Una reazione fisica che causa un cambiamento nel nucleo di un atomo è chiamata reazione nucleare e l’energia rilasciata durante questa reazione è chiamata energia nucleare.
La massa del nucleo serve come fonte di energia nucleare che viene rilasciata principalmente sotto forma di calore. Ci sono due tipi di reazione nucleare. Essi sono:
i) Fissione nucleare
ii) Fusione nucleare
Fissione nucleare
Il nucleo pesante di atomi radioattivi come l’uranio, il plutonio o il torio viene bombardato con neutroni a bassa energia che dividono il nucleo in nuclei più piccoli. Questo processo è chiamato fissione nucleare. Per esempio, quando gli atomi di uranio-235 vengono bombardati con neutroni, il nucleo di uranio pesante si divide per produrre bario-139 e krypton-94 con l’emissione di tre neutroni. In questa reazione viene prodotta anche molta energia perché la massa viene convertita in energia.
Anche in una reazione di fissione nucleare vengono consumati e prodotti neutroni. I neutroni prodotti nella reazione di fissione nucleare portano ad un’ulteriore fissione di nuclei pesanti e causano una reazione a catena. Se tutti i neutroni prodotti durante la fissione dell’uranio-235 producono un’ulteriore fissione, allora verrà prodotta così tanta energia che non potrà essere controllata e porterà ad un’esplosione chiamata bomba atomica. Tuttavia, la reazione di fissione nucleare può essere controllata utilizzando barre di boro, poiché il boro può assorbire i neutroni.
Le reazioni di fissione nucleare vengono effettuate per generare elettricità nelle centrali nucleari.
Le centrali nucleari utilizzano reazioni di fissione nucleare per generare elettricità e il combustibile utilizzato per questo scopo è l’uranio-235.
In una centrale nucleare, una reazione di fissione viene effettuata in un contenitore a pressione in acciaio, e al suo interno si trova un reattore nucleare. In un reattore nucleare, le barre di uranio-235 sono inserite in un nucleo di grafite. La grafite è chiamata moderatore perché aiuta a rallentare la velocità dei neutroni in modo che avvenga una corretta reazione di fissione. Tra le barre di uranio-235 sono inserite delle barre di boro che aiutano ad assorbire i neutroni in eccesso e ad evitare che la reazione di fissione nucleare vada fuori controllo. Le barre di boro sono chiamate barre di controllo. Le barre nucleari possono essere sollevate all’interno o tirate all’esterno del reattore a seconda della richiesta. Il reattore nucleare è racchiuso in una camera di cemento che ha una parete spessa in modo che possa assorbire le radiazioni nucleari.
Una centrale nucleare o centrale atomica
Ora il calore prodotto a causa della reazione di fissione nel reattore viene raffreddato utilizzando sodio liquido o gas di anidride carbonica che aiuta anche il trasferimento allo scambiatore di calore. Qui con l’aiuto dell’acqua di raffreddamento viene convertito in vapore. Il vapore prodotto è usato per far girare le turbine e far funzionare i generatori.
Un’enorme quantità di energia termica è prodotta quando una reazione di fissione controllata ha luogo in un reattore nucleare. Ecco perché il sodio liquido viene pompato continuamente attraverso i tubi collegati al reattore. Il sodio aiuta ad assorbire il calore prodotto nel reattore. Poi attraverso i tubi il sodio estremamente caldo viene fatto passare attraverso l’acqua nello scambiatore di calore. L’acqua assorbe il calore dal sodio caldo e bolle per formare vapore. Questo vapore viene poi passato ad alta pressione nella camera della turbina con una turbina. Questo vapore fa ruotare la turbina che è ulteriormente collegata al suo albero e al generatore. Così, quando la turbina ruota, anche il suo albero ruota e aziona il generatore. Questo generatore aiuta a generare elettricità.
Il vapore esausto che esce dalla camera della turbina è passato attraverso il condensatore che contiene acqua e quest’acqua aiuta a raffreddare il vapore. Questo vapore poi si converte in acqua e attraverso i tubi viene nuovamente inviato allo scambiatore di calore. Il materiale di scarto prodotto nella reazione di fissione nucleare dell’uranio-235 è radioattivo ed estremamente dannoso per l’ambiente.
Centrali nucleari in India
Ci sono sette centrali nucleari in India. Esse sono:
i) Tarapur Atomic Power Station, Maharashtra
ii) Rajasthan Atomic Power Station, Rajasthan
iii) Madras Atomic Power Station, Tamil Nadu
iv) Kaiga Atomic Power Station, Karnataka
v) Kudankulam Atomic Power Station, Tamil Nadu
vi) Narora Atomic Power Station, Uttar Pradesh
vii) Kakrapar Atomic Power Station, Gujarat
Bomba nucleare
Una bomba nucleare si basa sulla reazione di fissione nucleare di uranio-235 e plutonio-239. La reazione di fissione è deliberatamente lasciata andare fuori controllo in modo da produrre una grande quantità di energia in un tempo molto breve.
Le bombe atomiche basate sulla fissione nucleare di uranio-235 e plutonio-239 furono lanciate sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki nel 1945 durante la seconda guerra mondiale. Ciò causò un’enorme perdita di vite umane.
La relazione massa-energia di Einstein
Secondo Einstein la massa è uguale all’energia.
E = mc2
E è la quantità di energia prodotta
M è la massa distrutta
C è la velocità della luce nel vuoto
Siccome la velocità della luce è grande, una quantità estremamente grande di energia viene prodotta anche se viene distrutta una piccola quantità di massa. Inoltre, se la massa è presa in chilogrammi (kg) e la velocità della luce in metri al secondo (m/s), allora l’energia sarà in joule (J).
Quindi, se un kg di massa di qualsiasi materia viene distrutto in una reazione nucleare, la quantità di energia prodotta è:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Unità energetiche per esprimere l’energia nucleare
L’unità SI di energia rilasciata nelle reazioni nucleari è l’elettronvolt (eV) o milione di elettronvolt (MeV). E,
1 elettrone volt = 1,602 * 10-19 joule
E,
1 milione di elettroni volt = 1,602 * 10-19 * 106 joule
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Valore dell’unità di massa atomica in termini di energia
Poiché la massa assoluta dell’unità di massa atomica è 1,66 * 10-27 kg e il valore esatto della velocità della luce è 2,998 * 108m/s. Quando mettiamo questi valori nell’equazione di Einstein otteniamo,
1 unità di massa atomica (u) = 1,492 * 10-10 J
Anche,
1 unità di massa atomica (u) = 931 MeV
Fusione nucleare
Il significato di fusione è unire o combinare. Pertanto, il processo in cui due nuclei di elettroni leggeri si uniscono per formare un nucleo pesante è la fusione nucleare. Nel processo di fusione nucleare viene rilasciata anche un’enorme quantità di energia.
I nuclei degli atomi sono carichi positivamente e quindi si respingono a vicenda. Quindi, al fine di combinare o fondere questi due nuclei per formare un nucleo pesante, sono necessarie molta energia termica e alta pressione. Questo dimostra che la fusione nucleare viene effettuata riscaldando gli atomi più leggeri ad una temperatura estremamente elevata e ad alta pressione. In questo processo si perde anche un po’ di massa, il che dà un’enorme quantità di energia.
Per esempio, quando gli atomi di deuterio sono riscaldati a una temperatura estremamente alta sotto alta pressione, due nuclei di deuterio si combinano per formare elio, che ha un nucleo pesante, viene emesso un neutrone e si libera molta energia.
Una reazione di fusione nucleare è opposta alla reazione di fissione nucleare. L’energia prodotta nella reazione di fusione nucleare non è stata ancora controllata ed è molto più della reazione di fissione nucleare.
Bomba all’idrogeno
Le reazioni nucleari che avvengono a temperature estremamente elevate sono chiamate reazioni termonucleari. Questa reazione è usata per produrre bombe all’idrogeno che causano distruzioni di massa. Gli isotopi dell’idrogeno, il deuterio (2H) e il trizio (3H), insieme a un elemento, il litio-6, sono usati per fare una bomba all’idrogeno. L’esplosione di una bomba all’idrogeno avviene utilizzando una bomba atomica. Questo perché quando una bomba atomica viene fatta esplodere, la sua reazione di fissione produce molto calore che aumenta la temperatura del deuterio e del trizio in pochi microsecondi. Così avviene la reazione di fusione e la bomba all’idrogeno esplode producendo un’enorme energia. La bomba all’idrogeno causa la distruzione della vita.
Svantaggi dell’energia nucleare
- Produce un’enorme energia da una piccola quantità di combustibile (Uranio-235).
- Non c’è bisogno di mettere continuamente il combustibile in un reattore nucleare. Una volta che il combustibile (Uranio-235) è messo nel reattore può funzionare per due o tre anni alla volta.
- Non produce gas come l’anidride carbonica o l’anidride solforosa.
Svantaggi dell’energia nucleare
- I prodotti di scarto dei reattori nucleari sono radioattivi e continuano ad emettere radiazioni nocive.
- Rischio di un incidente nei reattori nucleari che può causare perdite di materiale radioattivo.
- La disponibilità di uranio combustibile è limitata.
- L’alto costo di installazione di una centrale nucleare.
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