Ядерная технология - Nuclear technology

Детектор дыма в жилых помещениях - наиболее знакомая часть ядерной технологии для некоторых.

Ядерная технология является технологией , которая включает в себя ядерные реакции из атомных ядер . Среди известных ядерных технологий - ядерные реакторы , ядерная медицина и ядерное оружие . Он также используется, среди прочего, в детекторах дыма и прицелах .

История и научное обоснование

Открытие

Подавляющее большинство обычных природных явлений на Земле связаны только с гравитацией и электромагнетизмом , но не с ядерными реакциями. Это потому, что атомные ядра обычно находятся отдельно, потому что они содержат положительные электрические заряды и поэтому отталкиваются друг от друга.

В 1896 году Анри Беккерель исследовал фосфоресценцию в солях урана, когда он обнаружил новое явление, получившее название радиоактивности . Он, Пьер Кюри и Мария Кюри начали исследовать это явление. При этом они выделили высокорадиоактивный элемент радий . Они обнаружили, что радиоактивные материалы производят интенсивные проникающие лучи трех разных типов, которые они назвали альфа, бета и гамма после первых трех греческих букв . Некоторые из этих видов излучения могут проходить через обычное вещество, и все они могут быть вредными в больших количествах. Все ранние исследователи получили различные радиационные ожоги , похожие на солнечные , и мало об этом задумывались.

Новое явление радиоактивности было подхвачено производителями шарлатанских лекарств (как и открытия электричества и магнетизма ранее), и был предложен ряд патентованных лекарств и методов лечения, связанных с радиоактивностью.

Постепенно стало понятно, что радиация, образующаяся при радиоактивном распаде, является ионизирующим излучением , и что даже количества, слишком малые для сжигания, могут представлять серьезную долговременную опасность . Многие ученые, работавшие над радиоактивностью, умерли от рака в результате их облучения. Патентованные радиоактивные лекарства в основном исчезли, но сохранились другие применения радиоактивных материалов, такие как использование солей радия для производства светящихся циферблатов на счетчиках .

По мере того, как атом стал лучше понимать, природа радиоактивности стала яснее. Некоторые более крупные атомные ядра нестабильны и поэтому распадаются (выделяют вещество или энергию) через случайный промежуток времени. Три формы излучения , открытые Беккерелем и Кюри, также более понятны. Альфа-распад - это когда ядро ​​высвобождает альфа-частицу , которая состоит из двух протонов и двух нейтронов , что эквивалентно ядру гелия . Бета-распад - это высвобождение бета-частицы , электрона высокой энергии . Гамма-распад высвобождает гамма-лучи , которые, в отличие от альфа- и бета-излучения, являются не материей, а электромагнитным излучением очень высокой частоты и, следовательно, энергией . Этот вид излучения наиболее опасен, и его труднее всего заблокировать. Все три типа излучения естественным образом встречаются в определенных элементах .

Стало также ясно, что основным источником большей части земной энергии является ядерная энергия, либо через излучение Солнца, вызванное звездными термоядерными реакциями, либо за счет радиоактивного распада урана внутри Земли, основного источника геотермальной энергии .

Ядерное деление

При естественном ядерном излучении побочные продукты очень малы по сравнению с ядрами, из которых они происходят. Деление ядра - это процесс разделения ядра на примерно равные части с высвобождением энергии и нейтронов в процессе. Если эти нейтроны захватываются другим нестабильным ядром, они также могут делиться, что приводит к цепной реакции . Среднее количество нейтронов, выпущенных одним ядром, которые делятся другим ядром, обозначается как k . Значения k больше 1 означают, что реакция деления выделяет больше нейтронов, чем поглощает, и поэтому называется самоподдерживающейся цепной реакцией. Масса делящегося материала, достаточно большая (и в подходящей конфигурации), чтобы вызвать самоподдерживающуюся цепную реакцию, называется критической массой .

Когда нейтрон захватывается подходящим ядром, деление может происходить немедленно, или ядро ​​может оставаться в нестабильном состоянии в течение короткого времени. Если имеется достаточно мгновенных распадов для продолжения цепной реакции, масса считается мгновенно критической , а выделение энергии будет быстро и неконтролируемо расти, что обычно приводит к взрыву.

Это открытие, обнаруженное накануне Второй мировой войны , привело к тому, что несколько стран начали программы по исследованию возможности создания атомной бомбы - оружия, которое использует реакции деления для выработки гораздо большего количества энергии, чем можно было бы получить с помощью химических взрывчатых веществ. В рамках Манхэттенского проекта , осуществляемого Соединенными Штатами с помощью Соединенного Королевства и Канады , было разработано оружие множественного деления, которое использовалось против Японии в 1945 году в Хиросиме и Нагасаки . В ходе проекта были также разработаны первые реакторы деления , хотя они в основном предназначались для производства оружия и не производили электричество.

В 1951 году первая атомная электростанция деления была первой, которая вырабатывала электричество на экспериментальном реакторе-размножителе № 1 (EBR-1) в Арко, штат Айдахо, что положило начало «атомной эре» более интенсивного использования энергии человеком.

Однако, если масса имеет решающее значение только тогда, когда включены запаздывающие нейтроны, тогда реакцией можно управлять, например, путем введения или удаления поглотителей нейтронов . Это то, что позволяет строить ядерные реакторы . Быстрые нейтроны нелегко захватить ядром; они должны быть замедлены (медленные нейтроны), обычно за счет столкновения с ядрами замедлителя нейтронов , прежде чем их можно будет легко захватить. Сегодня этот тип деления обычно используется для выработки электроэнергии.

Термоядерная реакция

Если ядра вынуждены столкнуться, они могут подвергнуться ядерному слиянию . Этот процесс может высвобождать или поглощать энергию. Когда образовавшееся ядро ​​легче, чем у железа , обычно выделяется энергия; когда ядро ​​тяжелее, чем у железа, энергия обычно поглощается. Этот процесс синтеза происходит в звездах , которые получают энергию от водорода и гелия . Они образуют посредством звездного нуклеосинтеза легкие элементы (от лития до кальция ), а также некоторые тяжелые элементы (помимо железа и никеля , посредством S-процесса ). Остающееся изобилие тяжелых элементов, от никеля до урана и других, связано с нуклеосинтезом сверхновых , R-процессом .

Конечно, эти естественные процессы астрофизики не являются примерами ядерной «технологии». Из-за очень сильного отталкивания ядер термоядерный синтез трудно осуществить контролируемым образом. Водородные бомбы получают свою огромную разрушительную силу от термоядерного синтеза, но их энергию невозможно контролировать. Контролируемый синтез достигается в ускорителях частиц ; именно столько производится синтетических элементов . Fusor могут также произвести управляемого термоядерного синтеза и является полезным источником нейтронов . Однако оба этих устройства работают с чистыми потерями энергии. Контролируемая, жизнеспособная термоядерная энергия оказалась недостижимой, несмотря на случайные мистификации . Технические и теоретические трудности препятствовали развитию работающей гражданской технологии термоядерного синтеза, хотя исследования продолжаются по сей день во всем мире.

Первоначально ядерный синтез проводился только на теоретических этапах во время Второй мировой войны, когда ученые Манхэттенского проекта (во главе с Эдвардом Теллером ) исследовали его как метод создания бомбы. В проекте отказались от термоядерного синтеза после того, как пришли к выводу, что для его детонации потребуется реакция деления. Только в 1952 году была взорвана первая полностью водородная бомба, так называемая, потому что в ней использовались реакции между дейтерием и тритием . Реакции синтеза намного более энергичны на единицу массы топлива, чем реакции деления, но запустить цепную реакцию синтеза намного сложнее.

Ядерное оружие

Ядерное оружие - это взрывное устройство, разрушительная сила которого возникает в результате ядерных реакций , будь то деление или комбинация деления и синтеза . Обе реакции высвобождают огромное количество энергии из относительно небольшого количества вещества. Даже небольшие ядерные устройства могут разрушить город взрывом, огнем и радиацией. Ядерное оружие считается оружием массового уничтожения , и его использование и контроль были основным аспектом международной политики с момента его появления.

Конструкция ядерного оружия является более сложной , чем это может показаться. Такое оружие должно удерживать одну или несколько подкритических делящихся масс в стабильном состоянии для развертывания, а затем вызывать критичность (создавать критическую массу) для взрыва. Также довольно сложно гарантировать, что такая цепная реакция потребляет значительную часть топлива до того, как устройство разлетится. Приобрести ядерное топливо также сложнее, чем может показаться, поскольку достаточно нестабильные вещества для этого процесса в настоящее время не встречаются на Земле в подходящих количествах.

Один изотопов из урана , а именно уран-235, является естественным и достаточно неустойчиво, но он всегда находил смешивается с более стабильного изотопа уран-238. На долю последнего приходится более 99% веса природного урана. Следовательно, для обогащения (выделения) урана-235 необходимо использовать какой-либо метод разделения изотопов на основе веса трех нейтронов .

В качестве альтернативы элемент плутоний содержит изотоп, который достаточно нестабилен для использования в этом процессе. Земной плутоний в настоящее время не встречается в природе в достаточных количествах для такого использования, поэтому он должен производиться в ядерном реакторе .

В конце концов, Манхэттенский проект произвел ядерное оружие на основе каждого из этих элементов. Они взорвали первое ядерное оружие в испытании под кодовым названием « Тринити », недалеко от Аламогордо , штат Нью-Мексико , 16 июля 1945 года. Испытание было проведено, чтобы убедиться, что метод взрыва взрыва сработает, что и произошло. Урановая бомба « Маленький мальчик» была сброшена на японский город Хиросима 6 августа 1945 года, а через три дня после этого на Нагасаки был нанесен плутониевый « Толстяк» . После беспрецедентных разрушений и потерь от единственного оружия японское правительство вскоре капитулировало, положив конец Второй мировой войне .

После этих бомбардировок ядерное оружие не применялось в наступательных целях. Тем не менее, они спровоцировали гонку вооружений с целью разработки все более разрушительных бомб для обеспечения ядерного сдерживания . Чуть более четырех лет спустя, 29 августа 1949 года, Советский Союз взорвал свое первое оружие деления . Соединенное Королевство следовало 2 октября 1952 года; Франция , 13 февраля 1960 г .; и китайский компонент ядерного оружия. Примерно половина погибших в Хиросиме и Нагасаки умерли через два-пять лет от радиационного облучения. А радиологическое оружие является одним из видов ядерного оружия , предназначенного для распространения опасных ядерных материалов во вражеских районах. Такое оружие не обладало бы взрывной способностью бомбы деления или термоядерного синтеза, но могло бы убить много людей и заразить большую территорию. Радиологическое оружие никогда не применялось. Хотя обычные вооруженные силы считают такое оружие бесполезным, такое оружие вызывает опасения по поводу ядерного терроризма .

С 1945 года было проведено более 2000 ядерных испытаний . В 1963 году все ядерные и многие неядерные государства подписали Договор об ограниченном запрещении ядерных испытаний , пообещав воздерживаться от испытаний ядерного оружия в атмосфере, под водой или в космическом пространстве . Договор разрешал подземные ядерные испытания . Франция продолжала атмосферные испытания до 1974 года, а Китай продолжался до 1980 года. Последнее подземное испытание США было в 1992 году, Советский Союз - в 1990 году, Великобритания - в 1991 году, а Франция и Китай продолжали испытания до 1996 года. В Договоре о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний 1996 г. (который по состоянию на 2011 г. еще не вступил в силу) все эти государства обязались прекратить все ядерные испытания. Индия и Пакистан, не подписавшие договор, в последний раз испытывали ядерное оружие в 1998 году.

Ядерное оружие является самым разрушительным из известных видов оружия - типичным оружием массового уничтожения . На протяжении всей холодной войны противоборствующие державы обладали огромными ядерными арсеналами, достаточными, чтобы убить сотни миллионов людей. Поколения людей выросли под тенью ядерной катастрофы, изображенной в таких фильмах, как « Доктор Стрейнджлав» и «Атомное кафе» .

Однако огромное выделение энергии при взрыве ядерного оружия также указывало на возможность появления нового источника энергии.

Гражданское использование

Атомная энергия

Ядерная энергия - это тип ядерной технологии, включающий контролируемое использование ядерного деления для высвобождения энергии для работы, включая движение, тепло и производство электроэнергии. Ядерная энергия производится с помощью контролируемой ядерной цепной реакции, в результате которой выделяется тепло, которое используется для кипячения воды, производства пара и привода паровой турбины. Турбина используется для выработки электроэнергии и / или для выполнения механических работ.

В настоящее время ядерная энергия обеспечивает приблизительно 15,7% мировой электроэнергии (в 2004 г.) и используется для движения авианосцев , ледоколов и подводных лодок (до сих пор экономика и опасения в некоторых портах препятствовали использованию ядерной энергии на транспортных судах). Все атомные электростанции используют деление. Никакая искусственная реакция синтеза не привела к появлению жизнеспособного источника электричества.

Медицинские приложения

Медицинские применения ядерных технологий делятся на диагностику и лучевое лечение.

Визуализация. Наиболее широко ионизирующее излучение в медицине используется в медицинской радиографии для получения изображений внутренней части человеческого тела с помощью рентгеновских лучей. Это крупнейший искусственный источник радиационного облучения человека. В медицинских и стоматологических рентгеновских аппаратах используется кобальт-60 или другие источники рентгеновского излучения. Используется ряд радиофармпрепаратов , иногда связанных с органическими молекулами, которые действуют как радиоактивные индикаторы или контрастные вещества в организме человека. Нуклеотиды, излучающие позитроны, используются для получения изображений с высоким разрешением за короткий промежуток времени в приложениях, известных как позитронно-эмиссионная томография .

Радиация также используется для лечения заболеваний при лучевой терапии .

Промышленное применение

Поскольку некоторое ионизирующее излучение может проникать внутрь вещества, они используются для различных методов измерения. Рентгеновские лучи и гамма-лучи используются в промышленной радиографии для получения изображений внутренней части твердых изделий в качестве средств неразрушающего контроля и контроля. Предмет для рентгенографии помещается между источником и фотопленкой в ​​кассете. Через определенное время экспонирования пленка проявляется, и на ней видны внутренние дефекты материала.

Датчики - Датчики используют экспоненциальный закон поглощения гамма-лучей.

  • Индикаторы уровня: источник и детектор расположены на противоположных сторонах контейнера, что указывает на наличие или отсутствие материала на горизонтальном пути излучения. Используются бета- или гамма-источники в зависимости от толщины и плотности измеряемого материала. Метод используется для емкостей с жидкостями или зернистыми веществами.
  • Измерители толщины: если материал имеет постоянную плотность, сигнал, измеряемый детектором излучения, зависит от толщины материала. Это полезно для непрерывного производства, например, бумаги, резины и т. Д.

Электростатический контроль - чтобы избежать накопления статического электричества при производстве бумаги, пластика, синтетических тканей и т. Д., Источник альфа-излучателя 241 Am в форме ленты можно разместить рядом с материалом в конце производственной линии. . Источник ионизирует воздух для снятия электрических зарядов с материала.

Радиоактивные индикаторы. Поскольку радиоактивные изотопы химически ведут себя в основном как неактивный элемент, за поведением определенного химического вещества можно следить, отслеживая радиоактивность. Примеры:

  • Добавление гамма-индикатора к газу или жидкости в замкнутой системе позволяет найти отверстие в трубке.
  • Добавление индикатора на поверхность детали двигателя позволяет измерять износ путем измерения активности смазочного масла.

Разведка нефти и газа - Ядерный каротаж скважин используется для прогнозирования коммерческой жизнеспособности новых или существующих скважин. Технология включает использование источника нейтронов или гамма-излучения и детектора излучения, которые опускаются в скважины для определения свойств окружающей породы, таких как пористость и литография. [1]

Строительство дорог - ядерные датчики влажности / плотности используются для определения плотности грунта, асфальта и бетона. Обычно используется источник цезия-137.

Коммерческие приложения

  • радиолюминесценция
  • Тритиевое освещение : Тритий используется с люминофором в прицельных приспособлениях для повышения точности стрельбы в ночное время. Некоторые указатели взлетно-посадочных полос и знаки выхода из зданий используют ту же технологию, чтобы оставаться включенными во время отключений электроэнергии.
  • Бетавольтаика .
  • Детектор дыма: ионизационный детектор дыма включает в себя крошечную массу радиоактивного америция- 241, который является источником альфа-излучения . Две ионизационные камеры расположены рядом друг с другом. Оба содержат небольшой источник 241 Am , что порождает небольшой постоянный ток. Один закрыт и служит для сравнения, другой открыт для окружающего воздуха; он имеет сетчатый электрод. Когда дым попадает в открытую камеру, ток прерывается, поскольку частицы дыма прикрепляются к заряженным ионам и восстанавливают их до нейтрального электрического состояния. Это снижает ток в открытой камере. Когда ток падает ниже определенного порога, срабатывает сигнализация.

Пищевая промышленность и сельское хозяйство

В биологии и сельском хозяйстве радиация используется для индуцирования мутаций с образованием новых или улучшенных видов, например, в атомном садоводстве . Еще одно применение в борьбе с насекомыми - метод стерильных насекомых , при котором самцы насекомых стерилизуются радиацией и выпускаются, чтобы у них не было потомства, чтобы уменьшить популяцию.

В промышленности и пищевой промышленности радиация используется для стерилизации инструментов и оборудования. Преимущество состоит в том, что объект может быть запечатан в пластик перед стерилизацией. Растущее применение в производстве пищевых продуктов - стерилизация пищевых продуктов с помощью облучения .

Radura логотип, используемый , чтобы показать пищу был обработан с ионизирующим излучением.

Облучение пищевых продуктов - это процесс воздействия на пищу ионизирующего излучения с целью уничтожения микроорганизмов , бактерий , вирусов или насекомых, которые могут присутствовать в пище. Используемые источники излучения включают радиоизотопные источники гамма-излучения, генераторы рентгеновского излучения и ускорители электронов. Другие применения включают подавление прорастания, задержку созревания, увеличение выхода сока и улучшение регидратации. Облучение - это более общий термин, обозначающий преднамеренное облучение материалов радиацией для достижения технической цели (в этом контексте подразумевается «ионизирующее излучение»). В качестве такового он также используется на непродовольственных товарах, таких как медицинское оборудование, пластмассы, трубы для газопроводов, шланги для теплого пола, термоусадочная пленка для упаковки пищевых продуктов, автомобильные детали, провода и кабели (изоляция), шины, и даже драгоценные камни. По сравнению с количеством облучаемой пищи объем этих ежедневных применений огромен, но не замечается потребителем.

Подлинный эффект обработки пищи ионизирующим излучением связан с повреждением ДНК , основной генетической информации для жизни. Микроорганизмы больше не могут размножаться и продолжать свою злокачественную или патогенную активность. Микроорганизмы, вызывающие порчу, не могут продолжать свою деятельность. Насекомые не выживают или становятся неспособными к размножению. Растения не могут продолжать естественный процесс созревания или старения. Все эти эффекты благоприятны как для потребителей, так и для пищевой промышленности.

Количество энергии, передаваемой для эффективного облучения пищевых продуктов, невелико по сравнению с их приготовлением; даже при типичной дозе 10 кГр большая часть пищи, которая (с точки зрения нагрева) физически эквивалентна воде, согреется только примерно на 2,5 ° C (4,5 ° F).

Особенность обработки пищи ионизирующим излучением заключается в том, что плотность энергии на атомный переход очень высока, она может расщеплять молекулы и вызывать ионизацию (отсюда и название), чего нельзя достичь простым нагреванием. Это причина новых положительных эффектов, но в то же время и новых опасений. Обработка твердой пищи ионизирующим излучением может дать эффект, аналогичный тепловой пастеризации жидкостей, например молока. Однако использование термина «холодная пастеризация» для описания облученных пищевых продуктов является спорным, поскольку пастеризация и облучение - это принципиально разные процессы, хотя предполагаемые конечные результаты в некоторых случаях могут быть схожими.

Противники облучения пищевых продуктов обеспокоены опасностью индуцированной радиоактивности для здоровья . В отчете отраслевой группы по защите интересов Американского совета по науке и здоровью под названием «Облученные продукты питания» говорится: «Типы источников излучения, одобренных для обработки пищевых продуктов, имеют удельные энергетические уровни значительно ниже тех, которые могут привести к тому, что любой элемент в пище станет радиоактивным. Пищевые продукты, подвергшиеся облучению, не становятся более радиоактивными, чем багаж, проходящий через рентгеновский сканер в аэропорту, или зубы, подвергшиеся рентгеновскому сканированию ".

Облучение пищевых продуктов в настоящее время разрешено более чем 40 странами, и, по оценкам, объемы превышают 500 000 метрических тонн (490 000 длинных тонн; 550 000 коротких тонн) ежегодно во всем мире.

Облучение пищевых продуктов - это, по сути, неядерная технология; он основан на использовании ионизирующего излучения, которое может генерироваться ускорителями для электронов и превращаться в тормозное излучение, но которое может также использовать гамма-лучи от ядерного распада. Во всем мире существует промышленность по обработке ионизирующим излучением, большинство по количеству и мощности обработки с использованием ускорителей. Облучение пищевых продуктов - это лишь нишевое применение по сравнению с медицинскими расходными материалами, пластмассами, сырьем, драгоценными камнями, кабелями, проводами и т. Д.

Несчастные случаи

Ядерные аварии из-за задействованных мощных сил часто очень опасны. Исторически первые инциденты были связаны с облучением со смертельным исходом . Мария Кюри умерла от апластической анемии, которая возникла в результате ее длительного воздействия. Два ученых, соответственно американец и канадец, Гарри Даглиан и Луи Слотин , погибли из-за неправильного обращения с плутонием той же массы . В отличие от обычного оружия, интенсивный свет, высокая температура и сила взрыва - не единственные смертоносные составляющие ядерного оружия. Примерно половина погибших в Хиросиме и Нагасаки умерли через два-пять лет от радиационного облучения.

Гражданские ядерные и радиологические аварии в первую очередь связаны с атомными электростанциями. Наиболее распространены ядерные утечки, в результате которых рабочие подвергаются воздействию опасных материалов. Ядерный кризис относится к более серьезной опасности освобождения ядерного материала в окружающую среду. Наиболее значительные аварии произошли на Три-Майл-Айленде в Пенсильвании и Чернобыле в Советской Украине . Землетрясение и цунами 11 марта 2011 года нанесли серьезный ущерб трем ядерным реакторам и бассейну для хранения отработавшего топлива на АЭС «Фукусима-дайити» в Японии. Военные реакторы, которые испытали аналогичные аварии, были Windscale в Соединенном Королевстве и SL-1 в Соединенных Штатах.

Военные аварии обычно связаны с потерей или неожиданным взрывом ядерного оружия. Испытание Castle Bravo в 1954 году дало больший урожай, чем ожидалось, что привело к загрязнению близлежащих островов, японской рыбацкой лодке (с одним смертельным исходом) и вызвало опасения по поводу зараженной рыбы в Японии. В 1950-1970-х годах с подводных лодок и самолетов было потеряно несколько ядерных бомб, некоторые из которых так и не были восстановлены. За последние двадцать лет количество таких несчастных случаев заметно сократилось.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки