Ядерная технология — это технология, которая включает ядерные реакции атомных ядер . Среди известных ядерных технологий — ядерные реакторы , ядерная медицина и ядерное оружие . Она также используется, среди прочего, в дымовых извещателях и прицелах .
Подавляющее большинство обычных природных явлений на Земле связаны только с гравитацией и электромагнетизмом , а не с ядерными реакциями. Это происходит потому, что атомные ядра обычно находятся отдельно, поскольку содержат положительные электрические заряды и, следовательно, отталкиваются друг от друга.
В 1896 году Анри Беккерель исследовал фосфоресценцию в солях урана , когда он открыл новое явление, которое стало называться радиоактивностью . [1] Он, Пьер Кюри и Мария Кюри начали исследовать это явление. В процессе они выделили элемент радий , который является высокорадиоактивным. Они обнаружили, что радиоактивные материалы производят интенсивные проникающие лучи трех различных видов, которые они обозначили как альфа, бета и гамма по первым трем греческим буквам . Некоторые из этих видов излучения могли проходить через обычное вещество, и все они могли быть вредными в больших количествах. Все ранние исследователи получали различные радиационные ожоги , очень похожие на солнечные ожоги , и не придавали этому значения.
Новое явление радиоактивности было взято на вооружение производителями шарлатанских лекарств (как и открытия электричества и магнетизма ранее), и был предложен ряд патентованных лекарств и методов лечения с использованием радиоактивности.
Постепенно стало понятно, что излучение, производимое радиоактивным распадом, является ионизирующим излучением , и что даже слишком малые для того, чтобы сжечь, количества могут представлять серьезную долгосрочную опасность . Многие ученые, работавшие над радиоактивностью, умерли от рака в результате своего облучения. Радиоактивные патентованные лекарства в основном исчезли, но другие применения радиоактивных материалов сохранились, например, использование солей радия для создания светящихся циферблатов на счетчиках .
По мере того, как атом становился более понятным, природа радиоактивности становилась яснее. Некоторые более крупные атомные ядра нестабильны и поэтому распадаются (высвобождают материю или энергию) после случайного интервала. Три формы излучения , которые открыли Беккерель и Кюри, также более полно изучены. 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 , высокоэнергетического электрона . Гамма-распад высвобождает гамма-лучи , которые в отличие от альфа- и бета-излучения являются не материей, а электромагнитным излучением очень высокой частоты , а следовательно, и энергией . Этот тип излучения является наиболее опасным и наиболее трудно блокируемым. Все три типа излучения встречаются в природе в определенных элементах .
Также стало ясно, что основным источником большей части земной энергии является ядерная энергия, получаемая либо посредством излучения Солнца, вызванного термоядерными реакциями звезд , либо посредством радиоактивного распада урана внутри Земли — основного источника геотермальной энергии .
В естественном ядерном излучении побочные продукты очень малы по сравнению с ядрами, из которых они происходят. Ядерное деление — это процесс расщепления ядра на примерно равные части и высвобождения энергии и нейтронов в этом процессе. Если эти нейтроны захватываются другим нестабильным ядром, они также могут делиться, что приводит к цепной реакции . Среднее число нейтронов, выделяемых одним ядром, которые продолжают делить другое ядро, 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 произойти немедленно, или ядро может сохраняться в нестабильном состоянии в течение короткого времени. Если есть достаточно немедленных распадов, чтобы продолжить цепную реакцию, масса, как говорят, становится мгновенной критической , и выделение энергии будет расти быстро и неконтролируемо, что обычно приводит к взрыву.
Когда это открытие было сделано накануне Второй мировой войны , оно побудило несколько стран начать программы по исследованию возможности создания атомной бомбы — оружия, которое использовало бы реакции деления для получения гораздо большего количества энергии, чем можно было бы создать с помощью химических взрывчатых веществ. Манхэттенский проект , реализуемый Соединенными Штатами при поддержке Великобритании и Канады , разработал оружие многократного деления, которое было использовано против Японии в 1945 году в Хиросиме и Нагасаки . В ходе проекта также были разработаны первые реакторы деления , хотя они в первую очередь предназначались для производства оружия и не вырабатывали электроэнергию.
В 1951 году первая атомная электростанция, работающая на основе деления, впервые начала производить электроэнергию на экспериментальном реакторе-размножителе № 1 (EBR-1) в Арко, штат Айдахо, что ознаменовало начало «атомного века» более интенсивного использования энергии человеком. [2]
Однако, если масса имеет решающее значение только при включении запаздывающих нейтронов, то реакцию можно контролировать, например, путем введения или удаления поглотителей нейтронов . Это то, что позволяет строить ядерные реакторы . Быстрые нейтроны нелегко захватываются ядрами; их необходимо замедлить (медленные нейтроны), как правило, путем столкновения с ядрами замедлителя нейтронов , прежде чем их можно будет легко захватить. Сегодня этот тип деления обычно используется для выработки электроэнергии.
Если ядра вынуждены столкнуться, они могут подвергнуться ядерному синтезу . Этот процесс может высвобождать или поглощать энергию. Когда полученное ядро легче, чем ядро железа , энергия обычно высвобождается; когда ядро тяжелее, чем ядро железа, энергия, как правило, поглощается. Этот процесс синтеза происходит в звездах , которые получают свою энергию из водорода и гелия . Они образуют посредством звездного нуклеосинтеза легкие элементы ( литий в кальций ), а также некоторые из тяжелых элементов (помимо железа и никеля , через S-процесс ). Оставшееся обилие тяжелых элементов, от никеля до урана и далее, обусловлено нуклеосинтезом сверхновых , R-процессом .
Конечно, эти естественные процессы астрофизики не являются примерами ядерной «технологии». Из-за очень сильного отталкивания ядер, синтез трудно достичь контролируемым образом. Водородные бомбы получают свою огромную разрушительную силу от синтеза, но их энергию нельзя контролировать. Управляемый синтез достигается в ускорителях частиц ; именно так производятся многие синтетические элементы . Фузор также может производить контролируемый синтез и является полезным источником нейтронов . Однако оба эти устройства работают с чистой потерей энергии. Управляемая, жизнеспособная термоядерная мощность оказалась неуловимой, несмотря на случайные обманы . Технические и теоретические трудности препятствовали развитию работающей гражданской технологии термоядерного синтеза, хотя исследования продолжаются и по сей день во всем мире.
Ядерный синтез изначально рассматривался только на теоретических стадиях во время Второй мировой войны, когда ученые Манхэттенского проекта (под руководством Эдварда Теллера ) исследовали его как метод создания бомбы. Проект отказался от синтеза после того, как пришел к выводу, что для его детонации потребуется реакция деления. Потребовалось время до 1952 года, чтобы взорвать первую полноценную водородную бомбу, так называемую потому, что она использовала реакции между дейтерием и тритием . Реакции синтеза гораздо более энергичны на единицу массы топлива , чем реакции деления, но начать цепную реакцию синтеза гораздо сложнее.
Ядерное оружие — это взрывное устройство, разрушительная сила которого возникает в результате ядерных реакций , либо деления , либо комбинации 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 поражения , и его использование и контроль стали важным аспектом международной политики с момента его появления.
Конструкция ядерного оружия сложнее, чем может показаться. Такое оружие должно удерживать одну или несколько подкритических делящихся масс, стабильных для развертывания, а затем вызывать критичность (создавать критическую массу) для детонации. Также довольно сложно гарантировать, что такая цепная реакция потребляет значительную часть топлива до того, как устройство разлетится на части. Закупка ядерного топлива также сложнее, чем может показаться, поскольку достаточно нестабильные вещества для этого процесса в настоящее время не встречаются на Земле в естественных условиях в подходящих количествах.
Один изотоп урана , а именно уран-235, встречается в природе и достаточно нестабилен, но он всегда находится в смеси с более стабильным изотопом ураном-238. Последний составляет более 99% веса природного урана. Поэтому для обогащения (выделения) урана-235 необходимо применить какой-то метод разделения изотопов, основанный на весе трех нейтронов .
В качестве альтернативы элемент плутоний обладает изотопом, который достаточно нестабилен для того, чтобы этот процесс был пригоден для использования. Земной плутоний в настоящее время не встречается в природе в достаточных количествах для такого использования, [3] поэтому его необходимо производить в ядерном реакторе .
В конечном итоге, Манхэттенский проект изготовил ядерное оружие на основе каждого из этих элементов. Они взорвали первое ядерное оружие в ходе испытания под кодовым названием « Тринити » недалеко от Аламогордо , штат Нью-Мексико , 16 июля 1945 года. Испытание проводилось для того, чтобы убедиться, что метод имплозивного взрыва сработает, что и произошло. Урановая бомба « Малыш » была сброшена на японский город Хиросиму 6 августа 1945 года, а через три дня за ней последовала бомба на основе плутония « Толстяк» на Нагасаки . После беспрецедентных разрушений и жертв от одного 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 по разработке все более разрушительных бомб для обеспечения ядерного сдерживания . Чуть более четырех лет спустя, 29 августа 1949 года, Советский Союз взорвал свое первое ядерное оружие . Соединенное Королевство последовало за ним 2 октября 1952 года; Франция — 13 февраля 1960 года; и Китай — компонент ядерного оружия. Примерно половина погибших в Хиросиме и Нагасаки погибли через два-пять лет от воздействия радиации. [4] [5] Радиологическое оружие — это тип ядерного оружия, предназначенный для распространения опасного ядерного материала на вражеских территориях. Такое оружие не будет иметь взрывной мощности бомбы деления или термоядерного синтеза, но убьет много людей и загрязнит большую территорию. Радиологическое оружие никогда не применялось. Хотя обычные военные считают такое оружие бесполезным, оно 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 испытаний ядерного оружия , пообещав воздержаться от испытаний ядерного оружия в атмосфере, под водой или в космическом пространстве . Договор разрешал подземные ядерные испытания . Франция продолжала атмосферные испытания до 1974 года, в то время как Китай продолжал до 1980 года. Последнее подземное испытание Соединенными Штатами было в 1992 году, Советским Союзом в 1990 году, Соединенным Королевством в 1991 году, а Франция и Китай продолжали испытания до 1996 года. После подписания Договора о всеобъемлющем запрещении испытаний ядерного оружия в 1996 году (который по состоянию на 2011 год не вступил в силу) все эти государства обязались прекратить все ядерные испытания. Не подписавшие его Индия и Пакистан последний раз испытывали ядерное оружие в 1998 году.
Ядерное оружие является самым разрушительным из известных видов оружия - архетипичным оружием массового поражения . На протяжении всей Холодной войны противоборствующие державы обладали огромными ядерными арсеналами, достаточными для уничтожения сотен миллионов людей. Поколения людей росли под тенью ядерного опустошения, изображенного в таких фильмах, как «Доктор Стрейнджлав» и «Атомное кафе» .
Однако колоссальное выделение энергии при взрыве ядерного оружия также предполагало возможность существования нового источника энергии.
Ядерная энергетика — это тип ядерной технологии, включающий контролируемое использование ядерного деления для высвобождения энергии для работы, включая движение, тепло и генерацию электроэнергии. Ядерная энергия вырабатывается посредством контролируемой ядерной цепной реакции, которая создает тепло, и которое используется для кипячения воды, производства пара и привода паровой турбины. Турбина используется для выработки электроэнергии и/или выполнения механической работы.
В настоящее время ядерная энергетика обеспечивает около 15,7% электроэнергии в мире (в 2004 году) и используется для приведения в движение авианосцев , ледоколов и подводных лодок (до сих пор экономические соображения и опасения в некоторых портах не позволяли использовать ядерную энергетику на транспортных судах). [6] Все атомные электростанции используют деление. Ни одна рукотворная реакция термоядерного синтеза не привела к созданию жизнеспособного источника электроэнергии.
Медицинское применение ядерных технологий подразделяется на диагностику и лучевую терапию.
Визуализация - Наибольшее применение ионизирующего излучения в медицине - это медицинская радиография для получения изображений внутренней части человеческого тела с помощью рентгеновских лучей. Это крупнейший искусственный источник радиационного облучения для людей. Медицинские и стоматологические рентгеновские аппараты используют кобальт-60 или другие источники рентгеновского излучения. Используется ряд радиофармацевтических препаратов , иногда присоединенных к органическим молекулам, чтобы действовать как радиоактивные индикаторы или контрастные вещества в организме человека. Нуклеотиды, излучающие позитроны, используются для получения изображений с высоким разрешением и короткими временными интервалами в приложениях, известных как позитронно-эмиссионная томография .
Радиация также используется для лечения заболеваний в лучевой терапии .
Поскольку некоторые ионизирующие излучения могут проникать сквозь вещество, их используют для различных методов измерения. Рентгеновские лучи и гамма-лучи используются в промышленной радиографии для получения изображений внутренней части твердых продуктов, как средство неразрушающего контроля и инспекции. Деталь, подлежащая рентгенографии, помещается между источником и фотопленкой в кассете. После определенного времени экспозиции пленка проявляется, и она показывает любые внутренние дефекты материала.
Датчики - Датчики используют экспоненциальный закон поглощения гамма-лучей.
Электростатический контроль - Чтобы избежать накопления статического электричества при производстве бумаги, пластика, синтетических тканей и т. д., можно разместить ленточный источник альфа-излучателя 241 Am вблизи материала в конце производственной линии. Источник ионизирует воздух для удаления электрических зарядов с материала.
Радиоактивные индикаторы - Поскольку радиоактивные изотопы ведут себя химически в основном как неактивный элемент, поведение определенного химического вещества можно проследить, отслеживая радиоактивность. Примеры:
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 радиации, которые опускаются в скважины для определения свойств окружающей породы, таких как пористость и литография.[1]
Строительство дорог - Ядерные измерители влажности/плотности используются для определения плотности грунтов, асфальта и бетона. Обычно используется источник цезия-137.
В биологии и сельском хозяйстве радиация используется для индукции мутаций с целью создания новых или улучшенных видов, например, в атомном садоводстве . Другим применением в борьбе с насекомыми является метод стерильных насекомых , когда самцов насекомых стерилизуют радиацией и выпускают, чтобы у них не было потомства, для сокращения популяции.
В промышленных и пищевых приложениях радиация используется для стерилизации инструментов и оборудования. Преимуществом является то, что объект может быть запечатан в пластик перед стерилизацией. Новое применение в производстве продуктов питания — стерилизация продуктов питания с помощью облучения продуктов питания .
Облучение пищевых продуктов [8] — это процесс воздействия на пищевые продукты ионизирующего излучения с целью уничтожения микроорганизмов , бактерий , вирусов или насекомых , которые могут присутствовать в пищевых продуктах. В качестве источников излучения используются радиоизотопные гамма-источники, рентгеновские генераторы и ускорители электронов. Другие области применения включают ингибирование прорастания, задержку созревания, увеличение выхода сока и улучшение регидратации. Облучение — это более общий термин преднамеренного воздействия на материалы радиации для достижения технической цели (в этом контексте подразумевается «ионизирующее излучение»). Как таковое, оно также используется на непищевых товарах, таких как медицинское оборудование, пластик, трубы для газопроводов, шланги для подогрева пола, термоусадочная фольга для упаковки пищевых продуктов , автомобильные детали, провода и кабели (изоляция), шины и даже драгоценные камни. По сравнению с количеством облучаемых пищевых продуктов объем этих повседневных применений огромен, но не замечается потребителем.
Истинный 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 деятельность. 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 полезны как для потребителя, так и для пищевой промышленности. [8]
Количество энергии, передаваемой для эффективного облучения пищевых продуктов, невелико по сравнению с их приготовлением; даже при типичной дозе 10 кГр большая часть пищевых продуктов, которая (с точки зрения нагревания) физически эквивалентна воде, нагреется всего лишь примерно на 2,5 °C (4,5 °F).
Особенностью обработки пищевых продуктов ионизирующим излучением является тот факт, 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 полезных эффектов, однако в то же время и новых проблем. Обработка твердой пищи ионизирующим излучением может обеспечить эффект, аналогичный тепловой пастеризации жидкостей, таких как молоко. Однако использование термина «холодная пастеризация» для описания облученных пищевых продуктов является спорным, поскольку пастеризация и облучение являются принципиально разными процессами, хотя предполагаемые конечные результаты в некоторых случаях могут быть схожими.
Противники облучения пищевых продуктов обеспокоены опасностью для здоровья, которую представляет для них индуцированная радиоактивность . [ необходима ссылка ] В отчете отраслевой группы поддержки Американского совета по науке и здравоохранению под названием «Облученные продукты» говорится: «Типы источников радиации, одобренные для обработки пищевых продуктов, имеют определенные уровни энергии, значительно ниже тех, которые могут привести к тому, что любой элемент в пище станет радиоактивным. Пища, подвергающаяся облучению, не становится более радиоактивной, чем багаж, проходящий через рентгеновский сканер в аэропорту, или зубы, прошедшие рентген». [9]
В настоящее время облучение пищевых продуктов разрешено более чем в 40 странах, а объемы облучения, по оценкам, превышают 500 000 метрических тонн (490 000 длинных тонн; 550 000 коротких тонн) в год по всему миру. [10] [11] [12]
Облучение пищевых продуктов по сути является неядерной технологией; она основана на использовании ионизирующего излучения, которое может быть сгенерировано ускорителями для электронов и преобразования в тормозное излучение, но которое может также использовать гамма-лучи от ядерного распада. Существует мировая индустрия обработки ионизирующим излучением, большинство по количеству и мощности обработки используют ускорители. Облучение пищевых продуктов является лишь нишевым применением по сравнению с медицинскими принадлежностями, пластиковыми материалами, сырьем, драгоценными камнями, кабелями и проводами и т. д.
Ядерные аварии, из-за мощных задействованных сил, часто очень опасны. Исторически первые инциденты были связаны со смертельным облучением радиацией . Мария Кюри умерла от апластической анемии , которая была вызвана ее высокими уровнями облучения. Двое ученых, американец и канадец соответственно, Гарри Даглиан и Луи Слотин , умерли после неправильного обращения с той же массой плутония . В отличие от обычного оружия, интенсивный свет, тепло и взрывная сила являются не единственными смертоносными компонентами ядерного оружия. Примерно половина смертей в Хиросиме и Нагасаки умерли через два-пять лет от облучения радиацией. [4] [5]
Гражданские ядерные и радиационные аварии в основном связаны с атомными электростанциями. Наиболее распространенными являются утечки ядерного топлива, которые подвергают рабочих воздействию опасных материалов. Ядерный расплав относится к более серьезной опасности выброса ядерного материала в окружающую среду. Самые значительные расплавления произошли на Три-Майл-Айленде в Пенсильвании и в Чернобыле в Советской Украине . Землетрясение и цунами 11 марта 2011 года нанесли серьезный ущерб трем ядерным реакторам и бассейну хранения отработанного топлива на АЭС Фукусима-1 в Японии. Военные реакторы, которые испытали подобные аварии, были Windscale в Соединенном Королевстве и SL-1 в Соединенных Штатах.
Военные аварии обычно связаны с потерей или неожиданной детонацией ядерного оружия. Испытание Castle Bravo в 1954 году дало большую мощность, чем ожидалось, что привело к загрязнению близлежащих островов, японского рыболовецкого судна (с одним смертельным исходом) и вызвало опасения по поводу зараженной рыбы в Японии. В 1950-1970-х годах несколько ядерных бомб были потеряны с подводных лодок и самолетов, некоторые из которых так и не были найдены. За последние двадцать лет [ по состоянию на? ] наблюдается заметное снижение числа таких аварий.
Сторонники ядерной энергетики отмечают, что ежегодно электроэнергия, вырабатываемая на атомных электростанциях, сокращает выбросы углекислого газа на 470 миллионов метрических тонн, которые в противном случае возникали бы при использовании ископаемого топлива. [13] Кроме того, сравнительно небольшое количество отходов, которые создает ядерная энергетика, безопасно утилизируется крупномасштабными объектами по производству ядерной энергии или перерабатывается для других целей. [14] Сторонники ядерной энергетики также обращают внимание на альтернативную стоимость использования других форм электроэнергии. Например, Агентство по охране окружающей среды оценивает, что уголь убивает 30 000 человек в год [15] в результате его воздействия на окружающую среду, в то время как 60 человек погибли в результате катастрофы на Чернобыльской АЭС. [16] Реальным примером воздействия, представленным сторонниками ядерной энергетики, является увеличение выбросов углерода на 650 000 тонн за два месяца после закрытия атомной электростанции Vermont Yankee. [17]
