Ядерные технологии - Википедия - Nuclear technology

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста помоги Улучши это или обсудите эти вопросы на страница обсуждения. (Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны) Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Ядерные технологии»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Ноябрь 2006 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) Эта статья ведущий раздел может быть слишком коротким, чтобы адекватно подвести итог его ключевые моменты. Пожалуйста, подумайте о расширении интереса до предоставить доступный обзор обо всех важных аспектах статьи. (Март 2011 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Жилой детектор дыма это самая знакомая часть ядерной технологии для некоторых людей

Ядерная технология это технология, которая включает ядерные реакции из атомные ядра. Среди известных ядерных технологий: ядерные реакторы, ядерная медицина и ядерное оружие. Он также используется, среди прочего, в детекторы дыма и прицелы.

История и научное обоснование

Открытие

Подавляющее большинство обычных природных явлений на Земле связаны только с сила тяжести и электромагнетизм, а не ядерные реакции. Это потому, что атомные ядра обычно находятся отдельно, потому что они содержат положительные электрические заряды и поэтому отталкиваются друг от друга.

В 1896 г. Анри Беккерель расследовал фосфоресценция в уран соли, когда он обнаружил новое явление, которое назвали радиоактивность.^[1] Он, Пьер Кюри и Мари Кюри начал исследовать явление. В процессе они изолировали элемент радий, который очень радиоактивен. Они обнаружили, что радиоактивные материалы производят интенсивные проникающие лучи трех разных типов, которые они назвали альфа, бета и гамма после первых трех. Греческие буквы. 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, так же, как солнечный ожог, и мало думал об этом.

Новое явление радиоактивности подхватили производители шарлатанское лекарство (как и открытия электричество и магнетизм, ранее), и ряд патентованные лекарства и были предложены методы лечения, связанные с радиоактивностью.

Постепенно выяснилось, что излучение от радиоактивного распада ионизирующего излучения, и что даже слишком маленькие для сжигания количества могут вызвать серьезная долгосрочная опасность. Многие ученые, работавшие над радиоактивностью, умерли от рак в результате их воздействия. Радиоактивные патентные лекарства в основном исчезли, но сохранялись и другие применения радиоактивных материалов, такие как использование солей радия для производства светящиеся циферблаты на счетчиках.

По мере того, как атом стал лучше понимать, природа радиоактивности стала яснее. Некоторые более крупные атомные ядра нестабильны, и поэтому разлагаться (высвободить материю или энергию) через случайный интервал. Три формы радиация что открытые Беккерель и Кюри также более понятны. Альфа-распад это когда ядро ​​высвобождает альфа-частица, то есть два протоны и два нейтроны, что эквивалентно гелий ядро. Бета-распад это выпуск бета-частица, высокоэнергетический электрон. Гамма-распад релизы гамма излучение, которые в отличие от альфа- и бета-излучения не имеют значения, а электромагнитное излучение очень высокого частота, и поэтому энергия. Этот вид излучения наиболее опасен и его труднее всего заблокировать. Все три типа излучения возникают в природе в определенные элементы.

Также стало ясно, что основным источником большей части земной энергии является ядерная энергия, либо через излучение солнце вызванный звездные термоядерные реакции или радиоактивным распадом урана на Земле, основного источника геотермальная энергия.

Ядерное деление

При естественном ядерном излучении побочные продукты очень малы по сравнению с ядрами, из которых они происходят. Ядерное деление - 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 цепная реакция. Среднее количество нейтронов, выпущенных на одно ядро, которые переходят к делению другого ядра, называется k. Ценности k больше 1 означает, 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 критическая масса.

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, говорят, что масса равна срочный критический, и выделение энергии будет быстро и бесконтрольно расти, что обычно приводит к взрыву.

Когда обнаружено накануне Вторая Мировая Война, это понимание побудило несколько стран начать программы, изучающие возможность создания Атомная бомба - оружие, использующее реакции деления для выработки гораздо большего количества энергии, чем можно было бы создать с помощью химических взрывчатых веществ. В Манхэттенский проект, управляемый Соединенные Штаты с помощью объединенное Королевство и Канада, разработали оружие множественного деления, которое применялось против Япония в 1945 г. Хиросима и Нагасаки. В ходе проекта первые реакторы деления также были разработаны, хотя в основном они предназначались для производства оружия и не производили электричество.

В 1951 году первая ядерная 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.^[2]

Однако, если масса имеет решающее значение только при учете запаздывающих нейтронов, то реакцию можно контролировать, например, путем введения или удаления поглотители нейтронов. Это то, что позволяет ядерные реакторы быть построенным. Быстрые нейтроны нелегко захватить ядром; они должны быть замедлены (медленные нейтроны), как правило, путем столкновения с ядрами замедлитель 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 термоядерная реакция. Этот процесс может высвобождать или поглощать энергию. Когда полученное ядро ​​легче, чем у утюг, энергия выделяется нормально; когда ядро ​​тяжелее, чем у железа, энергия обычно поглощается. Этот процесс слияния происходит в звезды, которые получают свою энергию от водород и гелий. Они образуют через звездный нуклеосинтез, световые элементы (литий к кальций ), а также некоторые тяжелые элементы (помимо железа и никель, через S-процесс ). Остающееся изобилие тяжелых элементов, от никеля до урана и других, связано с нуклеосинтез сверхновой, то R-процесс.

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 синтеза, но их энергию невозможно контролировать. Контролируемый синтез достигается в ускорители частиц; это сколько синтетические элементы производятся. А фузор может также производить управляемый синтез и является полезным источник нейтронов. Однако оба этих устройства работают с чистыми потерями энергии. Контролируемый, жизнеспособный термоядерная энергия оказалось неуловимым, несмотря на случайные фальсификация. Технические и теоретические трудности препятствовали развитию работающей гражданской технологии термоядерного синтеза, хотя исследования продолжаются по сей день во всем мире.

Ядерный синтез первоначально проводился только на теоретических этапах во время Второй мировой войны, когда ученые Манхэттенского проекта (во главе с Эдвард Теллер ) исследовал это как метод создания бомбы. В проекте отказались от термоядерного синтеза после того, как пришли к выводу, что для его детонации потребуется реакция деления. До 1952 года потребовалось первое полное водород бомба должна быть взорвана, так называемая, потому что она использовала реакции между дейтерий и тритий. Реакции синтеза гораздо более энергичны на единицу массы топливо чем реакции деления, но запустить цепную реакцию синтеза намного труднее.

Ядерное оружие

Ядерное оружие - это взрывное устройство, разрушительная сила которого ядерные реакции, либо деление или сочетание деления и слияние. 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 оружие массового поражения, и их использование и контроль были основным аспектом международной политики с момента их дебюта.

В конструкция ядерного оружия сложнее, чем 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. Закупка 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 изотоп из уран, а именно уран-235, встречается в природе и достаточно нестабилен, но всегда находится в смеси с более стабильным изотопом уран-238. На долю последнего приходится более 99% веса природного урана. Поэтому какой-то метод разделение изотопов исходя из веса трех нейтроны должен быть выполнен обогащать (выделить) уран-235.

В качестве альтернативы элемент плутоний обладает изотопом, который достаточно нестабилен для использования в этом процессе. Земной плутоний в настоящее время не встречается в естественных условиях в достаточных количествах для такого использования,^[3] поэтому он должен быть изготовлен в ядерный реактор.

В конечном итоге Манхэттенский проект изготовили ядерное оружие на основе каждого из этих элементов. Они взорвали первое ядерное оружие в тест под кодовым названием "Троица ", возле Аламогордо, Нью-Мексико 16 июля 1945 г. Испытания проводились с целью убедиться, что метод имплозии детонации сработает, что и сработало. Урановая бомба, Маленький мальчик, упал на Японский город Хиросима 6 августа 1945 г., а через три дня последовала установка на основе плутония. Толстяк на Нагасаки. После беспрецедентных разрушений и потерь от единственного оружия японское правительство вскоре сдалось, закончив Вторая Мировая Война.

С эти взрывы, ядерное оружие в наступательных целях не применялось. Тем не менее они побудили гонка вооружений разрабатывать все более разрушительные бомбы, чтобы обеспечить средство ядерного сдерживания. Чуть более четырех лет спустя, 29 августа 1949 г. Советский союз взорвал его первое оружие деления. В объединенное Королевство последовал 2 октября 1952 г .; Франция 13 февраля 1960 г .; и Китай компонент ядерного оружия. Примерно половина смертей от Хиросима и Нагасаки умер через два-пять лет от радиационного облучения.^[4][5] А радиологическое оружие это вид ядерного оружия, предназначенный для распространения опасных ядерных материалов на территории противника. 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. ядерный терроризм.

Там были более 2000 ядерных испытаний проводится с 1945 года. В 1963 году все ядерные и многие неядерные государства подписали Договор об ограниченном запрещении испытаний, обязуясь воздерживаться от испытание ядерного оружия в атмосфере, под водой или в космическое пространство. Договор разрешил 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, и Франция и Китай продолжали испытания до 1996 года. то Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний в 1996 году (который по состоянию на 2011 год не вступил в силу) все эти государства обязались прекратить все ядерные испытания. Не подписавшие Индия и Пакистан Последнее испытание ядерного оружия проводилось в 1998 году.

Ядерное оружие - это самое разрушительное оружие из известных - архетипическое оружие массового поражения. На протяжении Холодная война у противоборствующих держав были огромные ядерные арсеналы, достаточные, 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 авианосцы, ледоколы и подводные лодки (до сих пор экономика и опасения в некоторых портах препятствовали использованию ядерной энергии на транспортных судах).^[6] Все атомная электростанция использовать 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 - наибольшее использование ионизирующего излучения в лекарство в медицинская рентгенография делать снимки 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. Номер радиофармпрепараты используются, иногда присоединенные к органическим молекулам, в качестве радиоактивных индикаторов или контрастных агентов в организме человека. Нуклеотиды, излучающие позитроны, используются для получения изображений с высоким разрешением и коротким промежутком времени в приложениях, известных как Позитронно-эмиссионная томография.

Радиация также используется для лечения заболеваний в радиационная терапия.

Промышленное применение

Поскольку некоторое ионизирующее излучение может проникать внутрь вещества, они используются для различных методов измерения. Рентгеновские лучи и гамма-лучи используются в промышленная радиография делать изображения внутренней части твердых изделий, как средство неразрушающий контроль и осмотр. Предмет для рентгенографии помещается между источником и фотопленкой в ​​кассете. По истечении определенного времени экспонирования пленка проявляется, и на ней видны внутренние дефекты материала.

Манометры - Датчики используют экспоненциальный закон поглощения гамма-лучей

• Индикаторы уровня: источник и детектор размещаются с противоположных сторон 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, измеренный детектором излучения, зависит от толщины материала. Это полезно для непрерывного производства бумаги, резины и т. Д.

Электростатический контроль - Чтобы избежать накопления статического электричества при производстве бумаги, пластика, синтетических тканей и т. Д., Источник альфа-излучателя в форме ленты ²⁴¹Являюсь может быть размещен 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 неактивные элементы, поведение определенного химического вещества может сопровождаться отслеживание 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- Ядерная каротаж 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]

Дорожное строительство - Ядерные датчики влажности / плотности используются для определения плотности грунтов, асфальта и бетона. Обычно используется источник цезия-137.

Коммерческие приложения

• радиолюминесценция
• тритиевое освещение: Тритий используется с люминофор в прицелах 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.^[7]
• Бетавольтаика.
• Детектор дыма: ионизация детектор дыма включает крошечную массу радиоактивных америций -241, который является источником альфа-излучение. Две ионизационные камеры расположены рядом друг с другом. Оба содержат небольшой источник ²⁴¹Являюсь что вызывает 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 биология и сельское хозяйство, радиация используется, чтобы вызвать мутации для производства новых или улучшенных видов, например, в атомное садоводство. Другое использование в борьба с насекомыми это метод стерильных насекомых, где самцы насекомых стерилизуются радиацией и выпускаются, чтобы у них не было потомства, чтобы сократить популяцию.

В промышленности и пищевой промышленности излучение используется для стерилизация инструментов и оборудования. Преимущество состоит в том, что объект может быть запечатан в пластик перед стерилизацией. Новое использование в производство продуктов питания стерилизация пищевых продуктов с использованием облучение пищевых продуктов.

В Радура логотип, используемый для обозначения того, что еда была обработана ионизирующим излучением.

Облучение пищевых продуктов^[8] это процесс воздействия на пищу ионизирующего излучения чтобы разрушить микроорганизмы, бактерии, вирусы, или же насекомые что может присутствовать в пище. Используемые источники излучения включают радиоизотопные источники гамма-излучения, генераторы рентгеновского излучения и ускорители электронов. Другие применения включают подавление прорастания ростков, задержку созревания, увеличение выхода сока и улучшение регидратации. Облучение - это более общий термин, обозначающий преднамеренное воздействие излучения на материалы для достижения технической цели (в данном 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.

Истинный эффект обработки пищевых продуктов ионизирующим излучением связан с повреждением ДНК, базовый генетическая информация 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 для потребителей и 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 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, потому что пастеризация и облучение - это принципиально разные процессы, хотя предполагаемые конечные результаты в некоторых случаях могут быть одинаковыми.

Противники облучения пищевых продуктов опасаются опасности для здоровья наведенная радиоактивность.^{[нужна цитата ]} Отчет для отраслевой группы защиты интересов Американский совет по науке и здоровью под названием «Облученные продукты питания» говорится: «Типы источников излучения, одобренных для обработки пищевых продуктов, имеют удельные уровни энергии, значительно ниже тех, которые могут вызвать превращение любого элемента в пище в радиоактивный. Пища, подвергающаяся облучению, не становится более радиоактивной, чем проходящий через нее багаж рентгеновский сканер в аэропорту или зубы, прошедшие рентгенографию ". ^[9]

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.^[10][11][12]

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, пластиковыми материалами, сырьем, драгоценными камнями, кабелями, проводами и т. Д.

Несчастные случаи

Ядерные аварии из-за задействованных мощных сил часто очень опасны. Исторически первые инциденты были со смертельным исходом. облучение. Мари Кюри умер от апластическая анемия что было результатом ее высокого уровня воздействия. Два ученых, соответственно американец и канадец, Гарри Даглян и Луи Слотин, умер после неправильного обращения с та же масса плутония. В отличие от обычного оружия, интенсивный свет, высокая температура и сила взрыва - не единственные смертоносные компоненты ядерного оружия. Примерно половина смертей от Хиросима и Нагасаки умер через два-пять лет от радиационного облучения.^[4][5]

Гражданское лицо ядерный и радиологический аварии в первую очередь связаны с атомными электростанциями. Чаще всего происходят ядерные утечки, в результате которых рабочие подвергаются воздействию опасных материалов. А ядерный расплав относится к более серьезной опасности выброса ядерного материала в окружающую среду. Наиболее значительные аварии произошли в Три Майл Айленд в Пенсильвания и Чернобыль в Советский Украина. Землетрясение и цунами 11 марта 2011 г. нанесли серьезный ущерб трем ядерным реакторам и пруду для хранения отработавшего топлива на АЭС «Фукусима-дайити» в Японии. Военные реакторы, испытавшие аналогичные аварии, были Windscale в объединенное Королевство и SL-1 В Соединенных Штатах.

Военные аварии обычно связаны с потерей или неожиданным взрывом ядерного оружия. В Замок Браво испытание в 1954 г. дало больший урожай, чем ожидалось, что привело к загрязнению близлежащих островов, японского рыболовецкого судна (с одним погибшим) и вызвало опасения по поводу зараженных 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. Последние двадцать лет^{[как? ]} наблюдается заметное снижение таких аварий.

Смотрите также

• Атомный век
• Списки ядерных катастроф и радиоактивных инцидентов
• Обсуждение ядерной энергетики
• Краткое описание ядерных технологий

Рекомендации

внешняя ссылка

• Институт ядерной энергии - полезное использование излучения
• Ядерные технологии
• Национальный центр разработки изотопов - Источник изотопов правительства США для фундаментальной и прикладной ядерной науки и ядерных технологий - производство, исследования, разработки, распространение и информация