base. Il reattore trasforma l'U-238 nel plutonio dell'isotopo 239 (Pu-239) per decadimento radioattivo. Come l'U-235, il Pu-239 può creare una reazione a catena e quindi può essere utilizzato per la produzione di energia.
Un altro allevatore usa il torio naturale come combustibile base. Cambia il torio nell'isotopo U-233, che può anche produrre una reazione a catena. L'India ha sviluppato un reattore autofertilizzante sperimentale a Kalpakkam, Chennai, utilizzando carburanti a carburo misto e sodio come refrigerante.
Fusione nucleare:
La fusione nucleare si verifica quando due nuclei leggeri si fondono (si combinano) e formano un nucleo di un elemento più pesante. I prodotti della fusione pesano meno dei pesi combinati dei nuclei originali. La materia perduta è stata quindi trasformata in energia. Le reazioni di fusione che producono grandi quantità di energia possono essere create solo per mezzo di un calore estremamente intenso. Tali reazioni sono chiamate reazioni termo-nucleari. Le reazioni termonucleari producono l'energia sia del sole che della bomba all'idrogeno.
Una reazione termo-nucleare può verificarsi solo nel plasma, una forma speciale di materia che ha elettroni liberi e nuclei liberi. Normalmente, i nuclei si respingono l'un l'altro.
Ma se un plasma contenente nuclei atomici leggeri viene riscaldato di molti milioni di gradi, i nuclei iniziano a muoversi così velocemente da sfondare l'uno con l'altro le barriere elettriche e la miccia.
Problemi di controllo della fusione:
Gli scienziati non sono ancora riusciti a sfruttare l'energia della fusione per produrre energia. Negli esperimenti di fusione, gli scienziati generalmente lavorano con plasmi composti da uno o due isotopi di idrogeno. Il deuterio è considerato un combustibile termo-nucleare ideale perché può essere ottenuto dall'acqua ordinaria. Un dato peso di deuterio può fornire circa quattro volte più energia dello stesso peso di uranio.
Per produrre una reazione termo-nucleare controllata, un plasma di deuterio o trizio o di entrambi gli isotopi deve essere riscaldato di molti milioni di gradi. Gli scienziati Bui devono ancora sviluppare un contenitore che possa contenere il plasma superhot.
La maggior parte dei reattori a fusione sperimentale sono progettati per contenere il plasma superfluo in "bottiglie magnetiche" ritorte in varie forme simili a spirali. Le pareti delle bottiglie sono fatte di rame o qualche altro metallo. Le pareti sono circondate da una calamita.
Una corrente elettrica passa attraverso il magnete e crea un campo magnetico all'interno delle pareti. Il magnetismo spinge il plasma lontano dalle pareti e verso il centro di ogni bobina. Questa tecnica è chiamata confinamento magnetico. Tutti i dispositivi di fusione finora sviluppati; tuttavia, usa molta più energia di quella che creano.
Il reattore a fusione di maggior successo, chiamato tokamak, fu originariamente progettato da scienziati russi. Tokamak significa forte corrente in russo. Come altri reattori a fusione sperimentale, un tokamak utilizza un campo magnetico per spingere il plasma lontano dalle sue pareti di contenimento. Passa anche una forte corrente attraverso il plasma. La corrente agisce con il campo magnetico per limitare il plasma. L'India ha sviluppato un tokamak Aditya, per scopi di ricerca presso l'Institute of Plasma Research, Ahmedabad.
Un altro metodo sperimentale per ottenere la fusione utilizza fasci di laser per comprimere e riscaldare minuscole pallottole di deuterio e trizio congelati. Questo processo crea minuscole esplosioni termonucleari che rilasciano energia prima che i pellet raggiungano le pareti di contenimento. Ma tutti gli esperimenti con questo metodo non hanno ancora prodotto quantità di energia utilizzabili.
Armi nucleari:
Le armi nucleari possono essere del tipo a fissione (armi atomiche) o del tipo a fusione (armi termonucleari o a idrogeno).
Le armi a fissione ottengono il loro potere distruttivo dalle schegge dei nuclei atomici. Sono noti solo tre tipi di atomi per la fissione in tali armi. Questi atomi sono degli isotopi dell'uranio (U) U-235 e U-238 e dell'isotopo del plutonio (Pu), Pu-239. Una reazione a catena incontrollata accelerata si verifica quando, ad esempio, due pezzi di U-235 si uniscono e superano la massa critica.
Le armi termonucleari traggono il loro potere dai nuclei atomici di fusione sotto intenso calore. I nuclei fusi in armi termonucleari sono degli isotopi di idrogeno, deuterio e trizio. Le reazioni di fusione richiedono temperature pari o superiori a quelle che si trovano nel nucleo del sole.
L'unico modo pratico per raggiungere tale temperatura si per mezzo di un'esplosione di fissione. Quindi, le esplosioni termonucleari sono innescate da un dispositivo di fissione di tipo implosivo. (Nel metodo dell'implosione, una massa subcritica è resa supercritica comprimendola in un volume più piccolo).
Le prime armi nucleari furono due bombe a fissione usate dagli Stati Uniti durante la seconda guerra mondiale (1939-1945). Nella guerra, uno fu lasciato cadere su ciascuna delle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki.
I dispositivi esplosivi nucleari possono avere un'ampia varietà di rendimenti. Alcune vecchie bombe avevano rendimenti di circa 20 megatoni, o 1.540 bombe di Hiroshima. Un megaton è la quantità di energia rilasciata da 907.000 tonnellate di tritolo. Oggi, a causa della maggiore precisione dei missili, la maggior parte dei dispositivi nucleari ha rese inferiori a 1 megaton.
radioisotopi:
Diverse forme di radiazioni hanno origine nei nuclei degli atomi radioattivi. Esistono tre tipi di radiazioni radioattive: le particelle alfa, che sono state identificate per la prima volta da Becquerel; raggi beta, identificati da Ernest Rutherford; e raggi gamma, identificati da Marie e Pierre Curie. L'emissione di raggi alfa o beta provoca la trasmutazione, ma la radiazione gamma non risulta in trasformazione.
Un elemento può essere modificato in un altro artificialmente. Tutto il radioisotopo artificiale viene prodotto rendendo isotopi stabili radioattivi, cioè instabili, i loro nuclei si spezzano per rilasciare piccole particelle ed energia (radioattività). Ogni elemento con numero atomico maggiore di quello del piombo (82) è radioattivo.
I radioisotopi artificiali possono essere prodotti bombardando atomi con particelle e raggi emessi da elementi radioattivi in un reattore nucleare. Possono anche essere prodotti rompendo gli atomi negli acceleratori di particelle come il ciclotrone. Il fatto che i materiali radioattivi possano essere rilevati dalle loro radiazioni li rende utili in molti campi.
Gli isotopi radioattivi sono usati efficacemente come traccianti per scopi diagnostici in medicina. L'arsenico-74 è usato per rilevare i tumori. Il sodio-24 viene utilizzato per rilevare i coaguli di sangue nel sistema circolatorio. Lo iodio 131 (1-131) viene utilizzato per determinare l'attività della ghiandola tiroidea. Cobalt-60 è usato nel trattamento del cancro; anche in uso sono l'iridio-192 e il cesio-137.
La produzione di radioisotopi in India iniziò nel 1956 con la messa in funzione del reattore di ricerca Apsara a Trombay. La capacità di produzione di radioisotopi fu aumentata nel 1963 quando il 40MWt Cirus divenne operativo a Trombay. Nel 1985, con Dhruva reso operativo da BARC, l'India divenne un importante produttore di ampio spettro di radioisotopi.
I reattori di ricerca di Trombay producono una varietà di radioisotopi per vari usi. I reattori di potenza sono anche equipaggiati per produrre radioisotopi cobalto-60.
Il ciclotrone a energia variabile di VECC viene anche utilizzato per la fabbricazione di radioisotopi, che vengono elaborati per applicazioni mediche. I prodotti e i servizi basati su radiazioni e radioisotopi offerti da DAE tramite BARC e BRIT includono sorgenti radio e apparecchiature di radiografia industriale; tecnologie radiotraccianti per il rilevamento di perdite, il movimento del limo e le applicazioni in idrologia; trattamento delle radiazioni, polimerizzazione da radiazioni, salinità del suolo e altri.
BRIT è stata incaricata della lavorazione di una varietà di radioisotopi e dei loro prodotti derivati e fornitura di apparecchiature per radiografia industriale e apparecchiature di irradiazione gamma per applicazioni di questa tecnologia.
Il Centro di Radiation Medicine (RMC) di BARC a Mumbai, un centro principale nel paese nel campo della radiologia e della radioterapia, è un centro regionale di riferimento dell'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) per il sud-est asiatico.
Le attività del centro coprono i campi della medicina nucleare e dei servizi affini, la diagnosi clinica e il trattamento, lo sviluppo interno di radiofarmaci, la tecnologia RIA per gli ormoni tiroidei e l'antigene tubercolare e gli anticorpi, ecc.
Anche i radioisotopi per applicazioni mediche vengono prodotti utilizzando il ciclotrone a energia variabile a Calcutta. Il centro regionale di radioterapia (RRMC) soddisfa i requisiti radiotelediagnostici e radioterapici della regione orientale del paese. CAT a Indore ha sviluppato laser per applicazioni mediche.
In India, le radiazioni sono in uso da decenni per la sterilizzazione di prodotti medicali. Un impianto di sterilizzazione a radiazione commerciale (ISOMED) a Trombay fornisce servizi di sterilizzazione all'industria medica. Un grande laboratorio radiofarmaceutico denominato ISOPHARM è stato allestito a Vashi, Mumbai.
Piante simili a Isomed hanno lavorato a Bengaluru, New Delhi e Jodhpur. Per l'uso nelle banche del sangue e negli ospedali, BRIT ha sviluppato un apparecchio per irradiatori di sangue che è un importante sostituto delle importazioni.
Usi di radioisotopi:
Nell'industria I raggi gamma possono essere utilizzati per esaminare i getti metallici o le saldature negli oleodotti per i punti deboli. I raggi passano attraverso il metallo e scuriscono un film fotografico in punti opposti ai punti deboli. I produttori possono posizionare un radioisotopo che emette particelle beta sopra un foglio di materiale.
Un rilevatore di particelle beta sull'altro lato misura la forza delle radiazioni che attraversano. Se lo spessore del foglio aumenta, un numero inferiore di particelle raggiunge il rilevatore. Il rilevatore può controllare i rulli e mantenere il foglio agli spessori desiderati. Le radiazioni gamma possono essere utilizzate nel controllo dei parassiti, in particolare nei depositi ingrain. Il cibo irradiato ha una durata più lunga.
In Research Gli scienziati usano radioisotopi come traccianti per determinare come le sostanze chimiche agiscono nei corpi di piante e animali. Tutti gli isotopi di un elemento sono chimicamente uguali, quindi l'isotopo radio può essere utilizzato allo stesso modo degli isotopi ordinari.
Ad esempio, per tracciare il corso del fosforo in una pianta, un botanico può mescolare il fosforo radioattivo con il fosforo ordinario. Per sapere quando il fosforo raggiunge una foglia, può posizionare un contatore Geiger, che rileva la radioattività, sulla foglia. Per trovare dove il fosforo si alloggia nella foglia, può posizionare la foglia su un piatto fotografico. Nella piastra sviluppata, chiamata autoradiografo, le regioni oscurate mostrano la posizione dell'isotopo radio.
In medicina:
L'uso di radioisotopi fa parte di una specialità chiamata medicina nucleare. L'uso principale dei radioisotopi è studiare la funzione dei vari organi del corpo. Per fare ciò, un medico amministra un radioisotopo attaccato a una sostanza portatrice. La sostanza portatrice si accumula nell'organo che il medico vuole studiare.
Ad esempio, se il medico desidera studiare la funzione renale di un paziente, un radioisotopo sarà attaccato a una sostanza portatrice che si accumula nei reni. Quando l'isotopo radio si rompe, emette raggi gamma. Alcuni raggi vengono rilevati da un dispositivo chiamato scanner. Il medico "legge" l'immagine sullo scanner per determinare se i reni funzionino correttamente.
I radioisotopi sono anche usati per curare il cancro. Le radiazioni in grandi dosi distruggono i tessuti viventi, in particolare le cellule sottoposte a divisione. Poiché le cellule tumorali si dividono più frequentemente rispetto alle cellule normali, la radiazione uccide più cellule cancerose rispetto a quelle normali. Un medico può trarre vantaggio da questo fatto somministrando un radioisotopo che si accumula in un organo canceroso.
Per esempio, un radioisotopo di iodio, 1-131 può essere usato per trattare il cancro della tiroide, perché questa ghiandola accumula iodio. Come lo iodio radioattivo si trasforma, emette radiazioni che uccidono le cellule cancerose. Cobalt-60 è anche usato nel trattamento del cancro. L'arsenico 74 è impiegato per rilevare i tumori. I coaguli di sangue nel sistema circolatorio sono localizzati da Sodium-24.
In agricoltura:
I radioisotopi sono stati usati per promuovere la mutazione genetica naturale nelle piante in modo da accelerare la riproduzione o sviluppare piante con nuove caratteristiche. L'efficienza dei fertilizzanti può anche essere studiata con i radioisotopi. BARC ha un programma per lo sviluppo e la produzione di biomolecole marcate con fosforo-32 per aiutare la ricerca nell'ingegneria genetica, nella tecnologia degli enzimi e nelle aree relative all'energia.
Gli isotopi vengono utilizzati per studiare la ricarica delle acque sotterranee, le infiltrazioni nelle dighe e nei sistemi di canali, l'intrusione di acqua di mare nelle falde acquifere costiere.
Incontri radioattivi:
La datazione al radiocarbonio è un processo utilizzato per determinare l'età di un oggetto antico misurandone il contenuto di radiocarbonio. Questa tecnica fu sviluppata alla fine degli anni '40 da Willard F. Libby, un chimico americano.
Gli atomi di radiocarbonio, come tutte le sostanze radioattive, decadono ad un tasso esatto e uniforme. La metà del radiocarbonio scompare dopo circa 5.700 anni. Pertanto, il radiocarbonio ha un'emivita di quel periodo di tempo.
Dopo circa 11.400 anni, rimane un quarto della quantità originale di radiocarbonio. Dopo altri 5.700 anni, rimane solo un ottavo, e così via.
Il radiocarbonio nei tessuti di un organismo vivente si decompone estremamente lentamente, ma viene continuamente rinnovato fino a quando l'organismo vive. Dopo che l'organismo muore, non assorbe più aria o cibo e quindi non assorbe più il radiocarbonio. Il radiocarbonio già nei tessuti continua a diminuire ad un ritmo costante. Questo costante decadimento a un tasso noto - un'emivita di circa 5.700 anni - consente agli scienziati di determinare l'età di un oggetto.
Dopo che gli scienziati hanno misurato il contenuto di radiocarbonio di un oggetto, lo confrontano con il radiocarbonio negli anelli degli alberi di cui si conoscono le età. Questa tecnica consente loro di compensare piccole variazioni del contenuto di radiocarbonio nell'atmosfera in tempi diversi in passato. In tal modo, gli scienziati possono convertire l'età del radiocarbonio di un oggetto in una data più precisa.
I radioisotopi con emivita molto lunga vengono usati per datare campioni di rocce come l'uranio-238. Uranio 235 che diventa piombo 207; torio 232, che diventa piombo 208; rubidio 87, che si trasforma in stronzio 87; e il potassio 40, che cambia in argon 40, è un radioisotopo che può essere usato per calcolare l'età delle rocce.
Rischi nucleari e problemi di sicurezza:
Recentemente c'è stata molta apprensione riguardo ai pericoli insiti nelle centrali nucleari: timori di radiazioni, smaltimento dei rifiuti, incidenti disastrosi. Mentre alcuni dei pericoli sono reali, gli scienziati nucleari sottolineano che molti di essi non sono basati su fatti scientifici e osservazioni imparziali.
Pericolo di radiazione:
Non c'è dubbio che le radiazioni causano danni alle cellule viventi, ma ciò dipende dall'intensità delle radiazioni e dal tempo di esposizione. Quando un atomo di una cellula organica complessa viene esposto alle radiazioni, avviene la ionizzazione e le molecole si disintegrano, influendo negativamente sul sistema biologico, a volte persino distruggendo la cellula.
Mentre alte dosi sono fatali, basse dosi possono avere un effetto cumulativo e causare tumori, specialmente della pelle, e leucemia. Può influenzare i tessuti linfatici, il sistema nervoso e gli organi riproduttivi. Tuttavia, gli effetti avversi si verificano dopo dosi considerevolmente elevate e costanti di radiazioni.
Il rilascio di radioattività nell'aria e nell'acqua dai reattori avviene, ma è mantenuto entro i limiti prescritti dall'AERB. La terra è costantemente bombardata da particelle nucleari di raggi cosmici (il 65% delle radiazioni naturali provate da un essere umano è dovuto a questo).
Le radiazioni di fondo provenienti da fonti terrestri ed extra-terrestri sono molto più alte delle radiazioni provenienti dalle centrali nucleari. Nelle circostanze, l'esposizione alle radiazioni da impianti nucleari è di entità trascurabile. La paura della radiazione sorge perché la maggior parte delle persone non è disposta a credere in alcun "livello di sicurezza" per l'esposizione alle radiazioni.
Pericolo da rifiuti nucleari:
Un altro aspetto del rischio nucleare è la gestione dei rifiuti. La tecnica generale di trattare i rifiuti radioattivi consiste nel concentrare e contenere la massima radioattività possibile e scaricare nell'ambiente solo gli effluenti del livello di concentrazione più basso possibile.
Nei siti interni come Narora e Rawatbhatta, i rifiuti liquidi di basso livello vengono scaricati nell'ambiente a un livello minimo. In siti costieri come Tarapur e Chennai è possibile una significativa diluizione in mare. Per i rifiuti solidi vengono utilizzati diversi tipi di contenimento e ubicati in siti selezionati sulla base della valutazione geologica e geoidrologica.
La fissione di U-235 produce molti isotopi radioattivi, come lo stronzio 90, il cesio 137 e il bario 140. Questi rifiuti rimangono radioattivi e pericolosi per circa 600 anni a causa degli isotopi di stronzio e cesio. Se questi entrano nel cibo o nell'acqua, possono essere portati nei corpi delle persone dove possono causare danni.
Il corpo non è in grado di distinguere tra lo stronzio radioattivo e il calcio, ad esempio. Il plutonio e altri elementi creati artificialmente nei rifiuti rimangono radioattivi per migliaia di anni. Anche in piccole quantità, il plutonio può causare cancro o danni genetici (riproduttivi) negli esseri umani.
Quantità maggiori possono causare malattie da radiazioni e morte. Lo smaltimento sicuro di questi rifiuti è uno dei problemi legati alla produzione di energia nucleare. I rifiuti vengono accuratamente gestiti incorporandoli in matrici solide inerti e posizionandoli in contenitori che vengono mantenuti in raffreddamento fino a quando la radioattività raggiunge il livello desiderato. Infine, i contenitori sono conservati in idonei supporti geologici. Tuttavia, il problema non è completamente risolto.
Effetti di un'esplosione nucleare:
Gli effetti che un'esplosione nucleare ha sulle persone, sugli edifici e sull'ambiente possono variare notevolmente, a seconda di una serie di fattori. Questi fattori includono il tempo, il terreno, il punto di esplosione in relazione alla superficie terrestre e la resa dell'arma.
L'esplosione dell'arma produrrebbe quattro effetti base:
(i) Blast Wave:
L'esplosione inizia con la formazione di una palla di fuoco, che consiste in una nuvola di polvere e di gas estremamente caldi sotto pressione molto alta. Una frazione di secondo dopo l'esplosione, i gas iniziano ad espandersi e formano un'onda d'urto, chiamata anche onda d'urto.
L'esplosione e il vento probabilmente ucciderebbero la maggior parte delle persone entro 5 chilometri dal suolo zero e alcune persone tra 5 e 10 chilometri dal punto zero. Molte altre persone entro 10 chilometri da groupd zero sarebbero ferite.
(ii) Radiazione termica:
Questo consiste di radiazione ultravioletta, visibile e infrarossa emessa dalla palla di fuoco. La radiazione ultravioletta viene rapidamente assorbita dalle particelle nell'aria e quindi danneggia poco. Tuttavia, la radiazione visibile e infrarossa può causare lesioni agli occhi e bruciature della pelle chiamate bruciature flash.
Tra il 20 e il 30 per cento delle morti di Hiroshima e Nagasaki è il risultato di bruciature improvvise. Le radiazioni termiche possono anche accendere materiali altamente infiammabili come giornali e foglie secche. La combustione di questi materiali può portare a grandi incendi.
(iii) Radiazioni nucleari iniziali:
Questo è emesso entro il primo minuto dopo l'esplosione. It consists of neutrons and gamma rays. The neutrons and some of the gamma rays are emitted from the fireball almost instantaneously. The rest of the gamma rays are given off by a huge mushroom-shaped cloud of radioactive material that is formed by the explosion. Nuclear radiation can cause the swelling and destruction of human cells and prevent normal cell replacement.
Large doses of radiation can cause death. The amount of harm a person would suffer from initial nuclear radiation depends in part on the person's location in relation to ground zero. Initial radiation decreases rapidly in strength as it moves away from ground zero.
(iv) Residual Nuclear Radiation:
This comes later than one minute after the explosion. Residual radiation created by fission consists of gamma rays and beta particles. Residual radiation produced by fusion is made up primarily of neutrons. It strikes particles of rock, soil, water, and other materials that make up the mushroom-shaped cloud. As a result, these particles become radioactive. When the particles fall back to earth, they are known as fallout. The closer an explosion occurs to the earth's surface, the more fallout it produces.
Early fallout consists of heavier particles that reach the ground during the first 24 hours after the explosion. These particles fall mostly downwind from ground zero. Early fallout is highly radioactive and will kill or severely damage living things.
Delayed fallout reaches the ground from 24 hours to a number of years after the explosion. It consists of tiny, often invisible, particles that may eventually fall in small amounts over large areas of the earth. Delayed fallout causes only long-term radiation damage to living things. However, this damage can be serious for certain individuals.
Misure di sicurezza:
I principali rischi della produzione di energia nucleare derivano dalle grandi quantità di materiale radioattivo prodotto da un reattore. Questi materiali emettono radiazioni sotto forma di raggi alfa, beta e gamma. Quindi, i siti per le centrali nucleari sono scelti tenendo conto dei parametri di sicurezza. Le piante sono progettate per un funzionamento sicuro attraverso una serie di misure protettive. Riconoscendo le possibilità di errore umano, malfunzionamento delle apparecchiature e fenomeni naturali estremi, le piante sono progettate sul concetto di "difesa in profondità"
Un recipiente del reattore è circondato da spessi blocchi di cemento chiamati scudi, che normalmente impediscono a quasi tutte le radiazioni di sfuggire.
Nei paesi con energia nucleare, le normative limitano la quantità di radiazioni consentite dalle centrali nucleari. Ogni pianta ha strumenti che misurano continuamente la radioattività all'interno e intorno alla pianta. Attivano automaticamente un allarme se la radioattività sale al di sopra di un livello predeterminato. Se necessario, il reattore viene spento.
Le misure di sicurezza di routine di un impianto riducono notevolmente la possibilità di un incidente grave. Tuttavia, ogni impianto ha sistemi di sicurezza di emergenza. Le possibili emergenze vanno dalla rottura di un tubo dell'acqua del reattore a una perdita di radiazione dal reattore. Qualsiasi tale emergenza attiva automaticamente un sistema che spegne istantaneamente il reattore, un processo chiamato scramming. Lo scramming viene solitamente ottenuto mediante il rapido inserimento delle barre di controllo nel nucleo.
Una perdita o una rottura in un tubo dell'acqua del reattore potrebbe avere gravi conseguenze se si verifica una perdita di refrigerante. Anche dopo che un reattore è stato spento, i materiali radioattivi rimasti nel nocciolo del reattore possono diventare così caldi senza sufficiente refrigerante che il nucleo si fonderebbe. Questa condizione, chiamata fusione, potrebbe comportare il rilascio di quantità pericolose di radiazioni.
Nella maggior parte dei casi, la grande struttura di contenimento che ospita un reattore impedirebbe alla radioattività di fuoriuscire nell'atmosfera. Tuttavia, c'è una piccola possibilità che il nucleo fuso possa diventare abbastanza caldo da bruciare attraverso il pavimento della struttura di contenimento e andare in profondità nella terra.
Gli ingegneri nucleari chiamano questo tipo di situazione la "Sindrome cinese". Per evitare che si verifichi un simile incidente, tutti i reattori sono dotati di un sistema di raffreddamento del nucleo di emergenza che inonda automaticamente il nucleo con acqua in caso di perdita di refrigerante.
Le dosi di radiazioni esterne ricevute da lavoratori del lavoro provenienti da tutto il paese sono monitorate su base mensile. Il servizio di monitoraggio del film è fornito a persone che lavorano in istituti medici, industriali e di ricerca. Il servizio di monitoraggio del dosimetro termoluminescente e il servizio di monitoraggio rapido dei neutroni sono forniti alle persone che lavorano nei reattori, negli impianti di ritrattamento dei combustibili e negli acceleratori.
La Commissione internazionale per la protezione radiologica (ICRP) ha raccomandato ai lavoratori delle radiazioni un limite di dose efficace di 20 MSV all'anno su un periodo di cinque anni con l'ulteriore disposizione che la dose efficace non dovrebbe superare i 50 MSV in un anno.
L'AIEA classifica gli eventi sulla scala internazionale degli eventi nucleari, una scala da 0 a 7 a seconda della gravità. Gli eventi che possono essere definiti "incidenti" di livello 4 e superiori sulla scala - sono successi finora in Occidente (Chernobyl era 7 sulla scala, l'incendio di Narora era al livello 3). Inoltre, i complessi di armi hanno un grado molto maggiore di problemi legati alla sicurezza.
