Branduolinių mokslų radioaktyvumas: energija, radijo izotopai, naudojimo būdai ir saugos priemonės

Perskaitykite šį straipsnį, kad sužinotumėte apie branduolinių mokslų energiją, radijo izotopus, panaudojimą, saugos priemones ir radioaktyvumą!

„Branduolinė“ - tai kažkas, susijusi su atomų ir atomų branduolių struktūra ar elgesiu.

Image Courtesy: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/ALSEP_Apollo_14_RTG.jpg

Branduolinis mokslas ir technologija yra pažangi studijų sritis, kuri yra „aukštųjų technologijų“ scenarijaus dalis, kurioje atomų branduolių energija, kai jie patiria tam tikrų pokyčių, yra naudinga ne tik kaip elektros energijos šaltinis, bet ir žemės ūkyje, pramonėje ir medicinoje.

Radioaktyvumas:

Paprastas vandenilis turi vieną protoną ir ne neutronus, todėl jis turi masės numerį 1. Sunkusis vandenilis, arba deuteris, turi 2 masę, nes turi vieną protoną ir vieną neutroną.

Vandenilio, tričio radioaktyvi forma turi 3 masę. Joje yra vienas protonas ir du neutronai. Paprastas vandenilis, deuteris ir tritis yra vandenilio izotopai. Visi elemento izotopai turi tas pačias chemines savybes. Urano branduolyje yra 92 protonai.

Didžiausias urano izotopas turi 146 neutronus. Todėl jo masė yra 238 (92 ir 146 suma). Mokslininkai tai vadina izotopu uranu 238 arba U-238. Urano izotopas, kurį beveik visi branduoliniai reaktoriai naudoja kaip 143 neutronus, ir jo masės numeris yra 235. Šis izotopas vadinamas uranu 235 arba U-235.

Branduolinė reakcija apima branduolio struktūros pokyčius. Dėl tokių pokyčių branduolys įgyja arba praranda vieną ar daugiau neutronų ar protonų. Taigi jis pasikeičia į skirtingo izotopo ar elemento branduolį. Jei branduolys pasikeičia į kito elemento branduolį, pokytis vadinamas transmutacija.

Radioaktyvumas yra procesas, kurio metu atomai spinduliuoja iš atomų (branduolių) branduolinių dalelių ir didelės energijos spindulių. Daugiau kaip 2 300 skirtingų tipų atomų yra daugiau kaip 2 000 radioaktyviųjų. Gamtoje yra tik apie 50 radioaktyviųjų tipų. Mokslininkai išlieka dirbtinai.

Antoine Henri Becquerel iš Prancūzijos 1896 m. Rado natūralų radioaktyvumą. Jis nustatė, kad urano junginiai skleidžia spinduliuotę, kuri paveikė fotografijos plokštelę net ir tada, kai jie yra suvynioti į juodą popierių; jie taip pat jonizavo dujas. Netrukus Marie Curie atrado dar stipresnę radioaktyviąją medžiagą, ty radiją.

Kiekvienas elementas, kurio atominis skaičius didesnis nei švino (82), yra radioaktyvus. Kai kurių šių elementų branduoliai gali suskaidyti į dvi dalis: tai yra savaiminis dalijimasis.

Natūralus radioaktyvumas taip pat pasireiškia devyniose lengvesniuose elementuose. Iš jų svarbiausia yra ¹⁴ ₆ C (anglis) ir ⁴⁰ ₁₉ K (kalio). Izotopas greičiausiai susidarė, kai buvo sukurta žemė.

Dabartinė jos egzistavimo priežastis - ilgas pusinės eliminacijos laikas - 1, 25 x 10 ⁹ metų; nors jis sudaro tik 0, 01% natūralaus kalio, jo buvimas daro pastebimą radioaktyvų audinį. Tai gali susilpnėti arba b-emisija, arba elektronų surinkimas. Jis gaminamas nuolat nuo neutronų veikimo kosminiuose spinduliuose atmosferos azotu, branduolinės reakcijos būdu.

Iš septintosios eilutės elementų tik penkios yra apvalios; radžio, aktino, torio, protaktino ir urano.

Spinduliuotė:

Įvairios spinduliuotės formos kyla iš radioaktyviųjų atomų branduolių. Yra trys radioaktyviosios spinduliuotės rūšys: alfa dalelės, kurias pirmą kartą nustatė Becquerel; beta spinduliai; nustatė Ernestas Rutherfordas iš Naujosios Zelandijos; ir gama spinduliai, kuriuos nustatė Prancūzija ir Pierre Curie. Alfa ar beta spindulių emisija sukelia transmutaciją, tačiau gama spinduliuotė nesukelia transformacijos.

Alfa dalelės turi teigiamą elektros krūvį. Jie susideda iš dviejų protonų ir dviejų neutronų ir yra identiški helio atomų branduoliams. Alfa dalelės yra išskiriamos didelėmis energijomis, bet greitai prarandamos energijos, kai prasiskverbia pro medžiagą. Tai sustabdo storas popieriaus lapas; ore jie turi keletą centimetrų, o galiausiai jie susilieja su oro molekulėmis.

Jie sukelia intensyvią dujų jonizaciją (pritraukdami elektronus iš jų molekulių) ir juos nukreipia elektriniai ir labai stiprūs magnetiniai laukai. Visos konkrečios radioaktyviosios medžiagos išskiriamos alfa dalelės turi tokį pat greitį, apie vieną dvidešimtąją šviesos greičio. Americium išskiria tik alfa daleles.

Alfa spinduliavimas vyksta ²³⁸ U, urano izotope. Praradus alfa dalelę, branduolyje yra 90 protonų ir 144 neutronų. Atomas su atominiu numeriu 90 nebėra uranas, o torija. Sukurtas izotopas yra ²³⁴ ₉₀ Th.

Beta spinduliai yra elektronai. Kai kurie radioaktyvieji branduoliai išskiria paprastus elektronus, kurie turi neigiamų elektros energijos. Tačiau kiti skleidžia positronus arba teigiamai įkrautus elektronus. Pavyzdžiui, anglies izotopas, ¹⁴ ₆ C, išskiria neigiamus elektronus. Anglies 14 turi aštuonis neutronus ir šešis protonus.

Kai jo branduolys transformuojasi, neutronas pasikeičia į protoną, elektroną ir antineutriną. Išmetus elektroną ir antineutriną, branduolyje yra septyni protonai ir septyni neutronai. Jo masė lieka tokia pati, tačiau jos atominis skaičius 7 yra azotas. Taigi, po neigiamos beta dalelės emisijos, ¹⁴ ₆ C pasikeičia į ¹⁴ ₇ N.

Anglies izotopas, ¹¹ ₆ C, skleidžia positronus. Anglis 11 turi šešis protonus ir penkis neutronus. Kai jis skleidžia pozroną, vienas protonas pasikeičia į neutroną, pozroną ir neutriną. Išleidus pozroną ir neutriną, branduolyje yra penki protonai ir šeši neutronai. Masės numeris išlieka toks pats, tačiau atominis skaičius sumažėja vienu.

Atominio skaičiaus 5 elementas yra boras. Taigi ¹¹ ₆ C pasikeičia į ¹¹ ₅ B po pozrono ir neutrino emisijos. Stronitas išskiria tik beta daleles. Beta dalelės važiuoja beveik šviesos greičiu. Kai kurie gali patekti į 13 milimetrų medienos.

Gama spinduliuotė gali atsirasti keliais būdais. Viename procese branduolio išskiriama alfa arba beta dalelė neužima visos turimos energijos. Po emisijos branduolys turi daugiau energijos nei stabiliausia. Jis išsiskiria pertekliumi skleidžiant gama spindulius. Gama spinduliai neturi elektros energijos. Jie panašūs į rentgeno spindulius, tačiau paprastai jie turi trumpesnį bangos ilgį.

Kadangi rentgeno spinduliai yra susiję su energijos pokyčiais už atomų branduolių, kaip ir visos elektromagnetinės spinduliuotės formos, gama spinduliai, tokie kaip alfa ir beta dalelės, kilę iš atominių branduolių. Šie spinduliai yra fotonai (elektromagnetinės spinduliuotės dalelės) ir važiuoja su šviesos greičiu. Jie daug labiau įsiskverbia į alfa ir beta daleles.

„Radium“ skleidžia alfa-, beta- ir gama spindulius. Kobaltas yra grynas gama šaltinis.

Radioaktyvusis ir Half-Life:

Radioaktyvus skilimas yra procesas, kuriuo branduolys spontaniškai (natūraliai) keičiasi į kito izotopo ar elemento branduolį. Procesas išskiria energiją daugiausia branduolinės spinduliuotės pavidalu. Skilimo procesas vyksta savaime ir negali būti kontroliuojamas; temperatūros pokyčiai neturi įtakos ir pasireiškia, ar medžiaga yra gryna, ar chemiškai sujungta su kitais elementais.

Uranas, toris ir keletas kitų natūralių elementų spontaniškai mažėja ir taip prisideda prie natūralios ar foninės spinduliuotės, kuri visada yra žemėje. Branduoliniai reaktoriai dirbtinai sumažina radioaktyvųjį skilimą. Branduolinė spinduliuotė sudaro apie 10 proc. Energijos, pagamintos branduoliniame reaktoriuje.

Mokslininkai išmatuoja radioaktyvųjį skilimą laiko vienetais, vadinamais pusėjimo trukme. Pusėjimo trukmė lygi tam, kad pusė tam tikro radioaktyviojo elemento atomų ar izotopo atsipalaiduotų į kitą elementą arba izotopą.

Radioaktyviųjų izotopų (radioaktyviųjų izotopų) mėginio išleidžiamų dalelių skaičius atitinka tam tikrą atomų skaičiaus procentą mėginyje. Pavyzdžiui, bet kuriame ¹¹ C mėginyje, kiekvieną minutę išnyksta 3, 5 proc. Atomų. Minutės pabaigoje liks tik 96, 5 proc. Mėginio.

Antros minutės pabaigoje liks tik 96, 5 proc. Ankstesnių 96, 5 proc. Arba 93, 1 proc. Pradinės sumos. 20 minučių pabaigoje išliks tik pusė pradinio kiekio. Tai rodo, kad ¹¹ C pusinės eliminacijos laikas yra 20 minučių. Ši medžiaga miršta nuo radioaktyvaus skilimo arba branduolinės transformacijos.

Skirtingas radijo izotopas turi skirtingą pusinės eliminacijos laiką. Jie gali svyruoti nuo sekundžių iki milijardų metų. Išskyrus kelias išimtis, vienintelis radijo izotopas, aptinkamas gamtoje, yra tas, kurio pusperiodis yra daug milijonų ar net milijardų metų. Mokslininkai mano, kad kai suformuoti žemės elementai, buvo visi galimi izotopai.

Paprastai tie, kurių pusinės eliminacijos laikas yra trumpas, sumažėjo iki nedaug. Tačiau kai kurie natūraliai atsirandantys trumpalaikiai radijo izotopai susidarė dėl ilgaamžių radijo izotopų skilimo. Pavyzdžiui, torium-234, turintis trumpą laiką, gaminamas iš urano, kurio pusinės eliminacijos laikas yra ilgas.

Šimtai trumpalaikių radioaktyviųjų izotopų gaminami dirbtinai, branduoliniuose reaktoriuose bombarduojant branduolius su neutronais ir kitomis greitomis branduolinėmis dalelėmis. Kai neutronas ar kita dalelė atsitrenkia į atomo branduolį, branduolys gali jį užfiksuoti. Kai kuriais atvejais branduolys užfiksuoja daleles ir iš karto išleidžia dalis savo dalelių.

Atominė energija:

Branduolinė energija yra energija, gaunama iš branduolinių reakcijų arba skleidžiant sunkius branduolius į lengvesnius, arba susiliejant šviesius branduolius į sunkesnius. Iš principo atominių branduolių sudarančių dalelių sistemos rišamoji energija yra branduolinė energija.

Tai atsiranda dėl atomų branduolio pokyčių. Mokslininkai ir inžinieriai rado daug energijos, ypač gaminant elektros energiją. Tačiau jie dar neturi galimybių visiškai išnaudoti branduolinės energijos. Jei branduolinė energija būtų visiškai išvystyta, ji galėtų tiekti visą pasaulio elektros energiją milijonus metų.

Branduolys sudaro didžiąją kiekvieno atomo masę, ir šis branduolys yra kartu su itin galinga jėga. Dėl šios jėgos branduolyje susikaupia didžiulis energijos kiekis.

Mokslininkai pirmą kartą išleido branduolinę energiją dideliu mastu Čikagos universitete 1942 m., Praėjus trejiems metams po Antrojo pasaulinio karo pradžios. Šis pasiekimas lėmė atominės bombos vystymąsi. Nuo 1945 m. Branduolinė energija buvo panaudota taikiems tikslams, pavyzdžiui, elektros gamybai.

Einšteinas pabrėžė, kad jei kūno energija keičiasi suma E, jos masė keičiasi lygtimi m, E = mc ² . Tai reiškia, kad bet kokia reakcija, kurioje yra masės sumažėjimas, vadinamas masės defektu, yra energijos šaltinis.

Fiziniai ir cheminiai pokyčiai energijoje ir masėse yra labai maži; kai kuriose branduolinėse reakcijose, pvz., radioaktyvaus skilimo, yra milijonų kartų didesnis. Branduolinės reakcijos produktų masių suma yra mažesnė nei reaktyviųjų dalelių masių suma. Ši prarasta masė paverčiama energija.

Branduolio dalijimasis:

Branduolio dalijimasis yra procesas, kai atominis branduolys suskaido į du ar daugiau pagrindinių fragmentų, išskiriant du ar tris neutronus. Tai lydi energijos išsiskyrimas gama spinduliuotės forma ir emituotų dalelių kinetinė energija.

Skilimas vyksta spontaniškai urano-235 branduoliuose, kuris yra pagrindinis branduoliniuose reaktoriuose naudojamas kuras. Tačiau procesą taip pat gali sukelti bombardavimas branduoliais su neutronais, nes neutroną absorbuojantis branduolys tampa nestabilus ir greitai suskaidomas.

Masės defektas yra didelis ir dažniausiai pasireiškia kaip skilimo fragmentų ke. Jie skraidina labai greitai, susiduria su aplinkiniais atomais ir didina jų vidutinį ke, ty jų temperatūrą. Todėl susidaro šiluma.

Jei skilimo neutronai padalija kitus urano-235 branduolius, sukuriama grandininė reakcija. Praktiškai kai kurie dalijimosi neutronai prarandami, kai jie išeina iš urano paviršiaus. Didėjant urano-235 masei, sumažėja tų, kurie išeina į dalijimosi fisiją, santykis.

Pradinė grandininė reakcija turi viršyti tam tikrą kritinę masę. Taigi kritinė masė yra mažiausia skiliosios medžiagos masė, kuri gali būti nuolatinė grandininė reakcija. Viršijus kritinę masę, reakcija gali paspartinti branduolinį sprogimą, jei ji nekontroliuojama.

U-238 izotopas būtų idealus branduolinio reaktoriaus kuras, nes jis yra gausus gamtoje. Tačiau U-238 branduoliai paprastai absorbuoja laisvus neutronus be skilimo. Absorbuotas neutronas tiesiog tampa branduolio dalimi. Ribotas urano izotopas U-235 yra vienintelė natūrali medžiaga, kurią branduoliniai reaktoriai gali naudoti grandininei reakcijai gaminti. Uranas su gausiu U-235 kiekiu vadinamas praturtintu uranu.

Branduolinis reaktorius:

Branduolinis reaktorius yra pagrindinė atominės elektrinės sudedamoji dalis, kuri gamina branduolinę energiją kontroliuojamomis sąlygomis, kad ją būtų galima naudoti kaip elektros energijos šaltinį.

Elektriniai reaktoriai paprastai susideda iš trijų pagrindinių dalių. Jie yra (1) reaktorius arba slėgis, indas; (2) šerdis; ir (3) valdymo strypai.

Reaktoriaus indas turi kitas reaktoriaus dalis. Jis įrengiamas šalia reaktoriaus pastato pagrindo. Laivo plieninės sienos yra mažiausiai 15 cm storio. Plieniniai vamzdžiai įeina į indą ir iš jo išleidžia vandenį ir garą.

Šerdyje yra branduolinis kuras ir taip yra reaktoriaus dalis, kurioje vyksta skilimas. Šerdis yra netoli reaktoriaus indo dugno. Jį daugiausia sudaro branduolinis kuras, laikomas vietoje tarp viršutinės ir apatinės atraminės plokštės.

Kontroliniai strypai yra ilgi metaliniai strypai, kuriuose yra tokių elementų kaip boras arba kadmis. Šie elementai absorbuoja laisvus neutronus ir taip padeda kontroliuoti grandinės reakciją. Valdymo strypai įkišti į šerdį arba ištraukiami, kad sulėtėtų arba pagreitintų grandininę reakciją.

Moderatoriai ir aušinimo skysčiai:

Reaktoriaus operacijos taip pat priklauso nuo medžiagų, vadinamų moderatoriais ir aušinimo skysčiais. Moderatorius yra medžiaga, pvz., Vanduo arba anglis, kuri lėtina neutronus, kurie eina per ją. Reaktoriams reikia moderatoriaus, nes neutronai, išlaisvinti iš skilimo, yra greiti neutronai. Tačiau lėtai neutronai yra reikalingi, kad sukeltų grandininę reakciją U-238 ir U-235 mišinyje, kurį reaktoriai naudoja kaip kurą.

Aušinimo skystis yra medžiaga, pvz., Vanduo arba anglies dioksidas, kuris gerai praleidžia šilumą, tačiau nesunkiai sugeria laisvus neutronus. Aušinimo skystis perneša šilumą iš grandininės reakcijos. Tokiu būdu aušinimo skysčio serveriai apsaugo reaktoriaus šerdį ir išgaruoja garą.

Daugelis reaktorių yra lengvi vandens reaktoriai, kurie kaip moderatorius ir aušinimo skystis naudoja lengvą (paprastą) vandenį. Sunkiojo vandens reaktoriai naudoja deuterio oksidą arba sunkųjį vandenį kaip moderatorių ir aušinimo skystį. Grafitas yra dar vienas moderatorius. Indijos reaktoriai (išskyrus Tarapur) naudoja sunkų vandenį.

Kuro paruošimas:

Šviesiuose vandenyse naudojamuose reaktoriuose naudojamas uranas turi būti praturtintas, ty turi būti padidintas U-235 procentas. Laisvieji neutronai tada turi geresnes galimybes patekti į U-235 branduolį.

Garo gamyba:

Reaktorius pasiekia kritiškumą, kai degalų grandininė reakcija buvo paskatinta vidutiniškai suteikti dar vieną reakciją kiekvienai dalijimosi reakcijai.

Lengvojo vandens reaktoriai yra dviejų tipų. Vienas iš tipų, slėginio vandens reaktorius, gamina garą už reaktoriaus indo. Kitas tipas, verdančio vandens reaktorius, garo laive.

Dauguma branduolinių įrenginių naudoja suslėgto vandens reaktorius. Šie reaktoriai šilumoje moderatorių-vandenį šildo itin aukštu slėgiu. Slėgis leidžia vandeniui šildyti iki normalaus 100 ° C virimo temperatūros be faktiškai virimo. Grandinės reakcija šildo vandenį iki maždaug 320 ° C. Vamzdžiai nešioja šį labai karštą, bet ne vandenį, į garo generatorius už reaktorių. Šildymas iš slėginio vandens virina vandenį garų generatoriuje ir taip sukuria garą.

Verdančio vandens reaktoriuje grandininė reakcija virsta moderatorių-vandenį šerdyje. Vamzdžiai perneša iš reaktoriaus pagamintą garą į gamyklos turbinas.

Indijoje standartinis reaktoriaus tipas yra sunkiojo vandens reaktorius.

Degalų strypai kartais turi būti pašalinti ir perdirbti, kad atskirtų radioaktyviųjų atliekų produktus ir nedidelį kiekį plutonio-239 iš nepanaudoto urano. Plutonis-239 gaminamas reaktoriuje, kai uranas-238 absorbuoja greitus dalijimosi neutronus; kaip ir uranas-235, jis vyksta skilimo būdu ir yra naudojamas greitai augančiuose reaktoriuose ir branduoliniams ginklams gaminti.

Eksperimentiniai selekciniai reaktoriai:

Svarbiausias eksperimentinio selekcininko tipas yra pagrindinis urano izotopas-U-238. Reaktorius radioaktyvaus skilimo būdu keičia U-238 į izotopo plutonio 239 (Pu- 239). Kaip ir U-235, Pu-239 gali sukurti grandininę reakciją, todėl gali būti naudojama energijos gamybai.

Kitas veisėjas naudoja natūralų elementą toriu kaip pagrindinį kurą. Jis pakeičia torį į izotopą U-233, kuris taip pat gali sukelti grandininę reakciją. Indija sukūrė eksperimentinį selekcinį reaktorių Kalpakkame (Chennai), naudojant aušinimo skystį mišrią karbidinį kurą ir natrio kiekį.

Branduolio sintezė:

Branduolio sintezė įvyksta, kai du lengvieji branduoliai saugo (sujungia) ir sudaro sunkesnio elemento branduolį. Sintezės produktai sveria mažiau nei pradiniai branduoliai. Todėl prarastas dalykas buvo pakeistas į energiją. Sintezės reakcijos, kurios gamina didelį energijos kiekį, gali būti sukurtos tik labai intensyvios šilumos būdu. Tokios reakcijos vadinamos termo-branduolinėmis reakcijomis. Termobranduolinės reakcijos sukuria saulės ir vandenilio bombų energiją.

Termobranduolinė reakcija gali vykti tik plazmoje, specialios medžiagos forma, turinti laisvų elektronų ir laisvų branduolių. Paprastai branduoliai vienas kitą atstumia.

Bet jei plazma, kurioje yra lengvų atomų branduolių, yra šildoma milijonais laipsnių, branduoliai pradeda judėti taip greitai, kad jie pertraukia vienas kito elektrines kliūtis ir saugiklį.

„Fusion“ valdymo problemos:

Mokslininkai dar nesugebėjo panaudoti sintezės energijos, kad galėtų gaminti energiją. Sintezės eksperimentuose mokslininkai paprastai dirba su plazmomis, pagamintomis iš vieno ar dviejų vandenilio izotopų. Deuteris laikomas idealiu termobranduoliniu kuru, nes jis gali būti gaunamas iš paprasto vandens. Tam tikras svoris deuterio gali tiekti maždaug keturis kartus daugiau energijos, nei to paties svorio uranas.

Norint sukurti kontroliuojamą termo-branduolinę reakciją, deuterio arba tričio arba abiejų izotopų plazma turi būti šildoma daug milijonų laipsnių. „Bui“ mokslininkai dar turi sukurti konteinerį, nei gali turėti „superhot“ plazmą.

Dauguma eksperimentinių sintezės reaktorių yra suprojektuoti taip, kad juose būtų „magnetinių butelių“, sukabintų į įvairias ričių formas. Butelių sienelės yra pagamintos iš vario arba kito metalo. Sienos yra apsuptos magnetu.

Per magnetą patenka elektros srovė ir sienos viduje sukuriamas magnetinis laukas. Magnetizmas stumia plazmą nuo sienų ir link kiekvieno ritės centro. Šis metodas vadinamas magnetine izoliacija. tačiau naudokite daug daugiau energijos nei jie sukuria.

Sėkmingiausią sintezės reaktorių, vadinamą tokamaku, iš pradžių sukūrė Rusijos mokslininkai. Tokamakas reiškia stiprią srovę rusų kalba. Kaip ir kiti eksperimentiniai sintezės reaktoriai, tokamakas naudoja magnetinį lauką, kad stumtų plazmą nuo jos turinčių sienų. Jis taip pat eina per stiprią srovę per plazmą. Srovė veikia su magnetiniu lauku, kad padėtų apriboti plazmą. Indija sukūrė tokamak Aditya tyrimų tikslais Plazminių tyrimų institute Ahmedabade.

Kitas eksperimentinis metodas sintezei pasiekti naudoja lazerio spindulius suspausti ir pašildyti mažas šaldytų deuterio ir tričio granules. Šis procesas sukuria miniatiūrinius termo-branduolinius sprogimus, kurie atpalaiduoja energiją, kol granulės pasiekia sienas. Tačiau visi eksperimentai su šiuo metodu dar nesukūrė tinkamų energijos kiekių.

Atominiai ginklai:

Branduoliniai ginklai gali būti dalijimosi (atominiai ginklai) arba sintezės tipo (termobranduoliniai ar vandenilio ginklai).

Iš branduolinių branduolių susiskaldymo naikinamieji ginklai gauna savo naikinamąją galią. Tik trijų rūšių atomai yra tinkami skilimui tokiuose ginkluose. Šie atomai yra urano (U) izotopai U-235 ir U-238 bei plutonio (Pu) izotopai, Pu-239. Paspartėja nekontroliuojama grandininė reakcija, kai, pavyzdžiui, du U-235 gabalai susitinka ir viršija kritinę masę.

Termobranduoliniai ginklai gauna galios iš sintezės atominių branduolių intensyvios šilumos. Termobranduoliniuose ginkluose susilieję branduoliai yra vandenilio izotopai, deuteris ir tritis. Sintezės reakcijoms reikia temperatūros, lygios arba didesnės už saulės šerdyje esančias.

Vienintelis praktinis būdas pasiekti tokią temperatūrą skilimo sprogimo būdu. Taigi, termobranduoliniai sprogimai sukelia implantinio tipo skilimo įrenginį. (Į implosiono metodą subkritinė masė yra superkritinė, suspaustą į mažesnį tūrį.)

Pirmieji branduoliniai ginklai buvo dvi skilimo bombos, kurias JAV naudojo Antrojo pasaulinio karo metu (1939–1945 m.). Karo metu kiekvienas iš Japonijos miestų - Hirošimos ir Nagasakio.

Branduoliniai sprogstamieji įtaisai gali turėti labai įvairius derlius. Kai kuriose senesnėse bombose buvo apie 20 megatonų, arba 1, 540 Hirosimos bombų. „Megaton“ - tai 907 000 tonų TNT išleistos energijos kiekis. Šiandien, dėl didesnio raketų tikslumo, dauguma branduolinių įrenginių turi mažiau nei 1 megatoną.

Radioizotopai:

Įvairios spinduliuotės formos kyla iš radioaktyviųjų atomų branduolių. Yra trys radioaktyviosios spinduliuotės rūšys: alfa dalelės, kurias pirmą kartą nustatė Becquerel; beta spinduliai, kuriuos nustatė Ernestas Rutherfordas; ir gama spinduliai, kuriuos nustatė Marie ir Pierre Curie. Alfa ar beta spindulių emisija sukelia transmutaciją, tačiau gama spinduliuotė nesukelia transformacijos.

Vienas elementas gali būti pakeistas į kitą dirbtinai. Dirbtinis radioaktyvus radioaktyvus izotopas gaminamas stabilių radioaktyviųjų izotopų, ty nestabilių, jų branduolių atskyrimo ir mažų dalelių bei energijos (radioaktyvumo). Kiekvienas elementas, kurio atominis skaičius didesnis nei švino (82), yra radioaktyvus.

Dirbtiniai radioizotopai gali būti gaminami atominių reaktorių radioaktyviųjų elementų skleidžiamų dalelių ir spindulių bombardavimu. Jie taip pat gali būti gaminami smashing atomų dalelių greitintuvuose, tokiuose kaip ciklotronas. Tai, kad radioaktyviosios medžiagos gali būti aptinkamos jų spinduliuotės sąlygomis, daro jas naudingomis daugelyje sričių.

Radioaktyvieji izotopai veiksmingai naudojami kaip indikatoriai medicinos diagnostikos tikslais. Arsenas-74 naudojamas aptikti navikus. Natrio-24 naudojamas kraujotakos sistemoje aptikti kraujo krešuliams. Skydliaukės aktyvumui nustatyti naudojamas jodas-131 (1-131). Kobalto-60 vartojamas vėžio gydymui; taip pat yra iridium-192 ir cezio-137.

Radioaktyviųjų izotopų gamyba Indijoje prasidėjo 1956 m., Kai Trombay mieste buvo atiduotas tyrimų reaktorius Apsara. Radioizotopų gamybos pajėgumas buvo padidintas 1963 m., Kai 40MW Cirus pradėjo veikti Trombėjus. 1985 m., Kai „Dhruva“ pradėjo veikti BARC, Indija tapo svarbiausiu plataus spektro radioizotopų gamintoju.

„Trombay“ tyrimų reaktoriai įvairiems tikslams gamina įvairius radioizotopus. Elektriniai reaktoriai taip pat yra įrengti kobalto-60 radioizotopų gamybai.

VECC kintamas energijos ciklotronas taip pat naudojamas radioaktyviųjų izotopų gamybai, kurie yra apdorojami medicinos reikmėms. Radijo ir radioizotopų pagrindu pagaminti produktai ir paslaugos, kurias DAE siūlo per BARC ir BRIT, apima radijo šaltinius ir pramoninę radiografinę įrangą; radioteritorijos technologijos nuotėkio aptikimo, dumblo judėjimo ir hidrologijos taikymuose; spinduliuotės apdorojimas, spinduliuotės polimerizacija, dirvožemio druskingumas ir kt.

„BRIT“ buvo atsakinga už įvairių radioaktyviųjų izotopų ir jų gaminių apdorojimą bei pramoninės radiografijos įrangos ir gama švitinimo įrangos tiekimą šios technologijos taikymui.

BARC radiacinės medicinos centras (RMC) Mumbajuje, pirmaujančiame šalyje radijo diagnostikos ir radioterapijos srityje, yra regioninis Pietryčių Azijos Pasaulio sveikatos organizacijos (PSO) informacijos centras.

Centro veikla apima branduolinės medicinos ir giminingų paslaugų, klinikinės diagnostikos ir gydymo, radiofarmacinių preparatų vidaus plėtros, skydliaukės hormonų ir tuberkuliozės antigeno ir antikūnų RIA technologijas ir kt.

Medicininiams tikslams skirti radioizotopai taip pat gaminami naudojant kalkotinį kalkotroną Kalkutoje. Regioninis spinduliuotės medicinos centras (RRMC) atitinka radijo diagnostikos ir radioterapijos reikalavimus šalies rytiniame regione. „Indore“ CAT sukūrė lazerius medicinos reikmėms.

Indijoje medicinos produktų sterilizavimas buvo naudojamas dešimtmečius. Prekybos spinduliuotės sterilizavimo įmonė (ISOMED) Trombay mieste teikia sterilizavimo paslaugas medicinos pramonei. Vashi, Mumbajus, įsteigta didelė radiofarmacinių preparatų laboratorija, pavadinta ISOPHARM.

Augalai, panašūs į „Isomed“, dirba Bengaluru, Naujajame Delyje ir Džodpure. Naudojant kraujo bankus ir ligonines, BRIT sukūrė kraujo apšvitos įrangą, kuri yra svarbus importo pakaitalas.

Radioizotopų panaudojimas:

Gamyboje gamos spinduliai gali būti naudojami metalinių liejinių ar siūlių ištyrimui naftos vamzdynuose silpniems taškams. Spinduliai praeina pro metalą ir tamsina fotografinį filmą priešingose ​​vietose. Gamintojai gali patalpinti radioaktyvią izotopą, kuris išskiria beta daleles virš medžiagos lapo.

Beta-dalelių detektorius kitoje pusėje matuoja spinduliuojančių spindulių stiprumą. Jei lapo storis padidėja, detektorius pasiekia mažiau dalelių. Detektorius gali valdyti volus ir laikyti lapą norimu storiu. Gama spinduliuotė gali būti naudojama kenkėjų kontrolei, ypač įsodinimo parduotuvėse. Apšvitintas maistas yra ilgesnis.

Mokslininkai Mokslininkai naudoja radijo izotopus kaip atsekamuosius, kad nustatytų, kaip cheminės medžiagos veikia augalų ir gyvūnų kūnuose. Visi elemento izotopai yra chemiškai tokie patys, todėl radijo izotopas gali būti naudojamas taip pat, kaip paprastieji izotopai.

Pavyzdžiui, siekiant nustatyti fosforo eigą augale, botanikas gali maišyti radioaktyvųjį fosforą su įprastu fosforu. Norėdami sužinoti, kada fosforas pasiekia lapą, jis gali į lapą patalpinti Geigerio skaitiklį, kuris aptinka radioaktyvumą. Norėdami rasti, kur lapuose yra fosforo, jis gali įdėti lapą į fotografijos plokštę. Sukurtoje plokštelėje, vadinamoje autoradiografu, tamsiuose regionuose rodoma radijo izotopo padėtis.

Medicinoje:

Radioaktyviųjų izotopų naudojimas yra dalis specialybės, vadinamos branduoline medicina. Pagrindinis radioaktyviųjų izotopų panaudojimas yra įvairių kūno organų funkcijos tyrimas. Tam pasiekti gydytojas administruoja radioaktyviąją izotopą, pritvirtintą prie nešiklio. Nešiojamoji medžiaga kaupiasi organe, kurį gydytojas nori studijuoti.

Pavyzdžiui, jei gydytojas nori ištirti paciento inkstų funkciją, prie nešiklio kaupiasi radioaktyvusis izotopas. Suskleidus radijo izotopui, jis skleidžia gama spindulius. Kai kuriuos spindulius surenka įrenginys, vadinamas skaitytuvu. Gydytojas „nuskaito“ skaitytuvo vaizdą, kad nustatytų, ar inkstai veikia tinkamai.

Radioizotopai taip pat naudojami vėžiui gydyti. Spinduliavimas didelėmis dozėmis sunaikina gyvus audinius, ypač ląsteles, kurioms skiriasi. Kadangi vėžio ląstelės skiriasi dažniau nei įprastos ląstelės, spinduliuotė žudo daugiau vėžinių ląstelių nei įprastos. Gydytojas gali pasinaudoti šiuo faktu, naudodamas radijo izotopą, kuris kaupiasi vėžiniame organe.

Pavyzdžiui, jodo radijo izotopas 1-131 gali būti naudojamas skydliaukės vėžio gydymui, nes ši liauka kaupiasi jodu. Kaip radioaktyvusis jodas transformuojasi, jis išleidžia spinduliuotę, kuri žudo vėžines ląsteles. Kobaltas-60 taip pat naudojamas vėžio gydymui. Arsenas-74 naudojamas aptikti navikus. Kraujo krešuliai kraujotakos sistemoje yra Natrio-24.

Žemės ūkyje:

Radioizotopai buvo naudojami gamtinėms genetinėms mutacijoms skatinti, kad būtų pagreitintas veisimas arba augalai, turintys naujų savybių. Trąšų efektyvumą taip pat galima tirti su radioizotopais. BARC turi programą, skirtą fosforo-32 ženklintų biomolekulių kūrimui ir gamybai, siekiant padėti atlikti tyrimus genų inžinerijos, fermentų technologijos ir su energija susijusiose srityse.

Izotopai naudojami gruntinio vandens papildymui, užtvankų užtvankose ir kanalų sistemose tyrimui, jūros vandens įsiskverbimui į pakrantės vandeninguosius sluoksnius.

Radioaktyvi pažintys:

Pažymėjimas radijo angliavandeniliais yra procesas, naudojamas senovės objekto amžiaus nustatymui matuojant jo radijo anglies kiekį. Šį metodą 1940-ųjų pabaigoje sukūrė amerikiečių chemikas Willard F. Libby.

Radijo anglies atomai, kaip ir visa radioaktyvi medžiaga, mažėja tiksliai ir vienodai. Pusė radijo anglies dingsta po maždaug 5700 metų. Todėl radioaktyvusis anglies pusinės eliminacijos laikas yra tas laikotarpis.

Po maždaug 11 400 metų išliko ketvirtadalis pirminio radijo anglies kiekio. Po dar 5700 metų tik aštuoniolika lieka ir pan.

Radioaktyvusis anglies kiekis gyvo organizmo audiniuose labai lėtai mažėja, tačiau jis nuolat atnaujinamas tol, kol organizmas gyvena. Kai organizmas miršta, jis nebėra ore ar maiste, todėl jis nebesugeria radioaktyviųjų anglies. Jau esančiuose audiniuose esantis radiacinis anglis ir toliau mažėja pastoviu greičiu. Šis nuolatinis skilimas žinomu greičiu - apie 5 700 metų pusėjimo trukmė - leidžia mokslininkams nustatyti objekto amžių.

Po to, kai mokslininkai matuoja objekto radijo anglies kiekį, jie lygina jį su žiediniais angliavandeniliais, kurių amžius yra žinomas. Šis metodas leidžia jiems kompensuoti nedidelius radijo anglies kiekio pokyčius atmosferoje skirtingais praeities laikais. Tokiu būdu mokslininkai gali tiksliau pakeisti objekto radijo anglies amžių.

Rokizmams, turintiems labai ilgą pusinės eliminacijos periodą, naudojami mėginių ūminiams mėginiams, pvz., Uranui-238. Uranas-235, kuris tampa švinu 207; torio 232, kuris tampa švinu 208; 87 rubidas, kuris keičiasi į stroncio 87; ir kalio 40, kuris keičiasi į argoną 40, yra radioizotopas, kuris gali būti naudojamas akmenų amžiui apskaičiuoti.

Branduolinio pavojaus ir saugos klausimai:

Pastaruoju metu daug dėmesio buvo skiriama branduolinėms elektrinėms būdingiems pavojams - spinduliuotės pavojaus, atliekų šalinimo, nelaimingų atsitikimų baimėms. Nors kai kurie pavojai yra tikri, branduoliniai mokslininkai nurodo, kad daugelis jų nėra pagrįsti moksliniais faktais ir nešališku stebėjimu.

Radiacinis pavojus:

Nėra jokių abejonių, kad spinduliuotė daro žalą gyvoms ląstelėms, tačiau tai priklauso nuo spinduliuotės intensyvumo ir poveikio laiko. Kai kompleksinės organinės ląstelės atomas yra veikiamas spinduliuotės, vyksta jonizacija ir molekulės išskaidomos, neigiamai veikia biologinę sistemą, kartais net sunaikinant ląstelę.

Nors didelės dozės yra mirtinos, mažos dozės gali turėti kumuliacinį poveikį ir sukelti vėžį, ypač odą, ir leukemiją. Jis gali paveikti limfinius audinius, nervų sistemą ir reprodukcinius organus. Tačiau nepageidaujamas poveikis miršta po žymiai didelių ir pastovių spinduliuotės dozių.

Vyksta radioaktyviosios medžiagos išleidimas į orą ir vandenį iš reaktorių, tačiau jis yra gerai laikomas AERB nustatytose ribose. Žemę nuolat bombarduoja kosminės spinduliuotės branduolinės dalelės (dėl to 65 proc. Žmogaus patiriamos natūralios spinduliuotės).

Antžeminių ir antžeminių šaltinių foninė spinduliuotė yra daug didesnė nei branduolinių elektrinių spinduliuotė. Esant tokioms aplinkybėms, branduolinių elektrinių spinduliuotės poveikis yra nedidelis. Spinduliuotės baimė kyla dėl to, kad dauguma žmonių nenori tikėti bet kokiu „saugiu lygiu“ dėl radiacijos poveikio.

Branduolinių atliekų keliamas pavojus:

Kitas branduolinio pavojaus aspektas yra atliekų tvarkymas. Bendrasis radioaktyviųjų atliekų tvarkymo metodas yra koncentruoti ir kuo daugiau radioaktyviųjų medžiagų, o išleidimas į aplinką - tik toks mažas koncentracijos lygis, koks yra įmanoma.

Vidaus vietose, tokiose kaip Narora ir Rawatbhatta, mažo lygio skystosios atliekos išleidžiamos į aplinką minimaliu lygiu. Pakrantės vietose, pvz., Tarapur ir Chennai, galima pastebėti didelį praskiedimą jūroje. Kietosioms atliekoms naudojamos ir saugomos skirtingų tipų saugojimo vietos, parinktos geologinio ir geologinio vertinimo pagrindu.

U-235 skilimas gamina daug radioaktyviųjų izotopų, pvz., Stroncio 90, cezio 137 ir bario 140. Šios atliekos radioaktyvios ir pavojingos apie 600 metų dėl stroncio ir cezio izotopų. Jei jie patenka į maisto ar vandens tiekimą, jie gali būti įvežami į žmonių kūnus, kur jie gali pakenkti.

Pavyzdžiui, organizmas negali atskirti radioaktyviojo stroncio ir kalcio. Plutonio ir kitų dirbtinai sukurtų atliekų elementų radioaktyvumas išlieka tūkstančius metų. Net ir nedideliais kiekiais plutonis gali sukelti vėžį arba genetinę (reprodukcinę) žalą žmonėms.

Didesni kiekiai gali sukelti radiacinę ligą ir mirtį. Šių atliekų saugus šalinimas yra viena iš branduolinės energijos gamybos problemų. Atliekos yra kruopščiai tvarkomos įtraukiant jas į inertines kietas matricas ir įdėjus jas į skardines, kurios laikomos vėsinant, kol radioaktyvumas pasiekia norimą lygį. Galiausiai, talpyklos laikomos tinkamoje geologinėje terpėje. Tačiau problema nėra visiškai išspręsta.

Branduolinio sprogimo padariniai:

Branduolinio sprogimo poveikis žmonėms, pastatams ir aplinkai gali labai skirtis, priklausomai nuo daugelio veiksnių. Šie veiksniai yra oro, reljefo, žemės paviršiaus sprogimo taškas ir ginklo derlius.

Ginklo sprogimas sukeltų keturis pagrindinius efektus:

i) Aukštakrosnės banga:

Sprogimas prasideda ugniagesio formavimu, kurį sudaro dulkių debesys ir labai karštos dujos esant labai aukštam slėgiui. Antroji dalis po sprogimo, dujos pradeda plėstis ir sudaro sprogimo bangą, dar vadinamą šoko banga.

Greitos bangos ir vėjas greičiausiai nužudytų daugumą žmonių per 5 kilometrus nuo žemės nulio ir kai kurie žmonės nuo 5 iki 10 kilometrų nuo žemės nulio. Daugelis kitų žmonių per 10 kilometrų nuo nulio būtų sužeisti.

ii) Šiluminė spinduliuotė:

Tai susideda iš ultravioletinių, matomų ir infraraudonųjų spindulių, kuriuos suteikia ugniasienė. Ultravioletinė spinduliuotė greitai absorbuojama ore esančiose dalelėse, todėl ji nedaro žalos. Tačiau matoma ir infraraudonoji spinduliuotė gali sukelti akių sužalojimus ir odos nudegimus, vadinamus blykstėmis.

20–30 proc. Hirosimos ir Nagasakio mirties priežastis buvo blykstės nudegimai. Šiluminė spinduliuotė taip pat gali užsidegti tokias labai degias medžiagas kaip laikraščiai ir sausi lapai. Šių medžiagų deginimas gali sukelti didelių gaisrų.

iii) Pradinė branduolinė spinduliuotė:

Tai išleidžiama per pirmą minutę po sprogimo. 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.

Saugos priemonės:

Pagrindiniai branduolinės energijos gamybos pavojai atsiranda dėl didelio radioaktyviųjų medžiagų kiekio, kurį gamina reaktorius. Šios medžiagos spinduliuojasi alfa, beta ir gama spindulių pavidalu. Taigi, branduolinių elektrinių aikštelės yra atrenkamos atsižvelgiant į saugos parametrus. Augalai yra suprojektuoti saugiam naudojimui, naudojant keletą apsaugos priemonių. Pripažindami žmogaus klaidų, įrangos veikimo sutrikimų ir ekstremalių gamtos reiškinių galimybes, augalai yra suprojektuoti pagal „gebėjimų ginti“ sąvoką

Reaktoriaus indą supa stori betono blokai, vadinami skydais, kurie paprastai užkerta kelią beveik visai spinduliuotei.

Šalyse, kuriose yra branduolinė energija, taisyklės riboja branduolinių elektrinių leidžiamą spinduliuotę. Kiekviename gamykloje yra prietaisų, kurie nuolat matuoja radioaktyvumą gamykloje ir aplink ją. Jei radioaktyvumas pakyla virš nustatyto lygio, jie automatiškai išsijungia. Jei reikia, reaktorius išjungiamas.

Įrenginio įprastinės saugos priemonės labai sumažina sunkios avarijos galimybę. Vis dėlto kiekvienoje gamykloje yra avarinės saugos sistemos. Galimos avarijos gali būti nuo reaktoriaus vandens vamzdžio pertraukos iki reaktoriaus indo nutekėjimo. Bet kuri tokia avarinė sistema automatiškai suaktyvina sistemą, kuri iš karto išjungia reaktorių - procesą, vadinamą scramming. Scramavimas paprastai atliekamas greitai įkišant valdymo strypus į šerdį.

Reaktoriaus vandens vamzdžio nuotėkis ar pertrauka gali turėti rimtų pasekmių, jei dėl to sumažėtų aušinimo skystis. Net po to, kai reaktorius buvo išjungtas, radioaktyviosios medžiagos, likusios reaktoriaus šerdyje, gali tapti tokios karštos, kad nepakaktų aušinimo skysčio. Ši sąlyga, vadinama susilpnėjimu, gali sukelti pavojingų radiacijos kiekių išsiskyrimą.

Daugeliu atvejų didelė reaktoriaus sandarinimo struktūra neleistų radioaktyvumui patekti į atmosferą. Tačiau yra maža tikimybė, kad išlydyta šerdis gali tapti pakankamai karšta, kad galėtų sudeginti per izoliacinės konstrukcijos grindis ir giliai į žemę.

Branduoliniai inžinieriai šią situaciją vadina „Kinijos sindromu“. Siekiant išvengti tokios avarijos, visi reaktoriai yra įrengti avarinio šerdies aušinimo sistema, kuri automatiškai užtvindys šerdį vandeniu, jei prarandama aušinimo sistema.

Darbuotojų iš visos šalies gaunamos išorinės spinduliuotės dozės stebimos kas mėnesį. Filmų stebėjimo paslauga teikiama medicinos, pramonės ir mokslinių tyrimų įstaigose dirbantiems žmonėms. Reaktoriuose, kuro perdirbimo gamyklose ir greitintuvuose dirbantiems žmonėms teikiamos termo-liuminescencinės dozimetro stebėjimo paslaugos ir greita neutronų stebėjimo paslauga.

Tarptautinė radiacinės saugos komisija (angl. ICRP) radiaciniams darbuotojams rekomendavo, kad per penkerius metus efektyvi dozė būtų 20 MSV per metus, o papildoma nuostata, kad veiksminga dozė per metus negali viršyti 50 MSV.

TATENA įvykius pagal tarptautinę branduolinių įvykių skalę (pagal skalę nuo 0 iki 7) priskiria priklausomai nuo sunkumo. Įvykiai, kurie gali būti vadinami „nelaimingais atsitikimais“ - 4 lygiu ir aukštesniu mastu - iki šiol įvyko Vakaruose (Černobylio skalėje buvo 7, Naroros ugnis - 3 lygiu). Be to, ginklų kompleksai turi daug daugiau su saugumu susijusių problemų.