Kernevidenskabens radioaktivitet: Energi, radioisotoper, anvendelser og sikkerhedsforanstaltninger
Læs denne artikel for at lære om energi, radioisotoper, anvendelser, sikkerhedsforanstaltninger og radioaktivitet i nuklear videnskab!
"Nukleær" betyder noget, der vedrører opbygningen eller opførelsen af atomer og atomkernerne.
Image Courtesy: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/ALSEP_Apollo_14_RTG.jpg
Kernevidenskab og teknologi er et avanceret studieområde, en del af hi-tech-scenariet, hvor den energi, der frigives af atomkernerne, når de gennemgår visse ændringer, ikke kun er brugt som en kilde til elektricitet, men har anvendelser inden for landbrug, industri og medicin.
Radioaktivitet:
Almindelig hydrogen har en proton og ingen neutroner, så den har masse nummer 1. Tungt hydrogen eller deuterium har masse nummer 2, fordi det har en proton og en neutron.
En radioaktiv form for hydrogen, tritium, har masse nummer 3. Den har en proton og to neutroner. Almindelig hydrogen, deuterium og tritium er isotoper af hydrogen. Alle isotoper af et element har de samme kemiske egenskaber. Urankernen har 92 protoner.
Den mest rigelige isotop af uran har 146 neutroner. Dets massetal er derfor 238 (summen 92 og 146). Forskere kalder denne isotop uran 238 eller U-238. Den uran isotop, at næsten alle atomreaktorer bruger brændstof som 143 neutroner, og så er masseantalet 235. Denne isotop kaldes uran 235 eller U-235.
En nuklear reaktion indebærer ændringer i strukturen af en kerne. Som følge af sådanne ændringer vinder eller taber kernen en eller flere neutroner eller protoner. Det ændrer sig således til kernen i en anden isotop eller et element. Hvis kernen ændres til kernen i et andet element, kaldes forandringen transmutation.
Radioaktivitet er den proces, hvormed atomer udsender stråling, eller atompartikler og stråler af høj energi, fra deres kerner (kerner). Af mere end 2.300 forskellige slags kendte atomer er mere end 2.000 radioaktive. Kun omkring 50 radioaktive typer findes i naturen. Forskere gør resten kunstigt.
Antoine Henri Becquerel fra Frankrig opdagede naturlig radioaktivitet i 1896. Han fandt ud af, at uranforbindelser udsendte stråling, der ramte en fotografisk plade, selv når de blev pakket i sort papir de ioniserede også en gas. Snart bagefter opdagede Marie Curie et endnu stærkere radioaktivt stof, nemlig radium.
Hvert element med et atomnummer større end bly (82) er radioaktivt. Kernerne i nogle af disse elementer kan falde ved at splitte i to: dette er spontan fission.
Naturlig radioaktivitet forekommer også i ni af de lettere elementer. Af disse er de vigtigste 14 6 C (kulstof) og 40 19 K (Kalium). Isotopen blev sandsynligvis dannet, da jorden blev skabt.
Dens nuværende eksistens skyldes den lange halveringstid på 1, 25 x 10 9 år; selvom det kun udgør 0, 01% af naturligt kalium, gør dets tilstedeværelse levende væv væsentligt radioaktivt. Det kan forfaldne enten ved b-emission eller elektronfangst. Det produceres kontinuerligt fra neutronernes virkning i kosmiske stråler på atmosfærisk nitrogen ved en nuklear reaktion.
Af de syvende rækkeelementer er kun fem runde i naturen; radium, actinium, thorium, protactinium og uran.
Emission af stråling:
Forskellige former for stråling stammer fra kernerne af radioaktive atomer. Der er tre former for radioaktiv stråling: alfa partikler, som først blev identificeret af Becquerel; beta stråler; identificeret af Ernest Rutherford fra New Zealand; og gamma stråler, identificeret af Marie og Pierre Curie fra Frankrig. Emission af alfa- eller beta-stråler forårsager transmutation, men gamma-stråling resulterer ikke i transformation.
Alpha partikler har en positiv elektrisk ladning. De består af to protoner og to neutroner, og er identiske med kernerne i heliumatomer. Alfa partikler udsendes med høje energier, men mister energi hurtigt, når de passerer gennem materiale. Disse stoppes af et tykt ark papir; i luften har de en række få centimeter, som efterhånden bringes til hvile ved kollisioner med luftmolekyler.
De forårsager intens ionisering i en gas (ved at tiltrække elektroner ud af deres molekyler) og afbøjes af elektriske og meget stærke magnetfelter. Alle alfa-partikler udgivet af et bestemt radioaktivt stof har samme hastighed, omkring en-tyvende af lysets hastighed. Americium udsender kun alfa-partikler.
Alfa-stråling forekommer i 238 U, en isotop af uran. Efter at have miste en alfapartikel har kernen 90 protoner og 144 neutroner. Atomet med atomnummer 90 er ikke længere uran, men thorium. Den dannede isotop er 234 90 Th.
Betastråler er elektroner. Nogle radioaktive kerner udsender almindelige elektroner, som har negative elektriske ladninger. Men andre udsender positroner, eller positivt ladede elektroner. For eksempel afgiver en isotop af carbon, 14 6 C, negative elektroner. Carbon 14 har otte neutroner og seks protoner.
Når dens kerne omdannes, ændres en neutron til en proton, en elektron og en antineutrino. Efter emission af elektronen og antineutrino indeholder kernen syv protoner og syv neutroner. Dets massetal forbliver den samme, men atomnummer 7 er nitrogen. Således ændrer 14 6 C til 14 7 N efter emission af en negativ beta-partikel.
En carbonisotop, 11 6 C, udsender positroner. Carbon 11 har seks protoner og fem neutroner. Når det udsender en positron, ændres en proton til en neutron, en positron og neutrino. Efter emission af positron og neutrino indeholder kernen fem protoner og seks neutroner. Massetallet forbliver det samme, men atomnummeret falder med en.
Elementet af atomnummer 5 er bor. Således ændrer 11 6 C til 11 5 B efter emission af en positron og en neutrino. Strontium udsender kun beta partikler. Beta partikler rejser med næsten lysets hastighed. Nogle kan trænge ind i 13 millimeter træ.
Gamma-stråling kan forekomme på flere måder. I en proces bærer alfa- eller beta-partiklen, der udledes af en kerne, ikke al den tilgængelige energi. Efter emission har kernen mere energi end i sin mest stabile tilstand. Det løser sig selv af overskuddet ved at udsende gammastråler. Gamma stråler har ingen elektrisk ladning. De ligner røntgenstråler, men de har normalt en kortere bølgelængde.
Hvor røntgenstråler skyldes energiforandringer uden for atomkerner, ligesom alle former for elektromagnetisk stråling, gamma-stråler, som alfa- og beta-partikler, kommer fra indvendige atomkerner. Disse stråler er fotoner (partikler af elektromagnetisk stråling) og rejser med lysets hastighed. De er meget mere gennemtrængende end alfa- og beta-partikler.
Radium udsender alfa-, beta- og gammastråler. Cobalt er en ren gamma kilde.
Radioaktivt forfald og halveringstid:
Radioaktivt henfald er den proces, hvormed en kernen spontant (naturligt) ændrer sig til kernen i en anden isotop eller et element. Processen frigiver energi primært i form af nuklear stråling. Forfaldsprocessen sker selvstændigt og kan ikke styres; det er upåvirket af temperaturændringer og forekommer, om materialet er rent eller kombineret kemisk med andre elementer.
Uran, thorium og flere andre naturlige elementer forfalder spontant og så tilføjer den naturlige eller baggrundsstråling, der altid er til stede på jorden. Nukleare reaktorer producerer radioaktivt henfald kunstigt. Kernestråling tegner sig for ca. 10 pct. Af den energi, der produceres i en atomreaktor.
Forskere måler radioaktivt henfald i tidsenheder, der kaldes halveringstider. En halveringstid svarer til den tid, der kræves for halvdelen af atomer af et bestemt radioaktivt element eller isotop at henfalde til et andet element eller isotop.
Antallet af partikler udgivet i en given tidsperiode af en prøve af en radioisotop (radioaktiv isotop) svarer til en bestemt procentdel af antallet af atomer i prøven. For eksempel i hver prøve på 11 C bryder 3, 5 procent af atomerne ned hvert minut. I slutningen af et minut vil kun 96, 5 procent af prøven forblive.
I slutningen af et andet minut forbliver kun 96, 5 procent af de tidligere 96, 5 procent eller 93, 1 procent af det oprindelige beløb. Ved slutningen af 20 minutter forbliver kun halvdelen af den oprindelige mængde. Dette viser, at halveringstiden på 11 C er 20 minutter. Dette dør væk fra et stof kaldes radioaktivt henfald eller atomdannelse.
Forskellige radio-isotoper har forskellige halveringstider. De kan variere fra fraktioner af et sekund til milliarder af år. Med nogle få undtagelser er den eneste radioisotop, der findes i naturen i påviselige mængder, de med halveringstider på mange millioner eller endog milliarder år. Forskere mener, at når de elementer der dannede jorden blev dannet, var alle mulige isotoper til stede.
Generelt har de med korte halveringstider forfaldet til uopdageligt små mængder. Men nogle naturligt forekommende kortvarige radioisotoper er dannet af forfaldet af langlivet radioisotop. For eksempel er thorium-234, som har en kort levetid, fremstillet af uran, som har en lang halveringstid.
Hundredvis af kortvarige radioisotoper fremstilles kunstigt ved at bombardere kerner med neutroner og andre hurtige nukleare partikler i atomreaktorer. Når en neutron eller en anden partikel rammer en atoms kerne, vil kernen sandsynligvis opfange den. I nogle tilfælde fanger en kerne en partikel og giver øjeblikkeligt nogle af sine egne partikler.
Atomenergi:
Kernenergi er energi stammer fra nukleare reaktioner enten ved fission af tunge kerner i lysere eller ved fusion af lette kerner til tungere. I principper er bindingsenergien af et system af partikler, der danner en atomkern, nuklear energi.
Det skyldes ændringer i kernerne af atomer. Forskere og ingeniører har fundet mange anvendelser til denne energi, især i produktion af elektricitet. Men de har endnu ikke evnen til at udnytte kernekraften fuldt ud. Hvis atomkraft var fuldt udviklet, kunne den forsyne hele verdens elektricitet i millioner af år.
En kerne udgør det meste af hvert atoms masse, og denne kerne holdes sammen af en ekstremt stærk kraft. En stor mængde energi er koncentreret i kernen på grund af denne kraft.
Forskere udgav første gang atomkraft i stor skala ved University of Chicago i 1942, tre år efter Anden Verdenskrig begyndte. Denne præstation førte til udviklingen af atombomben. Siden 1945 er atomkraft blevet sat til fredelige anvendelser som elproduktion.
Einstein påpegede, at hvis en kropps energi ændres med en mængde E, ændres dens masse med en mængde m givet af ligningen E = mc 2 . Implikationen er, at enhver reaktion, hvor der er et fald i masse, kaldet en massefejl, er en energikilde.
Energi- og masseændringer i fysiske og kemiske forandringer er meget små; dem i nogle nukleare reaktioner, såsom radioaktivt henfald, er millioner gange større. Summen af masserne af produkterne af en nuklear reaktion er mindre end summen af masserne af de omsættende partikler. Denne tabte masse omdannes til energi.
Nuklear fission:
Kernefission er den proces, hvorved en atomkern bryder op i to eller flere store fragmenter med emission af to eller tre neutroner. Det ledsages af frigivelse af energi i form af gammastråling og den kinetiske energi af de emitterede partikler.
Fission forekommer spontant i kerner af uran-235, det vigtigste brændstof, der anvendes i atomreaktorer. Processen kan imidlertid også induceres ved at bombardere kerner med neutroner, fordi en kerne, der har absorberet en neutron, bliver ustabil og splitter hurtigt.
Massefelten er stor og fremstår for det meste som ke af fissionsfragmenterne. Disse flyver fra hinanden med stor hastighed, kolliderer med omgivende atomer og hæver deres gennemsnitlige ke, det vil sige deres temperatur. Varme produceres derfor.
Hvis fissionsnutronerne splitter andre uran-235-kerner, etableres en kædereaktion. I praksis taber nogle fissionsnutroner ved at flygte fra overfladen af uranet, før dette sker. Forholdet mellem dem, der undgår dem, der forårsager fission, falder, da massen af uran-235 stiger.
Dette skal overstige en bestemt kritisk masse for at en kædereaktion skal starte. Kritisk masse er således den mindste masse af fissilt materiale, der kan gennemgå en kontinuerlig kædereaktion. Over den kritiske masse kan reaktionen accelerere til en nuklear eksplosion, hvis den ikke kontrolleres.
U-238-isotopen ville danne et ideelt atomreaktorbrændstof, fordi det er rigeligt i naturen. Men U-238-kerne absorberer normalt frie neutroner uden fission. En absorberet neutron bliver simpelthen en del af kernen. Den knappe uranisotop U-235 er det eneste naturlige materiale, som atomreaktorer kan bruge til at producere en kædereaktion. Uran med en rigelig mængde U-235 kaldes beriget uran.
Nuclear Reactor:
En atomreaktor er den centrale komponent i et atomkraftværk, der genererer nuklear energi under kontrollerede betingelser til brug som en kilde til elektrisk kraft.
Kraftreaktorer består generelt af tre hoveddele. De er (1) reaktoren eller trykket, fartøjet; (2) kernen; og (3) styrestænger.
Reaktorbeholderen holder de andre reaktordele. Den er installeret i nærheden af reaktorbygningens bund. Skibet har stålvægge mindst 15 centimeter tykt. Stålrør fører ind og ud af beholderen for at transportere vand og damp.
Kernen indeholder nukleart brændsel, og så er reaktorens del, hvor der sker fission. Kernen er nær bunden af reaktorbeholderen. Den består hovedsageligt af det nukleare brændsel, der holdes på plads mellem en øvre og en nedre støtteplade.
Kontrolstænger er lange metalstænger, der indeholder sådanne elementer som bor eller cadmium. Disse elementer absorberer frie neutroner og hjælper således med at styre en kædereaktion. Kontrolstavene indsættes i kernen eller trækkes for at bremse eller fremskynde en kædereaktion.
Moderatorer og kølemidler:
Reaktoroperationer afhænger også af stoffer, der kaldes moderatorer og kølemidler. En moderator er et stof, såsom vand eller kulstof, der bremser neutroner, der passerer gennem det. Reaktorer kræver en moderator, fordi neutronerne frigivet ved fission er hurtige neutroner. Men langsomme neutroner er nødvendige for at forårsage en kædereaktion i blandingen af U-238 og U-235, som reaktorer bruger som brændstof.
Et kølevæske er et stof, såsom vand eller kuldioxid, der udfører varme godt, men absorberer ikke let neutroner nemt. Kølevæsken bærer varme fra kædereaktionen. Ved at gøre det tjener både kølevæsken for at forhindre reaktorkernen i at smelte og til at producere damp.
Mange kraftreaktorer er lette vandreaktorer, som bruger lys (almindeligt) vand som både moderator og kølevæske. Tungtvandsreaktorer bruger deuteriumoxid eller tungt vand som både moderator og kølevæske. Graphite er en anden moderator. Indiske reaktorer (undtagen den i Tarapur) bruger tungt vand.
Brændstofforberedelse:
Det uran, der anvendes i reaktorer med let vand, skal beriges - det vil sige, at procentdelen af U-235 skal øges. Gratis neutroner har så bedre chance for at slå en U-235-kerne.
Dampproduktion:
Reaktoren opnår kritik, når en kædereaktion i brændstoffet er blevet induceret til i gennemsnit at tilvejebringe en reaktion for hver fissionsreaktion.
Lysvandsreaktoren er af to hovedtyper. En type, den tryksatte vandreaktor producerer damp uden for reaktorbeholderen. Den anden type kogende vandreaktor gør damp inde i karret.
De fleste atomkraftværker bruger trykvandsreaktorer. Disse reaktorer opvarmer moderatorvandet i kernen under ekstremt højt tryk. Trykket tillader vandet at varme forbi sin normale kogepunkt på 100 ° C uden faktisk kogning. Kædereaktionen opvarmer vandet til ca. 320 ° C. Rør bære denne ekstremt varme, men ikke kogende, vand til dampgeneratorer uden for reaktorerne. Varme fra det tryksatte vand koger vand i dampgeneratoren og producerer så damp.
I en kogende vandreaktor koger kædereaktionen moderatorvandet i kernen. Rør bære dampen produceret fra reaktoren til plantens turbiner.
I Indien er standardreaktortypen den trykte tunge vandreaktor.
Brændstængerne skal fjernes og oparbejdes fra tid til anden for at adskille radioaktive affaldsprodukter og små mængder plutonium-239 fra ubrugt uran. Plutonium-239 fremstilles i reaktoren, når uran-238 absorberer hurtige fissionsnutroner; ligesom uran-235, det gennemgår fission og bruges i hurtigopdrætterreaktorer og til at fremstille atomvåben.
Eksperimentelle opdrætterreaktorer:
Den vigtigste type eksperimentelle opdrætter bruger den rigelige uranisotop-U-238 som sin grundlæggende brændstof. Reaktoren ændrer U-238 i isotopplutonium 239 (Pu-239) ved radioaktivt henfald. Som U-235 kan Pu-239 skabe en kædereaktion og kan således bruges til energiproduktion.
En anden opdrætter bruger det naturlige element thorium som sin grundlæggende brændstof. Det ændrer thorium i isotopen U-233, som også kan producere en kædereaktion. Indien har udviklet en eksperimentel opdrætterreaktor i Kalpakkam, Chennai, der anvender blandet carbidbrændstof og natrium som kølemiddel.
Kernefusion:
Kernefusion opstår, når to lette kerner fusionerer (kombinerer) og danner en kerne af et tungere element. Fusionsprodukterne vejer mindre end de kombinerede vægte af de oprindelige kerner. Det tabte materie er derfor blevet ændret til energi. Fusionsreaktioner, der producerer store mængder energi, kan kun skabes ved hjælp af ekstremt intens varme. Sådanne reaktioner kaldes termokernereaktioner. Termonukleære reaktioner producerer energien fra både solen og brintbomben.
En termokernereaktion kan kun forekomme i plasma, en særlig form for materiale, der har fri elektroner og frie kerner. Normalt afviser kerne hinanden.
Men hvis en plasma indeholdende lette atomkerner opvarmes mange millioner grader, begynder kernerne at bevæge sig så hurtigt, at de bryder hinandens elektriske barrierer og sikringer.
Problemer med at kontrollere fusion:
Forskere har endnu ikke haft succes med at udnytte fusionsenergien til at producere magt. I deres fusionsforsøg arbejder forskere generelt med plasmaer, der er fremstillet af en eller to isotoper af hydrogen. Deuterium betragtes som et ideelt termokernbrændstof, fordi det kan opnås fra almindeligt vand. En given vægt af deuterium kan levere ca. fire gange så meget energi som den samme vægt af uran.
For at producere en kontrolleret termokernreaktion skal et plasma af deuterium eller tritium eller af begge isotoper opvarmes mange millioner grader. Bui videnskabsmænd har endnu ikke udviklet en beholder end kan holde superhot plasma.
De fleste eksperimentelle fusionsreaktorer er designet til at indeholde superhot-plasma i "magnetiske flasker", snoet i forskellige spoleformede former. Flaskerne er lavet af kobber eller andet metal. Væggene er omgivet af en magnet.
En elektrisk strøm passerer gennem magneten og skaber et magnetfelt på indersiden af væggene. Magnetismen skubber plasmaet væk fra væggene og mod midten af hver spole. Denne teknik kaldes magnetisk indeslutning Alle fusionsenhederne hidtil udviklet; Brug dog meget mere energi, end de skaber.
Den mest succesrige fusionsreaktor, kaldet tokamak, blev oprindeligt designet af russiske forskere. Tokamak betyder stærk strøm på russisk. Som andre eksperimentelle fusionsreaktorer bruger et tokamak et magnetfelt til at skubbe plasma væk fra dets indeholdende vægge. Det passerer også en stærk strøm gennem plasmaet. Strømmen virker med magnetfeltet for at hjælpe med at begrænse plasmaet. Indien har udviklet en tokamak Aditya til forskningsformål ved Institut for Plasmaforskning, Ahmedabad.
En anden eksperimentel metode til at opnå fusion bruger stråler af laser til at komprimere og opvarme små pellets af frosset deuterium og tritium. Denne proces skaber miniatyr termokerneksponeringer, der frigør energi, før pellets når de indeholdende vægge. Men alle eksperimenter med denne metode har endnu ikke produceret brugbare mængder energi.
Atom våben:
Kernevåben kan være af fissionstypen (atomvåben) eller fusionstypen (termonukleære eller brintvåben).
Fission våben får deres destruktive kraft fra splittelsen af atomkerner. Kun tre slags atomer er kendt for at være egnet til fission i sådanne våben. Disse atomer er af uran (U) isotoperne U-235 og U-238 og af plutonium (Pu) isotopen, Pu-239. En accelererende ukontrolleret kædereaktion opstår, når for eksempel to stykker U-235 kommer sammen og overstiger den kritiske masse.
Termonukleære våben får deres kraft fra fusion atomkernerne under intens varme. Kernerne fusioneret i termonukleære våben er af hydrogenisotoperne, deuterium og tritium. Fusionsreaktioner kræver temperaturer, der svarer til eller større end dem, der findes i solens kerne.
Den eneste praktiske måde at opnå en sådan temperatur på ved hjælp af en fission eksplosion. Således udløses termonukleære eksplosioner af en fissionindretning af implosionstypen. (I implosionsmetoden gøres en subkritisk masse superkritisk ved at komprimere den til et mindre volumen.)
De første atomvåben var to fissionsbomber, der blev brugt af USA under anden verdenskrig (1939-1945). I krigen faldt man på hver af japanske byer Hiroshima og Nagasaki.
Nukleare eksplosive anordninger kan have en lang række udbytter. Nogle ældre bomber havde udbytter på omkring 20 megatoner, eller 1.540 Hiroshima-bomber. En megaton er mængden af energi frigivet af 907.000 tons TNT. På grund af den højere nøjagtighed af missiler har de fleste nukleare enheder i dag mindre end 1 megaton.
radioisotoper:
Forskellige former for stråling stammer fra kernerne af radioaktive atomer. Der er tre former for radioaktiv stråling: alfa partikler, som først blev identificeret af Becquerel; beta stråler, identificeret af Ernest Rutherford; og gamma stråler, identificeret af Marie og Pierre Curie. Emission af alfa- eller beta-stråler forårsager transmutation, men gamma-stråling resulterer ikke i transformation.
Et element kan ændres til et andet kunstigt. Al kunstig radioisotop fremstilles ved at gøre stabile isotoper radioaktive, dvs. ustabile, deres kerne brydes fra hinanden for at frigive små partikler og energi (radioaktivitet). Hvert element med atomnummer større end bly (82) er radioaktivt.
Kunstige radioisotoper kan fremstilles ved bombardiering af atomer med partikler og stråler udsendt af radioaktive elementer i en atomreaktor. De kan også fremstilles ved at ødelægge atomer i partikelacceleratorer, såsom cyclotronen. At radioaktive materialer kan detekteres ved deres stråling gør dem nyttige på mange områder.
Radioaktive isotoper anvendes effektivt som sporstoffer til diagnostiske formål i medicin. Arsen-74 bruges til at detektere tumorer. Natrium-24 anvendes til at detektere blodpropper i kredsløbssystemet. Iod-131 (1-131) bruges til at bestemme aktivitet af skjoldbruskkirtlen. Cobalt-60 anvendes til behandling af kræft; Også i brug er iridium-192 og cæsium-137.
Produktionen af radioisotoper i Indien begyndte i 1956 med ibrugtagningen af forskningsreaktoren Apsara i Trombay. Radioisotopproduktionskapaciteten blev forstærket i 1963, da 40MWt Cirus blev operationelt hos Trombay. I 1985, hvor Dhruva blev opereret af BARC, kom Indien frem til en stor producent af bredt spektrum af radioisotoper.
Forskningsreaktorerne ved Trombay producerer en række radioisotoper til forskellige anvendelser. Effektreaktorer er også udstyret til at producere kobolt-60 radioisotop.
Den variable energyclotron ved VECC anvendes også til fremstilling af radioisotoper, som behandles til medicinske anvendelser. Stråling og radioisotopbaserede produkter og tjenester, der tilbydes af DAE via BARC og BRIT, omfatter radiokilder og udstyr til industriel radiografi; radiotracer teknologier i lækage detektion, silt bevægelse og applikationer inden for hydrologi; strålingsbehandling, strålingspolymerisering, jord-saltholdighed og andre.
BRIT har fået overdraget ansvaret for at behandle en række radioisotoper og deres afledte produkter og levering af industriel radiografisk udstyr og gamma bestrålingsudstyr til applikationer af denne teknologi.
BARC's Radiation Medicine Center (RMC) i Mumbai, et førende center i landet inden for radiodiagnostik og radioterapi, er et regionalt henvisningscenter for Verdenssundhedsorganisationen (WHO) for Sydøstasien.
Centrets aktiviteter dækker områderne nuklearmedicin og allierede tjenester, klinisk diagnose og behandling, intern udvikling af radioaktive lægemidler, RIA-teknologi til skjoldbruskkirtelhormoner og tuberkulært antigen og antistoffer mv.
Radioisotoper til medicinske applikationer fremstilles også ved anvendelse af den variable energiklotron i Kolkata. Det regionale strålemedicincenter (RRMC) opfylder kravene til radiodiagnostik og strålebehandling i den østlige del af landet. CAT hos Indore har udviklet lasere til medicinske applikationer.
I Indien har stråling været i brug i årtier til sterilisering af medicinske produkter. Et kommercielt strålingssteriliseringsanlæg (ISOMED) hos Trombay leverer steriliseringstjenester til medicinsk industri. Et stort radiofarmaceutisk laboratorium med navnet ISOPHARM er oprettet ved Vashi, Mumbai.
Planter svarende til Isomed har arbejdet i Bengaluru, New Delhi og Jodhpur. BRIT har til brug i blodbanker og hospitaler udviklet et udstyr til blodbestråling, som er en vigtig import-erstatning.
Anvendelser af radioisotoper:
I industrien Gamma stråler kan bruges til at undersøge metalliske støbegods eller svejsninger i olierørledninger til svage punkter. Strålerne passerer gennem metallet og mørker en fotografisk film på steder overfor de svage pletter. Fabrikanter kan placere en radioisotop, der udsender beta partikler over et ark materiale.
En beta-partikel detektor på den anden side måler styrken af de strålinger, der kommer igennem. Hvis arktykkelsen stiger, når færre partikler detektoren. Detektoren kan styre ruller og holde arket på ønskede tykkelser. Gamma-stråling kan anvendes i skadedyrsbekæmpelse, især indankringsforretninger. Bestrålet mad har en længere holdbarhed.
I forskere bruger radioisotoper som sporstoffer til at bestemme, hvordan kemikalier virker i planter og dyrs krop. Alle isotoper af et element er kemisk ens, så radioisotopen kan anvendes på samme måde som de almindelige isotoper.
For at spore fosforforløbet i en plante kan en botaniker blande radioaktivt fosfor med det almindelige fosfor. For at lære, når fosfor når et blad, kan han placere en Geiger-tæller, som registrerer radioaktivitet på bladet. For at finde, hvor fosforet indgiver sig i bladet, kan han placere bladet på en fotografisk plade. I den udviklede plade, der kaldes en autoradiograf, viser de mørkede regioner placeringen af radioisotop.
I medicin:
Anvendelsen af radioisotoper er en del af en specialitet kaldet nuklearmedicin. Den primære brug af radioisotoper er at studere funktionen af forskellige organer. For at opnå dette administrerer en læge en radioisotop, der er fastgjort til et bærersubstans. Bærestofet akkumuleres i det organ, som lægen ønsker at studere.
For eksempel, hvis lægen ønsker at studere en patients nyrefunktion, vil en radioisotop knyttes til et bærestof, der akkumuleres i nyrerne. Når radioisotop brydes ned, udsender det gammastråler. Nogle af strålerne hentes af en enhed, der hedder en scanner. Lægen læser billedet på scanneren for at afgøre, om nyrerne virker korrekt.
Radioisotoper bruges også til at behandle kræft. Stråling i store doser ødelægger levende væv, især celler, der gennemgår division. Fordi kræftceller opdeles hyppigere end normale celler, dræber stråling flere kræftceller end normale. En læge kan udnytte denne kendsgerning ved at administrere en radioisotop, som akkumuleres i et kræftorgan.
For eksempel kan en radioisotop af jod, 1-131, anvendes til at behandle kræft i skjoldbruskkirtlen, fordi denne kirtel akkumulerer iod. Som det radioaktive jod forvandler, afgiver det stråling, der dræber kræftcellerne. Cobalt-60 anvendes også til behandling af kræft. Arsen-74 anvendes til detektion af tumorer. Blodpropper i kredsløbssystemet er placeret ved natrium-24.
I Landbrug:
Radioisotoper er blevet brugt til at fremme naturlig genetisk mutation i planter for at fremskynde avl, eller at udvikle planter med nye egenskaber. Effektiviteten af gødning kan også undersøges med radioisotoper. BARC har et program til udvikling og produktion af fosfor-32-mærkede biomolekyler til støtte for forskning inden for genteknologi, enzymteknologi og energirelaterede områder.
Isotoper bruges til at studere grundvands genopladning, sømiljøer i dæmninger og kanal systemer, havvand indbrud i kystnære vandfodre.
Radioaktive dating:
Radiocarbon dating er en proces, der bruges til at bestemme alderen af en gammel genstand ved at måle dens radioaktive indhold. Denne teknik blev udviklet i slutningen af 1940'erne af Willard F. Libby, en amerikansk kemiker.
Radiocarbonatomer, som alle radioaktive stoffer, forfalder med en præcis og ensartet hastighed. Halvdelen af radioaktivt kulstof forsvinder efter ca. 5.700 år. Derfor har radiokarbon en halveringstid på denne tidsperiode.
Efter ca. 11.400 år forbliver en fjerdedel af den oprindelige mængde radio-carbon. Efter endnu 5.700 år er der kun en ottende tilbage, og så videre.
Radiokarbonen i en levende organisms væv falder ekstremt langsomt, men den fornyes kontinuerligt så længe organismen lever. Når organismen dør, tager den ikke længere luft eller mad, og det absorberer ikke længere radiokarbon. Den radiokarbon, der allerede er i væv, fortsætter med at falde med en konstant hastighed. Denne stabile henfald med en kendt hastighed - en halveringstid på ca. 5.700 år - gør det muligt for forskere at bestemme en objekts alder.
Når forskere måler en objekts radioaktive indhold, sammenligner de det med radiokarbon i træringer, hvis alder er kendt. Denne teknik gør det muligt for dem at kompensere for små variationer af radioaktivt indhold i atmosfæren på forskellige tidspunkter tidligere. Ved at gøre det, kan forskere konvertere en objekts radiokarbonalder til en mere præcis dato.
Radioisotoper med meget lange halveringstider bruges til datering af rockprøver, såsom uran-238. Uran-235, som bliver bly 207; thorium 232, som bliver bly 208; rubidium 87, som ændres til strontium 87; og kalium 40, som ændres til argon 40, er radioisotop, som kan bruges til at beregne alderen af sten.
Nukleare farer og sikkerhedsproblemer:
For nylig har der været meget frygt for de farer, der er forbundet med atomkraftværker - frygt for strålingsfare, bortskaffelse af affald, katastrofale ulykker. Mens nogle af farerne er reelle, påpeger nukleare forskere, at mange af dem ikke er baseret på videnskabelige fakta og upartisk observation.
Strålingsfare:
Der er ingen tvivl om, at stråling forårsager skade på levende celler - men det afhænger af intensiteten af stråling og eksponeringstidspunktet. Når et atom af en kompleks organisk celle udsættes for stråling, finder ionisering sted, og molekylerne desintegrerer, hvilket påvirker det biologiske system til tider og ødelægger til tider endda cellen.
Selvom høje doser er dødelige, kan lave doser have kumulativ effekt og forårsage kræft, især hud og leukæmi. Det kan påvirke lymfevæv, nervesystemet og reproduktive organer. Dødelige bivirkninger finder dog sted efter betydeligt høje og konstante doser af stråling.
Frigivelsen af radioaktivitet i luft og vand fra reaktorer finder sted, men det holdes godt inden for de grænser, der er fastsat af AERB. Jorden bliver konstant bombarderet af kosmisk stråle nukleare partikler (65 procent af den naturlige stråling, der oplever af et menneske skyldes dette).
Baggrundsstråling fra jordbaserede og udenjordiske kilder er meget højere end stråling fra atomkraftværker. Under disse omstændigheder er strålingseksponeringen fra atomkraftværker en ubetydelig mængde. Frygten for stråling opstår, fordi de fleste mennesker ikke er villige til at tro på noget "sikkert niveau" for strålingseksponering.
Fare for nukleart affald:
Et andet aspekt af nuklear fare er affaldshåndtering. Den generelle teknik til håndtering af radioaktivt affald er at koncentrere og indeholde så meget radioaktivitet som muligt, og udledning til miljøet kan kun udledning af så lavt koncentrationsniveau som muligt.
På indlandsområder som Narora og Rawatbhatta udledes lavt flydende affald i miljøet på et minimumsniveau. På kystområder som Tarapur og Chennai er der en betydelig fortynding i havet. For fast affald anvendes forskellige typer indeslutninger og lokaliseres på steder udvalgt på basis af geologisk og geohydrologisk evaluering.
Klyvningen af U-235 producerer mange radioaktive isotoper, såsom strontium 90, cesium 137 og barium 140. Disse affald forbliver radioaktive og farlige i omkring 600 år på grund af strontium- og cæsiumisotoperne. Hvis disse kommer ind i fødevarer eller vandforsyninger, kan de tages i folks kroppe, hvor de kan forårsage skade.
Kroppen kan f.eks. Ikke skelne mellem radioaktivt strontium og calcium. Plutonium og andre kunstigt skabte elementer i affaldet forbliver radioaktive i tusinder af år. Selv i små mængder kan plutonium forårsage kræft eller genetisk (reproduktiv) skade på mennesker.
Større mængder kan forårsage strålingssygdom og død. Sikker bortskaffelse af dette affald er et af problemerne med atomkraftproduktion. Affaldet håndteres omhyggeligt ved at inkorporere dem i inerte faste matricer og placere dem i beholdere, der holdes under afkøling, indtil radioaktiviteten kommer til det ønskede niveau. Endelig opbevares beholderne i egnede geologiske medier. Problemet er imidlertid ikke helt løst.
Virkninger af en nuklear eksplosion:
De effekter, som en nuklear eksplosion har på mennesker, bygninger og miljø kan variere meget afhængigt af en række faktorer. Disse faktorer omfatter vejr, terræn, eksplosionspunktet i forhold til jordens overflade og våbenets udbytte.
Våbenets eksplosion ville producere fire grundlæggende virkninger:
(i) Blastbølge:
Eksplosionen begynder med dannelsen af en ildkugle, der består af en støvskyde og af meget varme gasser under meget højt tryk. En brøkdel af et sekund efter eksplosionen begynder gassen at ekspandere og danne en blastbølge, også kaldet en stødbølge.
Blastbølgen og vinden sandsynligvis ville dræbe flertallet af mennesker inden for 5 kilometer fra grunden nul og nogle af befolkningen mellem 5 og 10 kilometer fra grunden nul. Mange andre mennesker inden for 10 kilometer fra groupd zero ville blive såret.
(ii) Termisk stråling:
Dette består af ultraviolet, synlig og infrarød stråling udgivet af ildkuglen. Den ultraviolette stråling absorberes hurtigt af partikler i luften, og det gør det lidt beskadiget. Den synlige og infrarøde stråling kan dog forårsage øjenskader såvel som hudforbrændinger, der hedder flashforbrændinger.
Mellem 20 og 30 procent af dødsfaldene i Hiroshima og Nagasaki skyldtes flashforbrændinger. Termisk stråling kan også antænde sådanne meget brandfarlige materialer som aviser og tørre blade. Brændingen af disse materialer kan føre til store brande.
iii) Indledende nuklear stråling:
Dette afgives inden for det første minut efter eksplosionen. Den består af neutroner og gammastråler. Neutronerne og nogle af gammastrålerne udsendes næsten øjeblikkeligt fra ildkuglen. Resten af gammastrålerne afgives af en enorm svampeformet sky af radioaktivt materiale, der dannes af eksplosionen. Nuklear stråling kan forårsage hævelse og ødelæggelse af humane celler og forhindre normalcelleudskiftning.
Store doser af stråling kan forårsage død. Mængden af skade en person vil lide af indledende nuklear stråling afhænger til dels af personens placering i forhold til jordnul. Den indledende stråling falder hurtigt i styrke, da den bevæger sig væk fra jorden nul.
(iv) Resterende nuklear stråling:
Dette kommer senere end et minut efter eksplosionen. Reststråling skabt af fission består af gammastråler og beta partikler. Reststråling produceret ved fusion består primært af neutroner. Det rammer sten, jord, vand og andre materialer, der udgør den svampeformede sky. Som et resultat bliver disse partikler radioaktive. Når partiklerne kommer tilbage til jorden, er de kendt som nedfald. Jo tættere en eksplosion opstår på jordens overflade, desto mere nedbrud producerer den.
Tidlig nedfald består af tungere partikler, der når jorden i de første 24 timer efter eksplosionen. Disse partikler falder for det meste nedadgående fra jordnettet. Tidlig nedfald er meget radioaktiv og vil dræbe eller alvorligt skade levende ting.
Forsinket nedfald når jorden fra 24 timer til et antal år efter eksplosionen. Den består af små, ofte usynlige, partikler, der i sidste ende kan falde i små mængder over store områder af jorden. Forsinket nedfald forårsager kun langvarig strålingsskader på levende ting. Denne skade kan imidlertid være alvorlig for visse individer.
Sikkerhedsforanstaltninger:
De største farer ved kernekraftproduktion skyldes de store mængder radioaktivt materiale, som en reaktor producerer. Disse materialer afgiver stråling i form af alfa-, beta- og gammastråler. Derfor vælges stederne for atomkraftværker med sikkerhedsparametre i tankerne. Planterne er designet til sikker drift gennem en række beskyttelsesforanstaltninger. Ved at erkende mulighederne for menneskelig fejl, udstyrets funktionsfejl og ekstreme naturlige fænomener er planterne designet på begrebet "forsvar-dybtgående"
Et reaktorkar er omgivet af tykke betonblokke kaldet et skjold, som normalt forhindrer næsten al stråling fra at flygte.
I lande med nuklear energi begrænser reglerne mængden af stråling, der er tilladt fra atomkraftværker. Hver plante har instrumenter, som kontinuerligt måler radioaktiviteten i og omkring anlægget. De afbryder automatisk en alarm, hvis radioaktiviteten stiger over et forudbestemt niveau. Om nødvendigt slukkes reaktoren.
En plante rutinemæssige sikkerhedsforanstaltninger mindsker risikoen for alvorlig ulykke meget. Ikke desto mindre har hver plante nødsikkerhedssystemer. Eventuelle nødsituationer spænder fra en pause i et reaktorvandsled til en lækage af stråling fra reaktorbeholderen. En sådan nødstilfælde aktiverer automatisk et system, der øjeblikkeligt lukker reaktoren, en proces kaldet scramming. Scramming udføres sædvanligvis ved hurtig indsættelse af kontrolstængerne i kernen.
En lækage eller brud i et reaktorvandsled kan have alvorlige konsekvenser, hvis det resulterer i tab af kølevæske. Selv efter at en reaktor er lukket ned, kan de radioaktive materialer, der er tilbage i reaktorkernen, blive så varme uden tilstrækkeligt kølemiddel, at kernen vil smelte. Denne tilstand, kaldet en nedbrydning, kan resultere i frigivelse af farlige mængder af stråling.
I de fleste tilfælde vil den store indeslutningsstruktur, der rummer en reaktor, forhindre radioaktiviteten i at komme ud i atmosfæren. Imidlertid er der en lille mulighed for, at den smeltede kerne kan blive varm nok til at brænde gennem gulvet i indeslutningsstrukturen og gå dybt ind i jorden.
Kerneingeniører kalder denne type situation "China Syndrome." For at forhindre en sådan ulykke, er alle reaktorer udstyret med et nødkølesystem, der automatisk oversvømmer kernen med vand i tilfælde af tab af kølevæske.
De eksterne strålingsdoser modtaget af erhvervsmedarbejdere fra hele landet overvåges månedligt. Filmovervågningstjeneste ydes til personer, der arbejder i medicinske, industrielle og forskningsinstitutioner. Termoluminescerende dosimeter overvågningstjeneste og hurtig neutronovervågningstjeneste leveres til de personer, der arbejder i reaktorer, brændstofoparbejdningsanlæg og acceleratorer.
Den Internationale Kommission for Radiologisk Beskyttelse (ICRP) har anbefalet strålingsarbejdere en effektiv dosisgrænse på 20 MSV om året i gennemsnit over fem år med den yderligere bestemmelse om, at den effektive dosis ikke må overstige 50 MSV i et år.
IAEA klassificerer begivenheder på International Nuclear Event Scale-en skala på 0-7 afhængigt af sværhedsgraden. Hændelser, der kan kaldes "ulykker" -niveau 4 og derover på skalaen - har hidtil været sket i Vesten (Tjernobyl var 7 på skalaen, Narora ilden blev sat på niveau 3). Derudover har våbenkomplekser en langt større grad af sikkerhedsrelaterede problemer.
