Radioaktywność nauki nuklearnej: energia, izotopy radiowe, zastosowania i środki bezpieczeństwa

Przeczytaj ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej o energii, izotopach radiowych, zastosowaniach, pomiarze bezpieczeństwa i radioaktywności nauk jądrowych!

"Jądrowe" oznacza coś związanego ze strukturą lub zachowaniem atomów i jąder atomów.

Zdjęcie dzięki uprzejmości: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/ALSEP_Apollo_14_RTG.jpg

Nuclear Science i technologia to zaawansowana dziedzina nauki, część scenariusza "hi-tech", w której energia uwalniana przez jądra atomów, gdy ulegają pewnym zmianom, jest użyteczna nie tylko jako źródło energii elektrycznej, ale ma również zastosowania w rolnictwie, przemyśle i medycynie.

Radioaktywność:

Zwykły wodór ma jeden proton i nie ma neutronów, więc ma masę 1. Ciężki wodór lub deuter ma masę 2, ponieważ ma jeden proton i jeden neutron.

Radioaktywna forma wodoru, trytu, ma masę numer 3. Ma jeden proton i dwa neutrony. Zwykły wodór, deuter i tryt są izotopami wodoru. Wszystkie izotopy pierwiastka mają te same właściwości chemiczne. Jądro uranu ma 92 protony.

Najobszerniejszy izotop uranu ma 146 neutronów. Jego liczba wynosi zatem 238 (suma 92 i 146). Naukowcy nazywają ten izotop uranem 238 lub U-238. Izotop uranu, który prawie wszystkie reaktory jądrowe używają jako paliwa 143 neutronów, a więc jego liczba masowa wynosi 235. Izotop ten nazywany jest uranem 235 lub U-235.

Reakcja jądrowa obejmuje zmiany w strukturze jądra. W wyniku takich zmian jądro zyskuje lub traci jeden lub więcej neutronów lub protonów. W ten sposób zmienia się w jądro innego izotopu lub pierwiastka. Jeśli jądro zamienia się w jądro innego elementu, zmiana nazywana jest transmutacją.

Radioaktywność jest procesem, w którym atomy wydzielają promieniowanie lub cząstki atomowe i promienie wysokoenergetyczne z ich jąder (rdzeni). Z ponad 2300 różnych rodzajów znanych atomów ponad 2000 jest radioaktywnych. W przyrodzie istnieje tylko około 50 rodzajów radioaktywnych. Naukowcy reszta tworzą sztucznie.

Antoine Henri Becquerel z Francji odkrył naturalną radioaktywność w 1896 r. Stwierdził, że związki uranu emitują promieniowanie, które wpłynęło na płytę fotograficzną, nawet gdy są owinięte czarnym papierem; zjonizowali także gaz. Wkrótce Marie Curie odkryła jeszcze silniejszą substancję radioaktywną, mianowicie rad.

Każdy element o liczbie atomowej większej niż atom ołowiu (82) jest radioaktywny. Jądra niektórych z tych pierwiastków mogą ulegać rozkładowi poprzez podział na dwa: to jest samorzutne rozszczepienie.

Radioaktywność naturalna występuje również w dziewięciu z lżejszych pierwiastków. Najważniejsze z nich to ¹⁴ ₆ C (węgiel) i ⁴⁰ ₁₉ K (potas). Izotop powstał prawdopodobnie, gdy powstała ziemia.

Obecne jego istnienie wynika z jego długiego okresu półtrwania wynoszącego 1, 25 x 10 ⁹ lat; choć stanowi on jedynie 0, 01% naturalnego potasu, jego obecność sprawia, że ​​żywa tkanka jest znacznie radioaktywna. Może rozpadać się w wyniku emisji b lub wychwytu elektronów. Jest wytwarzany w sposób ciągły z działania neutronów w promieniach kosmicznych na atmosferyczny azot, w wyniku reakcji jądrowej.

Z elementów siódmego rzędu tylko pięć ma charakter okrągły; rad, aktyn, tor, protaktyn i uran.

Emisja promieniowania:

Różne formy promieniowania pochodzą z jądra atomów radioaktywnych. Istnieją trzy rodzaje promieniowania radioaktywnego: cząstki alfa, które zostały po raz pierwszy zidentyfikowane przez Becquerel; promienie beta; zidentyfikowany przez Ernesta Rutherforda z Nowej Zelandii; i promieniowanie gamma, zidentyfikowane przez Marie i Pierre Curie z Francji. Emisja promieniowania alfa lub beta powoduje transmutację, ale promieniowanie gamma nie powoduje transformacji.

Cząsteczki alfa mają dodatni ładunek elektryczny. Składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów i są identyczne z jądrami atomów helu. Cząsteczki alfa są emitowane z wysoką energią, ale tracą energię szybko, gdy przechodzą przez materię. Zatrzymuje je gruby arkusz papieru; w powietrzu mają zasięg kilku centymetrów, a ostatecznie zostają sparaliżowane przez kolizje z cząsteczkami powietrza.

Powodują intensywną jonizację w gazie (poprzez przyciąganie elektronów z ich cząsteczek) i są odbijane przez elektryczne i bardzo silne pola magnetyczne. Wszystkie cząstki alfa emitowane przez konkretną radioaktywną substancję mają tę samą prędkość, około jednej dwudziestej prędkości światła. Americium emituje tylko cząstki alfa.

Promieniowanie alfa występuje w ²³⁸ U, izotop uranu. Po utracie cząstki alfa jądro ma 90 protonów i 144 neutrony. Atom o liczbie atomowej 90 nie jest już uranem, ale toriem. Utworzony izotop wynosi ²³⁴ ₉₀ Th.

Promienie beta są elektronami. Niektóre radioaktywne jądra emitują zwykłe elektrony, które mają ujemne ładunki elektryczne. Ale inni emitują pozytony lub naładowane dodatnio elektrony. Na przykład, izotop węgla, ¹⁴ ₆ C, wydziela ujemne elektrony. Węgiel 14 ma osiem neutronów i sześć protonów.

Kiedy jego jądro ulega transformacji, neutron zamienia się w proton, elektron i antyneutrino. Po emisji elektronu i antyneutryny jądro zawiera siedem protonów i siedem neutronów. Jego liczba masowa pozostaje taka sama, ale jego liczba atomowa 7 to azot. Tak więc ¹⁴ ₆ C zmienia się w ¹⁴ ₇ N po emisji ujemnej cząstki beta.

Izotop węgla, ¹¹ ₆ C, emituje pozyton. Węgiel 11 ma sześć protonów i pięć neutronów. Kiedy emituje on pozyton, jeden proton zmienia się w neutron, pozyton i neutrino. Po emisji pozytonu i neutrina jądro zawiera pięć protonów i sześć neutronów. Liczba mas pozostaje taka sama, ale liczba atomowa spada o jeden.

Elementem liczby atomowej 5 jest bór. Tak więc ¹¹ ₆ C zmienia się w ¹¹ ₅ B po emisji pozytonu i neutrino. Stront emituje tylko cząstki beta. Cząstki Beta poruszają się niemal z prędkością światła. Niektóre potrafią penetrować 13 milimetrów drewna.

Promieniowanie gamma może występować na kilka sposobów. W jednym procesie cząsteczka alfa lub beta emitowana przez jądro nie przenosi całej dostępnej energii. Po emisji jądro ma więcej energii niż w swoim najbardziej stabilnym stanie. Usuwa się z nadmiaru emitując promieniowanie gamma. Promienie gamma nie mają ładunku elektrycznego. Są podobne do promieni rentgenowskich, ale zwykle mają krótszą długość fali.

Podczas gdy promienie X są spowodowane zmianami energii poza jądrami atomowymi, tak jak wszystkie formy promieniowania elektromagnetycznego, promieniowania gamma, podobnie jak cząsteczki alfa i beta, pochodzą z wnętrza jąder atomowych. Promienie te są fotonami (cząstkami promieniowania elektromagnetycznego) i poruszają się z prędkością światła. Są znacznie bardziej przenikliwe niż cząsteczki alfa i beta.

Rad emituje promienie alfa, beta i gamma. Kobalt jest czystym źródłem gamma.

Rozpad promieniotwórczy i półtrwanie:

Rozpad promieniotwórczy jest procesem, w którym jądro samorzutnie (naturalnie) przechodzi w jądro innego izotopu lub pierwiastka. Proces uwalnia energię głównie w postaci promieniowania jądrowego. Proces rozpadu dzieje się samoistnie i nie można go kontrolować; na zmiany temperatury nie ma wpływu, czy materiał jest czysty czy połączony chemicznie z innymi pierwiastkami.

Uran, tory i kilka innych naturalnych pierwiastków rozpadają się spontanicznie, a więc dodają do naturalnego, lub tła, promieniowanie, które jest zawsze obecne na ziemi. Reaktory jądrowe sztucznie wytwarzają rozpad radioaktywny. Promieniowanie jądrowe stanowi około 10% energii wytwarzanej w reaktorze jądrowym.

Naukowcy mierzą rozpad radioaktywny w jednostkach czasu zwanych okresami półtrwania. Okres półtrwania jest równy czasowi, w którym pół atomów danego pierwiastka radioaktywnego lub izotopu ulega rozkładowi na inny pierwiastek lub izotop.

Liczba cząstek emitowanych w danym okresie czasu przez próbkę izotopu radioaktywnego (izotop radioaktywny) jest równa procentowej liczbie atomów w próbce. Na przykład w każdej próbce ¹¹ C 3, 5 procent atomów rozkłada się co minutę. Po upływie minuty pozostanie tylko 96, 5% próbki.

Pod koniec drugiej minuty pozostanie tylko 96, 5 procent z poprzednich 96, 5 procent lub 93, 1 procent pierwotnej kwoty. Po upływie 20 minut pozostanie tylko połowa pierwotnej ilości. Pokazuje to, że okres półtrwania ¹¹ C wynosi 20 minut. To wymieranie substancji nazywa się rozpadem radioaktywnym lub transformacją jądrową.

Różne izomy radioaktywne mają różne okresy półtrwania. Mogą one wahać się od ułamków sekundy do miliardów lat. Poza kilkoma wyjątkami, jedyny radio-izotop występujący w przyrodzie w wykrywalnych ilościach to te, których okres półtrwania wynosi wiele milionów, a nawet miliardów lat. Naukowcy są przekonani, że gdy powstały pierwiastki tworzące ziemię, obecne były wszystkie możliwe izotopy.

Ogólnie rzecz biorąc, osoby z krótkim okresem półtrwania ulegają rozkładowi do niewykrywalnie małych ilości. Ale naturalnie występujący krótkotrwały radioizotop został ukształtowany przez rozpad długowiecznego radia-izotopu. Na przykład, tor-234, który ma krótki czas życia, jest produkowany z uranu, który ma długi okres półtrwania.

Setki krótkotrwałych radioizotopów wytwarza się sztucznie, bombardując jądra neutronami i innymi szybkimi cząstkami jądrowymi w reaktorach jądrowych. Kiedy neutron lub inna cząstka uderza w jądro atomu, jądro prawdopodobnie je przechwyci. W niektórych przypadkach jądro wychwytuje cząstkę i natychmiast wydziela część własnych cząstek.

Energia nuklearna:

Energia jądrowa to energia pochodząca z reakcji jądrowych poprzez rozszczepienie ciężkich jąder na jaśniejsze lub połączenie lekkich jąder w cięższe. W zasadzie energia wiązania układu cząstek tworzących jądro atomowe jest energią jądrową.

Wynika to ze zmian w jądrze atomów. Naukowcy i inżynierowie znaleźli wiele zastosowań dla tej energii, zwłaszcza w produkcji energii elektrycznej. Ale nie mają jeszcze możliwości pełnego wykorzystania energii jądrowej. Gdyby energia jądrowa była w pełni rozwinięta, mogłaby ona dostarczyć energię elektryczną na całym świecie przez miliony lat.

Jądro stanowi większość masy każdego atomu, a jądro to jest utrzymywane razem przez niezwykle potężną siłę. Ogromna ilość energii jest skoncentrowana w jądrze z powodu tej siły.

Naukowcy po raz pierwszy wypuścili energię jądrową na dużą skalę na Uniwersytecie w Chicago w 1942 roku, trzy lata po rozpoczęciu II wojny światowej. To osiągnięcie doprowadziło do opracowania bomby atomowej. Od 1945 r. Energia jądrowa jest wykorzystywana do pokojowych zastosowań, takich jak produkcja energii elektrycznej.

Einstein zwrócił uwagę, że jeśli energia ciała zmienia się o wielkość E, jego masa zmienia się o wielkość m podaną w równaniu E = mc ² . Sugeruje to, że każda reakcja, w której następuje spadek masy, zwana defektem masy, jest źródłem energii.

Zmiany energii i masy w zmianach fizycznych i chemicznych są bardzo małe; te w niektórych reakcjach jądrowych, takich jak rozpad radioaktywny, są miliony razy większe. Suma mas produktów reakcji jądrowej jest mniejsza niż suma mas reagujących cząstek. Ta utracona masa jest zamieniana na energię.

Rozszczepienia jądrowego:

Rozszczepienie jądrowe jest procesem, w którym jądro atomowe rozpada się na dwa lub więcej głównych fragmentów z emisją dwóch lub trzech neutronów. Towarzyszy temu uwalnianie energii w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej emitowanych cząstek.

Rozszczepienie następuje spontanicznie w jądrach uranu-235, głównego paliwa stosowanego w reaktorach jądrowych. Jednak proces ten można również wywołać przez bombardowanie jąder neutronami, ponieważ jądro, które pochłonęło neutron, staje się niestabilne i wkrótce pęka.

Wada masy jest duża i pojawia się głównie jako część fragmentów rozszczepienia. Rozlatują się one z dużą prędkością, zderzając się z otaczającymi atomami i podnosząc ich średnią ke, czyli temperaturę. W ten sposób powstaje ciepło.

Jeśli neutrony rozszczepienia podzieliły inne jądra uranu-235, następuje reakcja łańcuchowa. W praktyce niektóre neutrony rozszczepione są tracone przez ucieczkę z powierzchni uranu, zanim to nastąpi. Stosunek osób uciekających do powodujących rozszczepienie zmniejsza się wraz ze wzrostem masy uranu-235.

Musi przekroczyć pewną masę krytyczną, aby rozpocząć reakcję łańcuchową. Masa krytyczna jest zatem minimalną masą materiału rozszczepialnego, który może podlegać ciągłej reakcji łańcuchowej. Powyżej masy krytycznej reakcja może przyspieszyć eksplozję jądrową, jeżeli nie jest kontrolowana.

Izotop U-238 stanowiłby idealne paliwo z reaktora jądrowego, ponieważ ma on bardzo bogaty charakter. Ale jądra U-238 zwykle absorbują wolne neutrony bez rozszczepiania. Zaabsorbowany neutron staje się po prostu częścią jądra. Niedobór izotopu uranu U-235 jest jedynym naturalnym materiałem, który reaktory jądrowe mogą wykorzystać do wytworzenia reakcji łańcuchowej. Uran z obfitą ilością U-235 nazywany jest wzbogaconym uranem.

Reaktor jądrowy:

Reaktor jądrowy jest centralnym komponentem elektrowni jądrowej, która wytwarza energię jądrową w kontrolowanych warunkach do wykorzystania jako źródło energii elektrycznej.

Reaktory energetyczne składają się z trzech głównych części. Są to (1) reaktor lub ciśnienie, naczynie; (2) rdzeń; i (3) pręty kontrolne.

Naczynie reaktora utrzymuje inne części reaktora. Jest zainstalowany w pobliżu podstawy budynku reaktora. Statek ma stalowe ściany o grubości co najmniej 15 centymetrów. Rury stalowe prowadzą do i ze zbiornika, aby przenosić wodę i parę.

Rdzeń zawiera paliwo jądrowe, podobnie jak część reaktora, w której zachodzi rozszczepienie. Rdzeń znajduje się w pobliżu dna naczynia reaktora. Składa się głównie z paliwa jądrowego utrzymywanego w miejscu między górną a dolną płytą nośną.

Pręty kontrolne są długimi metalowymi prętami, które zawierają takie pierwiastki jak bor lub kadm. Te pierwiastki absorbują wolne neutrony, a tym samym pomagają kontrolować reakcję łańcuchową. Pręty kontrolne są wkładane do rdzenia lub wycofywane w celu spowolnienia lub przyspieszenia reakcji łańcuchowej.

Moderatorzy i chłodziwa:

Reaktory zależą również od substancji zwanych moderatorami i chłodziwami. Moderatorem jest substancja, taka jak woda lub węgiel, która spowalnia neutrony, które przez nią przechodzą. Reaktory wymagają moderatora, ponieważ neutrony uwalniane przez rozszczepienie są szybkimi neutronami. Ale powolne neutrony są potrzebne, aby wywołać reakcję łańcuchową w mieszaninie U-238 i U-235, którą reaktory stosują jako paliwo.

Czynnikiem chłodzącym jest substancja, taka jak woda lub dwutlenek węgla, która dobrze przewodzi ciepło, ale nie absorbuje łatwo wolnych neutronów. Chłodziwo przenosi ciepło z reakcji łańcuchowej. W ten sposób serwery chłodziwa zapobiegają stopieniu rdzenia reaktora i wytwarzają parę.

Wiele reaktorów energetycznych to reaktory lekkiej wody, które wykorzystują lekką (zwykłą) wodę zarówno jako moderator, jak i chłodziwo. Reaktory ciężkiej wody wykorzystują tlenek deuteru lub ciężką wodę, zarówno jako moderator, jak i chłodziwo. Grafit to kolejny moderator. Indyjskie reaktory (z wyjątkiem tego w Tarapur) używają ciężkiej wody.

Przygotowanie paliwa:

Uran wykorzystywany w reaktorach w wodach lekkich musi być wzbogacony - to znaczy, że należy zwiększyć udział U-235. Wolne neutrony mają większą szansę na uderzenie jądra U-235.

Produkcja Steam:

Reaktor osiąga krytyczność, gdy indukowana jest reakcja łańcuchowa w paliwie, aby zapewnić średnio jeszcze jedną reakcję na każdą reakcję rozszczepienia.

Reaktory lekkowodne są dwóch głównych typów. Jeden typ, ciśnieniowy reaktor wodny, wytwarza parę na zewnątrz zbiornika reaktora. Drugi typ, reaktor z wrzącą wodą, wytwarza parę wewnątrz naczynia.

Większość elektrowni jądrowych wykorzystuje ciśnieniowe reaktory wodne. Reaktory te ogrzewają wodę moderator-woda w rdzeniu pod bardzo wysokim ciśnieniem. Ciśnienie pozwala wodzie ogrzewać się powyżej jej normalnej temperatury wrzenia 100 ° C bez rzeczywistego wrzenia. Reakcja łańcuchowa podgrzewa wodę do około 320 ° C. Rury przenoszą tę niezwykle gorącą, ale nie wrzącą, wodę do generatorów pary na zewnątrz reaktorów. Ciepło z wody pod ciśnieniem podgrzewa wodę w wytwornicy pary i wytwarza parę.

W reaktorze z wrzącą wodą reakcja łańcuchowa wywołuje moderator-wodę w rdzeniu. Rury przenoszą parę wytwarzaną z reaktora do turbin zakładu.

W Indiach standardowym typem reaktora jest ciśnieniowy reaktor ciężkiej wody.

Pręty paliwowe muszą być od czasu do czasu usuwane i ponownie przetwarzane w celu oddzielenia odpadów promieniotwórczych i niewielkich ilości plutonu-239 od nieużywanego uranu. Pluton-239 jest wytwarzany w reaktorze, gdy uran-238 pochłania neutrony o szybkim rozkładzie; podobnie jak uran-235, ulega rozszczepieniu i jest wykorzystywany w reaktorach szybko-hodujących oraz do produkcji broni jądrowej.

Eksperymentalne reaktory hodowlane:

W najważniejszym typie hodowcy eksperymentalnego wykorzystywany jest obfity izotop uranu-U-238 jako podstawowe paliwo. Reaktor zmienia U-238 w izotopowy pluton 239 (Pu-239) przez rozpad radioaktywny. Podobnie jak U-235, Pu-239 może wywołać reakcję łańcuchową i dlatego może być wykorzystywany do produkcji energii.

Inny hodowca używa jako pierwszorzędnego paliwa naturalnego pierwiastka. Zmienia tor w izotop U-233, który może również wytworzyć reakcję łańcuchową. Indie opracowały eksperymentalny reaktor hodowlany w Kalpakkam, w Chennai, wykorzystując mieszane paliwo węglikowe i sód jako chłodziwo.

Fuzja nuklearna:

Fuzja jądrowa występuje wtedy, gdy dwa lekkie jądra zespalają się (łączą) i tworzą jądro cięższego pierwiastka. Produkty fuzji ważą mniej niż połączone ciężary oryginalnych jąder. Zagubiona materia została zamieniona w energię. Reakcje syntezy jądrowej wytwarzające duże ilości energii można wytworzyć tylko za pomocą wyjątkowo intensywnego ciepła. Takie reakcje nazywane są reakcjami termojądrowymi. Reakcje termojądrowe wytwarzają energię zarówno bomby słonecznej, jak i wodorowej.

Reakcja termojądrowa może zachodzić tylko w plazmie, specjalnej formie materii, która ma wolne elektrony i wolne jądra. Normalnie jądra odpychają się nawzajem.

Ale jeśli plazma zawierająca lekkie jądra atomowe jest podgrzewana przez wiele milionów stopni, jądra zaczynają się poruszać tak szybko, że przerywają się wzajemnie przez barierę elektryczną i bezpiecznik.

Problemy z Controlling Fusion:

Naukowcom nie udało się jeszcze wykorzystać energii syntezy do wytwarzania energii. W eksperymentach z fuzją naukowcy na ogół pracują z plazami, które są wykonane z jednego lub dwóch izotopów wodoru. Deuter jest uważany za idealne paliwo termojądrowe, ponieważ można go uzyskać ze zwykłej wody. Dana waga deuteru może dostarczyć około cztery razy więcej energii niż ta sama waga uranu.

Aby wytworzyć kontrolowaną reakcję termojądrową, plazma deuteru lub trytu lub obu izotopów musi być ogrzewana w wielu milionach stopni. Naukowcy z Bui nie opracowali jeszcze pojemnika, który mógłby pomieścić super-plazmę.

Większość eksperymentalnych reaktorów fuzyjnych jest zaprojektowana tak, aby zawierały superhot plazmę w "butelkach magnetycznych" skręconych w różne kształty podobne do kręgów. Ściany butelek wykonane są z miedzi lub innego metalu. Ściany są otoczone magnesem.

Prąd elektryczny przepływa przez magnes i tworzy pole magnetyczne po wewnętrznej stronie ścian. Magnetyzm wypycha plazmę z dala od ścian i w kierunku środka każdej cewki. Ta technika nazywana jest magnetycznym zamknięciem Wszystkie dotychczas opracowane urządzenia termojądrowe; jednak zużywaj znacznie więcej energii niż oni tworzą.

Najbardziej udany reaktor termojądrowy, zwany tokamakiem, został pierwotnie zaprojektowany przez rosyjskich naukowców. Tokamak oznacza silny prąd w języku rosyjskim. Podobnie jak inne eksperymentalne reaktory termojądrowe, tokamak wykorzystuje pole magnetyczne do odsuwania plazmy od jej ścian zawierających. Przekazuje również silny prąd przez plazmę. Obecny działa z polem magnetycznym, aby pomóc ograniczyć plazmy. Indie opracowały tokamak Aditya do celów badawczych w Instytucie Badań Plazmy w Ahmedabadzie.

Inna eksperymentalna metoda osiągnięcia fuzji wykorzystuje wiązki lasera do ściskania i podgrzewania drobnych peletek zamrożonego deuteru i trytu. Proces ten tworzy miniaturowe eksplozje termoatomowe, które uwalniają energię zanim granulki dotrą do ścian zawierających. Ale wszystkie eksperymenty z tą metodą nie przyniosły jeszcze użytecznych ilości energii.

Bronie nuklearne:

Broń jądrowa może być typu rozszczepienia (broń atomowa) lub typu fuzji (broń termojądrowa lub wodorowa).

Broń rozszczepienia czerpie swoją niszczycielską moc z rozszczepienia jąder atomowych. Wiadomo, że tylko trzy rodzaje atomów nadają się do rozszczepienia w takiej broni. Atomy te są z izotopów uranu (U) U-235 i U-238 oraz izotopu plutonu (Pu), Pu-239. Przyspieszająca niekontrolowana reakcja łańcuchowa występuje, gdy na przykład dwa kawałki U-235 łączą się i przekraczają krytyczną masę.

Broń termojądrowa czerpie swoją energię z jądrowych jąder termojądrowych w warunkach intensywnego ciepła. Jądra połączone w broń termojądrową to izotopy wodoru, deuter i tryt. Reakcje syntezy jądrowej wymagają temperatur równych lub większych od temperatur występujących w rdzeniu Słońca.

Jedyny praktyczny sposób na osiągnięcie takiej temperatury za pomocą eksplozji rozszczepienia. Tak więc eksplozje termojądrowe są wyzwalane przez urządzenie rozszczepienia typu implozyjnego. (W metodzie implozyjnej podkrytyczna masa jest nadkrytyczna przez skompresowanie jej do mniejszej objętości).

Pierwszą bronią jądrową były dwie bomby atomowe używane przez Stany Zjednoczone podczas II wojny światowej (1939-1945). Podczas wojny jeden z nich spadł na każde japońskie miasto Hiroszima i Nagasaki.

Jądrowe urządzenia wybuchowe mogą mieć szeroki zakres wydajności. Niektóre starsze bomby miały plony około 20 megaton lub 1540 bomb z Hiroszimy. Megaton to ilość energii uwolniona przez 907, 000 ton metrycznych TNT. Dzisiaj, ze względu na większą dokładność pocisków, większość urządzeń jądrowych ma wydajność poniżej 1 megaton.

Radioizotopy:

Różne formy promieniowania pochodzą z jądra atomów radioaktywnych. Istnieją trzy rodzaje promieniowania radioaktywnego: cząstki alfa, które zostały po raz pierwszy zidentyfikowane przez Becquerel; promienie beta, zidentyfikowane przez Ernesta Rutherforda; i promieniowanie gamma, zidentyfikowane przez Marie i Pierre Curie. Emisja promieniowania alfa lub beta powoduje transmutację, ale promieniowanie gamma nie powoduje transformacji.

Jeden element może zostać zmieniony na inny sztucznie. Sztuczny izotop promieniotwórczy jest wytwarzany przez wytworzenie stabilnych izotopów radioaktywnych - tj. Niestabilnych, ich jądra rozpadają się, uwalniając małe cząstki i energię (radioaktywność). Każdy element o liczbie atomowej większej niż atom ołowiu (82) jest radioaktywny.

Sztuczne radioizotopy można wytwarzać przez bombardowanie atomów cząstkami i promieniami emitowanymi przez pierwiastki promieniotwórcze w reaktorze jądrowym. Mogą być również wytwarzane przez rozbijanie atomów w akceleratorach cząstek, takich jak cyklotron. Fakt, że materiały promieniotwórcze mogą być wykrywane przez promieniowanie, czyni je przydatnymi w wielu dziedzinach.

Izotopy promieniotwórcze są skutecznie stosowane jako znaczniki do celów diagnostycznych w medycynie. Arsen-74 służy do wykrywania nowotworów. Sód-24 służy do wykrywania skrzepów krwi w układzie krążenia. Jod-131 (1-131) stosuje się do określenia aktywności tarczycy. Cobalt-60 stosuje się w leczeniu raka; również w użyciu są iryd-192 i cez-137.

Produkcja radioizotopów w Indiach rozpoczęła się w 1956 r. Wraz z uruchomieniem reaktora badawczego Apsara w Trombay. Zdolność produkcji radioizotopów została zwiększona w 1963 roku, kiedy 40MWt Cirus zaczął działać w Trombay. W 1985 roku, kiedy Dhruva został uruchomiony przez BARC, Indie stały się czołowymi producentami szerokiego spektrum radioizotopów.

Reaktory badawcze w Trombay produkują różne radioizotopy do różnych zastosowań. Reaktory mocy są również wyposażone do produkcji radioizotopu kobaltu-60.

Zmienny cyklotron energii w VECC jest również używany do produkcji radioizotopów, które są przetwarzane do zastosowań medycznych. Produkty i usługi oparte na promieniowaniu i radioizotopach oferowane przez DAE poprzez BARC i BRIT obejmują źródła radiowe i sprzęt do radiografii przemysłowej; technologie promieniotwórcze w wykrywaniu nieszczelności, ruchu mułu i zastosowaniach w hydrologii; przetwarzanie promieniowania, polimeryzacja promieniowaniem, zasolenie gleby i inne.

BRIT powierzono odpowiedzialność za przetwarzanie różnych radioizotopów i ich produktów pochodnych oraz dostawę sprzętu do radiografii przemysłowej i sprzętu do napromieniowania gamma do zastosowań tej technologii.

BARC's Radiation Medicine Center (RMC) w Bombaju, wiodącym ośrodku w kraju w dziedzinie radioterapii i radioterapii, jest regionalnym centrum rekomendacji Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) dla południowo-wschodniej Azji.

Działalność centrum obejmuje dziedziny medycyny nuklearnej i pokrewnych usług, diagnostykę kliniczną i leczenie, wewnętrzny rozwój radiofarmaceutyków, technologię RIA dla hormonów tarczycy oraz antygen i przeciwciała tuberkulinowe itp.

Radioizotopy do zastosowań medycznych są również wytwarzane przy użyciu zmiennej cyklotronu energii w Kalkucie. Regionalne Centrum Medycyny Radiacyjnej (RRMC) spełnia wymogi radiowej diagnostyki i radioterapii we wschodniej części kraju. CAT w Indore opracował lasery do zastosowań medycznych.

W Indiach promieniowanie jest stosowane od dziesięcioleci do sterylizacji produktów medycznych. Komercyjna sterylizacja promieniowaniem (ISOMED) w Trombay zapewnia usługi sterylizacji dla przemysłu medycznego. W Vashi w Bombaju powstało duże laboratorium radiofarmaceutyków ISOPHARM.

Rośliny podobne do Isomed pracowały w Bengaluru, New Delhi i Jodhpur. Do użytku w bankach krwi i szpitalach, BRIT opracował sprzęt do irradiatora krwi, który jest ważnym substytutem importu.

Zastosowania radioizotopów:

W przemyśle Promienie Gamma mogą być używane do badania metalowych odlewów lub spoin w rurociągach naftowych pod kątem słabych punktów. Promienie przechodzą przez metal i przyciemniają kliszę fotograficzną w miejscach przeciwnych do słabych punktów. Producenci mogą umieszczać radioizotop, który emituje cząstki beta powyżej arkusza materiału.

Detektor cząstek beta po drugiej stronie mierzy siłę napływającego promieniowania. Jeśli grubość blachy wzrasta, mniej cząsteczek dociera do detektora. Detektor może kontrolować rolki i utrzymywać arkusz o pożądanej grubości. Promieniowanie gamma może być stosowane w zwalczaniu szkodników, zwłaszcza w magazynach zbożowych. Napromieniowana żywność ma dłuższy okres przydatności do spożycia.

W badaniach Naukowcy wykorzystują radio-izotopy jako wskaźniki, aby określić, w jaki sposób substancje chemiczne działają w organizmach roślin i zwierząt. Wszystkie izotopy pierwiastka są chemicznie takie same, tak więc radio-izotop może być używany w taki sam sposób, jak zwykłe izotopy.

Na przykład, aby prześledzić przebieg fosforu w roślinie, botanik może mieszać radioaktywny fosfor ze zwykłym fosforem. Aby dowiedzieć się, kiedy fosfor dotrze do liścia, może umieścić na liściu licznik Geigera, który wykrywa promieniotwórczość. Aby znaleźć miejsce, w którym fosfor składa się w liściu, może on umieścić liść na płycie fotograficznej. W opracowanej płytce, zwanej autoradiografem, obszary zaciemnione pokazują położenie izotopu radia.

W medycynie:

Zastosowanie radioizotopów jest częścią specjalności zwanej medycyną nuklearną. Głównym zastosowaniem radioizotopów jest badanie funkcji różnych narządów ciała. Aby to osiągnąć, lekarz podaje radioizotop dołączony do substancji nośnej. Substancja nośna gromadzi się w narządzie, który lekarz chce zbadać.

Na przykład, jeśli lekarz chce zbadać czynność nerek pacjenta, radioizotop zostanie dołączony do substancji nośnej, która gromadzi się w nerkach. Gdy radio-izotop ulega rozpadowi, emituje promieniowanie gamma. Niektóre promienie są odbierane przez urządzenie zwane skanerem. Lekarz "odczytuje" obraz na skanerze, aby ustalić, czy nerki działają prawidłowo.

Radioizotopy są również stosowane w leczeniu raka. Promieniowanie w dużych dawkach niszczy żywe tkanki, szczególnie komórki przechodzące podział. Ponieważ komórki nowotworowe dzielą się częściej niż normalne komórki, promieniowanie zabija więcej komórek nowotworowych niż te normalne. Lekarz może skorzystać z tego faktu, podając radioizotop, który gromadzi się w nowotworowym narządzie.

Na przykład radioizotop jodu 1-131 może być stosowany do leczenia raka tarczycy, ponieważ ten gruczoł gromadzi jod. Gdy radioaktywny jod przekształca się, wydziela promieniowanie, które zabija komórki rakowe. Cobalt-60 jest również stosowany w leczeniu raka. Arsen-74 stosuje się do wykrywania nowotworów. Skrzepy krwi w układzie krążenia są zlokalizowane przez Sód-24.

W rolnictwie:

Radioizotopy zostały wykorzystane do promowania naturalnej mutacji genetycznej u roślin, aby przyspieszyć hodowlę lub rozwinąć rośliny o nowych właściwościach. Wydajność nawozów można również badać za pomocą radioizotopów. BARC ma program rozwoju i produkcji biomolekuł znakowanych fosforem-32 w celu wsparcia badań w dziedzinie inżynierii genetycznej, technologii enzymatycznej i obszarów związanych z energią.

Izotopy są wykorzystywane do badania poboru wody gruntowej, odwiertów w zaporach i kanałach, wtargnięcia wody morskiej do przybrzeżnych warstw wodonośnych.

Radioactive Dating:

Datowanie radiowęglowe jest procesem stosowanym do określania wieku starożytnego obiektu poprzez pomiar jego zawartości radiowęgla. Ta technika została opracowana pod koniec lat czterdziestych przez Willarda F. Libby'ego, amerykańskiego chemika.

Atomy węglowodorów, podobnie jak wszystkie substancje radioaktywne, rozpadają się w dokładnym i jednolitym tempie. Połowa radiowęgla znika po około 5700 latach. Dlatego okres półtrwania radiowęgla jest dłuższy.

Po około 11 400 latach pozostaje jedna czwarta pierwotnej ilości radiowęgla. Po kolejnych 5700 latach pozostaje tylko ósma część, i tak dalej.

Radiowęgiel w tkankach żywego organizmu rozpada się niezwykle wolno, ale jest stale odnawiany, dopóki organizm żyje. Po śmierci organizmu nie przyjmuje już powietrza ani pokarmu, a więc nie absorbuje już radiowęgla. Radiowęgiel znajdujący się już w tkankach nadal zmniejsza się ze stałą szybkością. Ten stały rozpad w znanym tempie - okres półtrwania około 5700 lat - umożliwia naukowcom określenie wieku obiektu.

Po dokonaniu pomiaru zawartości radiowęgla obiektu, naukowcy porównują go z promieniowaniem węglowym w pierścieniach, których wiek jest znany. Technika ta umożliwia im kompensację niewielkich zmian zawartości radiowęgla w atmosferze w różnym czasie w przeszłości. W ten sposób naukowcy mogą przekształcić wiek radiowęgla obiektu w dokładniejszą datę.

Radioizotopy o bardzo długim okresie półtrwania stosuje się do datowania próbek skalnych, takich jak Uran-238. Uran-235, który staje się ołowiem 207; tor 232, który staje się ołowiu 208; rubidium 87, który przechodzi w stront 87; a potas 40, który zmienia się w argon 40, to radioizotop, który można wykorzystać do obliczenia wieku skał.

Zagrożenia jądrowe i kwestie bezpieczeństwa:

Ostatnio wiele obaw o niebezpieczeństwa związane z elektrowniami jądrowymi - obawy o zagrożenie radiacyjne, usuwanie odpadów, katastrofalne wypadki. Podczas gdy niektóre zagrożenia są realne, naukowcy jądrowi wskazują, że wiele z nich nie opiera się na faktach naukowych i bezstronnej obserwacji.

Zagrożenie promieniowaniem:

Nie ulega wątpliwości, że promieniowanie powoduje uszkodzenia żywych komórek - ale zależy to od intensywności promieniowania i czasu ekspozycji. Kiedy atom złożonej komórki organicznej jest wystawiony na promieniowanie, następuje jonizacja i cząsteczki rozpadają się, co niekorzystnie wpływa na układ biologiczny, a czasem nawet niszczy komórkę.

Podczas gdy wysokie dawki są śmiertelne, małe dawki mogą mieć efekt kumulacyjny i powodować raka, zwłaszcza skóry i białaczki. Może wpływać na tkanki limfatyczne, układ nerwowy i narządy rozrodcze. Jednak negatywne skutki umierają po znacznie wysokich i stałych dawkach promieniowania.

Zjawisko uwalniania radioaktywności do powietrza i wody z reaktorów ma miejsce, ale jest utrzymywane w granicach określonych przez AERB. Ziemia jest nieustannie bombardowana przez cząstki jądrowe promieniowania kosmicznego (z tego powodu 65% naturalnego promieniowania doświadczanego przez człowieka).

Promieniowanie tła ze źródeł naziemnych i pozaziemskich jest znacznie wyższe niż promieniowanie z elektrowni jądrowych. W tych okolicznościach ekspozycja na promieniowanie z elektrowni jądrowych jest niewielka. The fear of radiation arises because most people are unwilling to believe in any “safe level” for radiation exposure.

Hazard from Nuclear Waste:

Another aspect of nuclear hazard is waste management. The general technique of dealing with radioactive wastes is to concentrate and contain as much radioactivity as possible, and discharge to the environment only effluent of as low a concentration level as is possible.

At inland sites like Narora and Rawatbhatta, low level liquid wastes are discharged into the environment at a minimum level. At coastal sites such as Tarapur and Chennai significant dilution in the sea is possible. For solid wastes, different types of containments are used and located at sites selected on the basis of geological and geohydrological evaluation.

The fissioning of U-235 produces many radioactive isotopes, such as strontium 90, caesium 137, and barium 140. These wastes remain radioactive and dangerous for about 600 years because of the strontium and caesium isotopes. If these get into food or water supplies, they can be taken into people's bodies where they can cause harm.

The body is unable to distinguish between radioactive strontium and calcium, for instance. The plutonium and other artificially created elements in the wastes remain radioactive for thousands of years. Even in small amounts, plutonium can cause cancer or genetic (reproductive) damage in humans.

Larger amounts can cause radiation sickness and death. Safe disposal of these wastes is one of the problems involved in nuclear power production. The wastes are carefully managed by incorporating them in inert solid matrices and placing them in canisters which are kept under cooling till the radioactivity comes to desired level. Finally, the canisters are stored in suitable geological media. However, the problem is not entirely resolved.

Effects of a Nuclear Explosion:

The effects that a nuclear explosion has on people, buildings, and the environment can vary greatly, depending on a number of factors. These factors include weather, terrain, the point of explosion in relation to the earth's surface, and the weapon's yield.

The weapon's explosion would produce four basic effects:

(i) Blast Wave:

The explosion begins with the formation of a fireball, which consists of a cloud of dust and of extremely hot gases under very high pressure. A fraction of a second after the explosion, the gases begin to expand and form a blast wave, also called a shock wave.

The blast wave and wind probably would kill the majority of people within 5 kilometers of ground zero and some of the people between 5 and 10 kilometers from ground zero. Many other people within 10 kilometers of groupd zero would be injured.

(ii) Thermal radiation:

This consists of ultraviolet, visible, and infrared radiation given off by the fireball. The ultraviolet radiation is rapidly absorbed by particles in the air, and so it does little harm. However, the visible and infrared radiation can cause eye injuries as well as skin burns called flash burns.

Between 20 and 30 per cent of the deaths of Hiroshima and Nagasaki resulted from flash burns. Thermal radiation also can ignite such highly flammable materials as newspapers and dry leaves. The burning of these materials can lead to large fires.

(iii) Initial nuclear radiation:

This is given off within the first minute after the explosion. 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.

Środki ostrożności:

Główne zagrożenia związane z produkcją energii jądrowej wynikają z dużej ilości materiału radioaktywnego wytwarzanego przez reaktor. Materiały te wydzielają promieniowanie w postaci promieni alfa, beta i gamma. W związku z tym miejsca dla elektrowni jądrowych są wybierane z uwzględnieniem parametrów bezpieczeństwa. Instalacje są zaprojektowane do bezpiecznej pracy poprzez szereg środków ochronnych. Uznając możliwości ludzkiego błędu, wadliwe działanie urządzeń i ekstremalne zjawiska naturalne, rośliny zostały zaprojektowane na koncepcji "obrony w głębi"

Zbiornik reaktora otoczony jest grubymi betonowymi blokami zwanymi tarczami, które normalnie uniemożliwiają ucieczkę prawie całego promieniowania.

W krajach z energią jądrową przepisy ograniczają ilość promieniowania dozwolonego z elektrowni jądrowych. Każda roślina ma instrumenty, które stale mierzą radioaktywność w i wokół rośliny. Automatycznie uruchamiają alarm, jeśli radioaktywność wzrośnie powyżej określonego poziomu. Jeśli to konieczne, reaktor jest wyłączony.

Rutynowe środki bezpieczeństwa zakładu znacznie zmniejszają możliwość poważnego wypadku. Niemniej jednak, każdy zakład ma awaryjne systemy bezpieczeństwa. Możliwe sytuacje awaryjne sięgają od pęknięcia rury wodnej reaktora do wycieku promieniowania z naczynia reaktora. Wszelkie takie awarie automatycznie aktywują system, który natychmiast wyłącza reaktor, proces zwany scramming. Scramming zwykle odbywa się poprzez szybkie wprowadzenie prętów kontrolnych do rdzenia.

Przeciek lub pęknięcie rury wodnej reaktora może mieć poważne konsekwencje, jeśli spowoduje to utratę płynu chłodzącego. Nawet po wyłączeniu reaktora, materiały radioaktywne pozostające w rdzeniu reaktora mogą stać się tak gorące bez wystarczającej ilości chłodziwa, aby rdzeń stopił się. Ten stan, zwany stopieniem, może spowodować uwolnienie niebezpiecznych ilości promieniowania.

W większości przypadków duża struktura bezpieczeństwa, w której znajduje się reaktor, uniemożliwiłaby ucieczkę radioaktywności do atmosfery. Istnieje jednak niewielkie prawdopodobieństwo, że stopiony rdzeń może stać się wystarczająco gorący, aby wypalić podłogę konstrukcji zabezpieczającej i wejść w głąb ziemi.

Inżynierowie jądrowi nazywają ten rodzaj sytuacji "syndromem chińskim". Aby zapobiec takiemu wypadkowi, wszystkie reaktory są wyposażone w awaryjny system chłodzenia rdzenia, który automatycznie zalewa rdzeń wodą w przypadku utraty chłodziwa.

Dawki promieniowania zewnętrznego odbierane przez pracowników w miejscu pracy z całego kraju są monitorowane co miesiąc. Usługa monitorowania filmu jest świadczona osobom pracującym w instytucjach medycznych, przemysłowych i badawczych. Termo-luminescencyjny system monitorowania dozymetrii i szybki monitoring neutronów są świadczone osobom pracującym w reaktorach, zakładach przeróbki paliwa i akceleratorach.

Międzynarodowa Komisja ds. Ochrony Radiologicznej (ICRP) zaleciła pracownikom zajmującym się promieniowaniem skuteczne ograniczenie dawki wynoszące 20 MSV na rok uśrednione w ciągu pięciu lat, z dalszym warunkiem, że skuteczna dawka nie powinna przekraczać 50 MSV w ciągu jednego roku.

IAEA klasyfikuje zdarzenia w Międzynarodowej Skali Nuklearnej - w skali od 0 do 7 w zależności od ciężkości. Wydarzenia, które można nazwać "wypadkami" na poziomie 4 i wyższym, zdarzały się na Zachodzie (na Czarnobylu było 7, ogień na Narorze był na poziomie 3). Co więcej, kompleksy broni mają o wiele większy stopień problemów związanych z bezpieczeństwem.