Кіріспе
Атом ядроларының реакцияларын қолданатын технология. Ядролық технология – атом ядроларының ядролық реакцияларын қолданатын технология. Көзге түсетін ядролық технологиялардың ішінде ядролық реакторлар, ядролық медицина және ядролық қарулар бар. Сонымен қатар, ол басқа да көптеген салаларда, мысалы, түтін дабылдарында және қарудың оқшаулау құралдарында қолданылады.
Nuclear technology is technology that involves the nuclear reactions of atomic nuclei. Among the notable nuclear technologies are nuclear reactors, nuclear medicine and nuclear weapons. It is also used, among other things, in smoke detectors and gun sights.
Ашылу
Жер бетіндегі көптеген табиғи құбылыстардың басым бөлігі ауырлық күші мен электромагнетизмге байланысты, ал ядролық реакцияларға емес. Өйткені атом ядроларының құрамында оң электр заряды болады, сондықтан олар бір-бірін итермелейді де, жақын келмейді. 1896 жылы Анри Беккерель уран тұздарындағы люминесценцияны зерттеу барысында радиоактивтілік деп аталатын жаңа құбылысты ашты. Ол, Пьер Кюри және Мари Кюри осы құбылысты зерттеуді бастады. Осы процесте олар радий элементін бөліп алды, ол жоғары радиоактивті. Олар радиоактивті материалдардан үш түрлі, тереңдеу түсетін сәулелер шығатынын анықтады және оларды грек алфавитінің бірінші үш әрпімен – альфа, бета және гамма деп атады. Осы сәулелердің кейбіреулері қарапайым заттардан өте алады, ал барлығы да үлкен дозада зиянды. Алғашқы зерттеушілердің көпшілігі күн күйігіне ұқсас сәулеленуден зардап шекті, бірақ оған көп мән бермеді. Радиоактивтіліктің жаңа құбылысын шарлатан дәрі-дәрмек жасаушылар (бұрын электр мен магнетизмнің ашылуларында болғандай) пайдаланды, соның нәтижесінде радиоактивтілікті қолданатын бірнеше патенттелген дәрі-дәрмектер мен емдеулер ұсынылды. Бірте-бірте радиоактивті ыдырау нәтижесінде туындайтын сәулеленудің иондаушы сәулелену екені және тіпті күйдіруге жеткіліксіз мөлшерде болса да, ұзақ мерзімді қауіп тудыруы мүмкін екені анықталды. Радиоактивтілікпен айналысқан көптеген ғалымдар осының салдарынан рактан қайтыс болды. Радиоактивті патенттелген дәрілер көбінесе жойылды, бірақ радиоактивті материалдарды қолданудың басқа да түрлері сақталды, мысалы, радий тұздарын қолданып, приборлардың циферблаттарын жарқыратып жасау. Атом туралы білім арта түскен сайын радиоактивтіліктің мәні де ашық бола түсті. Кейбір үлкен атом ядролары тұрақсыз болады және белгілі бір уақыт өткен соң ыдырайды (материя немесе энергия шығарады). Беккерель мен Кюри ашқан сәулеленудің үш түрі де жақсырақ түсінілді. Альфа-ыдырау – ядро альфа бөлшегін шығарады, ол екі протон мен екі нейтроннан тұрады, яғни гелий ядросына тең. Бета-ыдырау – жоғары энергиялы электрон болып табылатын бета бөлшегінің шығарылуы. Гамма-ыдырау гамма сәулелерін шығарады, олар альфа және бета сәулеленуінен айырмашылығы – материя емес, өте жоғары жиілікті электромагниттік сәулелену, демек, энергия. Осы сәулелену түрі ең қауіпті және тоқтатуы ең қиын. Сәулеленудің үш түрі де белгілі бір элементтерде табиғи түрде кездеседі. Сондай-ақ, жер бетіндегі энергияның басты көзі ядролық энергия екені белгілі болды, ол жұлдыздардағы термоядролық реакциялардың нәтижесінде туындаған Күн сәулесі арқылы немесе Жер ішіндегі уранның радиоактивті ыдырауы арқылы, геотермальдық энергияның негізгі көзі болып табылады.
Ядролық бөліну
Табиғи ядролық сәулелену кезінде қосалқы өнімдер, олардан пайда болған ядроларға қарағанда өте шағын болады. Ядролық бөліну – ядроны шамамен тең бөліктерге бөлу процесі, нәтижесінде энергия мен нейтрондар шығарылады. Егер осы нейтрондар басқа тұрақсыз ядроға түсіп, оны да бөліндірсе, тізбекті реакция басталады. Бір ядродан бөлінуге қабілетті нейтрондардың орташа саны k деп аталады. k-ның 1-ден жоғары мәні ядролық бөліну реакциясы сіңірілген нейтрондардан гөрі көбірек нейтрондарды шығарады дегенді білдіреді, сондықтан мұндай реакцияны өзін-өзі ұстап тұратын тізбекті реакция деп атайды. Өзін-өзі ұстап тұратын тізбекті реакцияны іске қосуға жеткілікті массасы (және тиісті конфигурациясы бар) бөлінетін материалдың массасы – сындық масса деп аталады. Нейтрон сәйкес ядроға түскен кезде, бөліну дереу орын алуы мүмкін, немесе ядро қысқа уақытқа тұрақсыз күйде қалуы мүмкін. Егер тізбекті реакцияны жалғастыру үшін жеткілікті жылдам ыдыраулар болса, онда масса жылдам сындық деп есептеледі, ал энергияның шығарылуы тез және бақылаусыз өседі, көбінесе жарылысқа алып келеді. Екінші дүниежүзілік соғыстың алдында ашылған осы жайт, көптеген елдерді атом бомбасын жасау мүмкіндігін зерттеу бағдарламаларын бастауға итермеледі – химиялық жарылғыш заттарға қарағанда әлдеқайда көп энергияны бөліп шығаруға қабілетті, бөліну реакцияларын пайдаланатын қару. АҚШ, Ұлыбритания және Канаданың бірлескен күштерімен жүзеге асырылған Манхэттен жобасы 1945 жылы Жапонияның Хиросима және Нагасаки қалаларына қарсы қолданылған бірнеше бөліну қаруларын жасады. Жоба барысында алғашқы ядролық бөліну реакторлары да құрылды, бірақ олар негізінен қару-жарақ өндірісі үшін пайдаланылды және электр энергиясын өндірмеді. 1951 жылы Айдахо штатының Арко қаласындағы №1 Эксперименттік көбейткіш реакторда (EBR 1) алғашқы ядролық бөліну электр станциясы электр энергиясын өндірді, бұл "Атомдық дәуірдің" бастауын берді – адамзаттың энергияны күштірек пайдалану кезеңі. Дегенмен, егер масса тек кешіктірілген нейтрондар ескерілгенде ғана сындық болса, онда реакцияны, мысалы, нейтрондарды сіңіретін заттарды енгізу немесе алып тастау арқылы бақылауға болады. Осы мүмкіндік ядролық реакторлардың құрылысын қамтамасыз етеді. Жылдам нейтрондарды ядролар оңай сіңіре алмайды; оларды оңай сіңіру үшін, әдетте, нейтрондық баяулатушының ядроларымен соқтығыстыру арқылы баяулату қажет. Бүгінде осы типтегі бөліну электр энергиясын өндіру үшін кеңінен қолданылады.
Ядролық синтез
Егер ядроларды соқтығысуға мәжбүр етсек, олар ядролық синтезге ұшырайды. Бұл процесс энергияны бөліп шығарады немесе сіңіреді. Нәтижесінде алынған ядро темірден жеңіл болса, энергия көбінесе босатылады; ал ядро темірден ауыр болса, энергия көбінесе сіңіріледі. Бұл синтез процесі жұлдыздарда жүреді, олар энергиясын сутегі мен гелийден алады. Олар жұлдыздық нуклеосинтез арқылы жеңіл элементтерді (литийден кальцийге дейін), сондай-ақ кейбір ауыр элементтерді (темір мен никельден тыс, S процесі арқылы) құрайды. Никельден уранға дейін және одан да ауыр элементтердің қалған мөлшері суперновалық нуклеосинтез, R процесінің нәтижесінде пайда болады. Әрине, астрофизиканың осы табиғи процестері ядролық "технологияның" мысалдары емес. Ядролардың өте күшті итергіш күшіне байланысты, синтезді бақыланатын түрде жүзеге асыру қиын. Сутегі бомбалары орасан зор құрту күшін синтезден алады, бірақ олардың энергиясын бақылау мүмкін емес. Бақыланатын синтез бөлшектер үдеткіштерінде жүзеге асырылады; осылайша көптеген синтетикалық элементтер жасалады. Фюзор да бақыланатын синтезді өндіре алады және пайдалы нейтрон көзі болып табылады. Дегенмен, бұл екі құрылғының да энергия шығыны байқалады. Бақыланатын, тиімді синтез қуаты, түрлі алдауларға қарамастан, қол жеткізу қиын болып шықты. Техникалық және теориялық қиындықтар жұмыс істейтін азаматтық синтез технологиясын дамытуға кедергі келтірді, бірақ зерттеулер бүгінгі күнге дейін әлемде жалғасуда. Ядролық синтез бастапқыда екінші дүниежүзілік соғыс кезінде ғана теориялық деңгейде зерттелді, сол кезде Манхэттен жобасының ғалымдары (Эдвард Теллер басқарған) оны бомба жасау әдісі ретінде қарастырды. Жоба бөліну реакциясының қажеттігіне байланысты синтезден бас тартты. 1952 жылы алғашқы толыққанды сутегі бомбасы сынақтан өтті, себебі ол дейтерий мен тритий арасындағы реакцияларды пайдаланды. Синтез реакциялары отынның бірлік массасына шаққанда бөліну реакцияларына қарағанда әлдеқайда күшті, бірақ синтез тізбекті реакциясын бастау әлдеқайда қиын.
Ядролық қару
Ядролық қару – ядролық реакциялардан, яғни бөлінуден немесе бөліну мен қосылудың үйлесімінен жойғыш күшін алатын жарылғыш құрылғы. Екі реакция да салыстырмалы түрде аз мөлшердегі материядан үлкен мөлшерде энергияны босатады. Тіпті кішкентай ядролық құрылғылар да жарылыс, өрт және радиация арқылы қаланы қиратуға қабілетті. Ядролық қарулар жаппай қырып-жоятын қарулар саналады және оларды қолдану мен бақылау халықаралық саясаттың маңызды аспектісі болып табылады. Ядролық қарудың құрылымы көрінетіннен гөрі күрделі. Мұндай қару бір немесе бірнеше сындық емес бөлінетін массаларды орналасу үшін тұрақты ұстауы керек, содан кейін жарылыс үшін сындыққа (критикалық массаны құруға) көшуді қамтамасыз етуі керек. Сондай-ақ, мұндай тізбекті реакция құрылғы бөлшектенбес бұрын отынның маңызды бөлігін жаққанын қамтамасыз ету өте қиын. Ядролық отынды алу да көрінетіннен қиын, себебі бұл процеске жеткілікті тұрақсыз заттар қазіргі уақытта Жерде табиғи түрде жеткілікті мөлшерде кездеспейді. Уранның бір изотопы, атап айтқанда уран-235 табиғи түрде кездеседі және жеткілікті тұрақсыз, бірақ ол әрқашан көбірек тұрақты уран-238 изотопымен қосылған күйде табылады. Соңғысы табиғи уранның салмағының 99%-дан астамын құрайды. Сондықтан, уран-235-ті байыту (бөлгіш) үшін үш нейтронның салмағына негізделген изотопты бөлу әдісін қолдану қажет. Балама ретінде, плутоний элементінің изотопы осы процеске жеткілікті тұрақсыз. Жер бетіндегі плутоний қазіргі уақытта мұндай қолдану үшін жеткілікті мөлшерде табиғи түрде кездеспейді, сондықтан оны ядролық реакторда жасау керек. Нәтижесінде, Манхэттен жобасы осы элементтердің әрқайсысына негізделген ядролық қаруды жасады. Олар алғашқы ядролық қаруды 1945 жылдың 16 шілдесінде Нью-Мексико штатының Аламогордо қаласының жанында "Тринити" кодолық атымен сынақтан өткізді. Сынақ имплозиялық әдістің жарылысын қамтамасыз ету үшін жүргізілді, және ол сәтті аяқталды. 1945 жылдың 6 тамызында Хиросима қаласына ураннан жасалған "Литтл Бой" бомбасы тасталды, үш күннен кейін Нагасаки қаласына плутонийден жасалған "Фат Мэн" бомбасы тасталды. Теңдесіз қирату мен бір ғана қарудан туған зор шығындардан кейін, Жапон үкіметі жақын арада капитуляциялап, Екінші дүниежүзілік соғысты аяқтады. Осы бомбалаудан кейін, ешқандай ядролық қару шабуылдық мақсатта қолданылмады. Дегенмен, олар ядролық қаруды жоюға бағытталған қару-жарақ жарысына түрткі болды. Төрт жылдан кейін, 1949 жылдың 29 тамызында Кеңес Одағы өзінің алғашқы бөліну қаруын сынады. Ұлыбритания 1952 жылдың 2 қазанында, Франция 1960 жылдың 13 ақпанында, ал Қытай ядролық қару құрауышы ел болды. Хиросима мен Нагасакидегі өлімдердің шамамен жартысы екі-бес жылдан кейін радиациялық әсерден қайтыс болды. Радиологиялық қару – жау территориясында қауіпті ядролық материалды таратуға арналған ядролық қару түрі. Мұндай қару бөліну немесе қосылу бомбасының жарылыс қабілетіне ие болмайды, бірақ көптеген адамдарды өлтіріп, үлкен аумақты ластай алады. Радиологиялық қару ешқашан қолданылмаған. Конвенциялық әскерилер бұл қаруды пайдасыз деп есептесе де, ол ядролық терроризм туралы алаңдаушылықты тудырады. 1945 жылдан бері 2000-нан астам ядролық сынақтар жүргізілді. 1963 жылы ядролық және көптеген ядролық емес мемлекеттер атмосферада, су астында немесе ғарыш кеңістігінде ядролық қаруларды сынаудан бас тартуға міндеттенген "Шектелген сынақтарға тыйым салу шартына" қол қойды. Шарт жер астындағы ядролық сынақтарға рұқсат берді. Франция 1974 жылға дейін атмосфералық сынақтарды жалғастырды, ал Қытай 1980 жылға дейін жалғастырды. АҚШ-тың соңғы жер асты сынағы 1992 жылы, Кеңес Одағының 1990 жылы, Ұлыбританияның 1991 жылы, ал Франция мен Қытай 1996 жылға дейін сынақтарды жалғастырды. 1996 жылы "Жалпы сынақтарға тыйым салу шартына" қол қойғаннан кейін (2011 жылға дейін күшіне енбеген), осы мемлекеттердің барлығы барлық ядролық сынақтарды тоқтатуға міндеттенді. Бұл шартқа қол қоймаған Үндістан мен Пәкістан 1998 жылы соңғы рет ядролық қаруларды сынады. Ядролық қару – белгілі ең жойғыш қару, жаппай қырып-жоятын қарулардың архетипі. Суық соғыс кезінде қарсыласатын елдердің жүздеген миллион адамды өлтіруге жеткілікті ядролық арсеналдары болды. Адамдардың буын-буыны ядролық апаттың көлеңкесінде өсті, ол "Доктор Стрэнджлав" және "Атомдық кафе" сияқты фильмдерде бейнеленді. Дегенмен, ядролық қарудың жарылуынан шығатын зор энергия жаңа энергия көзінің мүмкіндігін де көрсетті.
Ядролық энергия
Ядролық энергия – ядролық технологияның бір түрі, ол басқарылатын ядролық бөліну арқылы энергияны жұмыс істеуге, жылу шығаруға және электр энергиясын өндіруге пайдалануды қамтиды. Ядролық энергия басқарылатын ядролық тізбекті реакция арқылы өндіріледі, ол жылу тудырады – және ол суды қайнату, бу өндіру және бу турбинасын іске қосу үшін қолданылады. Турбина электр энергиясын өндіру және/немесе механикалық жұмыс істеу үшін пайдаланылады. Қазіргі уақытта ядролық энергия әлемдегі электр энергиясының шамамен 15,7% -ын (2004 жылы) қамтамасыз етеді және әскери кемелерді, мұзжарғыш кемелерді және суасты кемелерін қозғау үшін қолданылады (бірақ экономикалық себептер мен кейбір порттардағы қауіптер көлік кемелерінде ядролық энергияны пайдалануға тосқауыл қойды). Барлық атом электр станциялары бөлінуді пайдаланады. Адам жасаған ешқандай синтез реакциясы электр энергиясының пайдалы көзіне әкелген жоқ.
Медициналық қолдану
Ядролық технологияның медициналық қолданыстары диагностика және сәулелік емдеуге бөлінеді. Суреттеу. Медицинада иондаушы сәулеленудің ең көп қолданылатын түрі – адам денесінің ішкі органдарын рентген сәулелері арқылы суретке түсіруге арналған медициналық радиография. Бұл адамдарға радиацияның ең үлкен жасанды көзі болып табылады. Медициналық және стоматологиялық рентгендік суреттеу құралдары кобальт-60 немесе басқа рентген сәулелерінің көздерін пайдаланады. Адам организмінде радиоактивті іздеушілер немесе контрастты заттар ретінде әрекет ететін, кейде органикалық молекулаларға бекітілген бірнеше радиофармацевтикалық препараттар қолданылады. Позитрон шығаратын нуклидтер позитрон-эмиссиялық томография деп аталатын жоғары ажыратымдылықты, қысқа мерзімді суреттеуге қолданылады. Сәулелік терапияда да ауруларды емдеу үшін сәулелену қолданылады.
Азық-түлік өңдеу және ауыл шаруашылығы
Биология және ауыл шаруашылығында радиация жаңа немесе жақсартылған түрлерді өндіру үшін мутацияларды тудыру үшін қолданылады, мысалы, атомдық бағбандалықта. Жәндіктерді бақылаудағы тағы бір тәсіл – стерильдеу әдісі, онда еркек жәндіктер радиация арқылы стерильденіп, босатылады, нәтижесінде олардың ұрпағы болмайды, бұл популяцияны азайтуға көмектеседі. Өнеркәсіптік және тағамдық қолданыстарда радиация құралдар мен жабдықтарды зарарсыздандыру үшін қолданылады. Артықшылығы – затты зарарсыздандыру алдында пластикпен орау мүмкіндігі. Тағам өндірісінде қолданылатын жаңа тәсіл – тағамды сәулелендіру арқылы оны зарарсыздандыру. Тағамды сәулелендіру – тағамда болуы мүмкін микроорганизмдерді, бактерияларды, вирустарды немесе жәндіктерді жою мақсатымен тағамды иондаушы сәулеленуге ұшырату процесі. Қолданылатын сәулелену көздеріне радиоизотоптық гамма сәуле көздері, рентген генераторлары және электрондық үдеткіштер жатады. Басқа да қолданыстарға бүршік өсуін тежеу, пісуді кешіктіру, шырынның мөлшерін арттыру және қайта суландыруды жақсарту кіреді. Сәулелендіру – материалдарды техникалық мақсатқа жету үшін сәулелендірудің жалпы термині (осы контексте «иондаушы сәулелену» түсініледі). Сондықтан ол тағамдық емес заттарда да қолданылады, мысалы, медициналық жабдықтар, пластик, газ құбырларына арналған түтіктер, еденді жылытуға арналған шлангтар, тағамды қаптауға арналған термоусадкаланатын пленкалар, автомобиль бөліктері, сымдар мен кабельдер (оқшаулау), шиналар және тіпті асыл тастар. Тағамды сәулелендірумен салыстырғанда, осы күнделікті қолданыстардың көлемі зор, бірақ тұтынушылар оған көңіл бөлмейді. Тағамды иондаушы сәулелену арқылы өңдеудің нақты әсері – ДНК-ға, өмірдің негізгі генетикалық ақпаратына зақым келтірумен байланысты. Микроорганизмдер енді көбейе алмайды және зиянды немесе патогендік қызметтерін жалғастыра алмайды. Тағамды бүлдіретін микроорганизмдер өз қызметін тоқтатады. Жәндіктер өлмейді немесе көбейе алмайды. Өсімдіктер табиғи пісіп-жетілу немесе қартаю процесін жалғастыра алмайды. Осы әсерлердің барлығы тұтынушыға да, тағам өнеркәсібіне де пайдалы. Қазіргі уақытта 40-тан астам ел тағамды сәулелендіруге рұқсат береді және оның жылдық көлемі әлем бойынша миллиондаған тоннаға жетеді деп есептеледі. Тағамды сәулелендіру – ядролық емес технология; ол иондаушы сәулеленуді пайдалануға негізделген, оны электрондарды үдету арқылы және тормоздық сәулеленуге айналдыру арқылы немесе ядролық ыдыраудан гамма сәулелерін пайдалану арқылы алуға болады. Әлемде иондаушы сәулелену арқылы өңдеуге арналған өнеркәсіп бар, оның көп бөлігі үдеткіштерді пайдалану арқылы өңдеу қуаты бойынша және саны бойынша есептеледі. Тағамды сәулелендіру медициналық құралдармен, пластикалық материалдармен, шикізаттармен, асыл тастармен, кабельдермен және сымдармен салыстырғанда нақты шешім табуға бағытталған сала.
Апаттар
Ядролық апаттар, оларға қатысты зор күштердің болуынан, көбінесе өте қауіпті болады. Тарихи тұрғыдан алғанда, алғашқы оқиғалар сәулеленуден қаза болуға әкеп соқты. Мари Кюри жоғары деңгейдегі сәулеленудің салдарынан дамыған апластикалық анемиядан қайтыс болды. Екі ғалым – америкалық Гарри Даглиан және канадалық Луи Слотин, бір плутоний массасын дұрыс пайдаланбағандықтан көз жұмды. Дәстүрлі қарулардан айырмашылығы, ядролық қарудың өлімге себеп болатын жалғыз факторы – қарқынды жарық, жылу және жарылыс күші ғана емес. Хиросима мен Нагасакидегі қаза болғандардың шамамен жартысы екі-бес жылдан кейін сәулелену әсерінен қайтыс болды. Сонымен қатар, ядролық энергия өндірісі салыстырмалы түрде аз мөлшерде қалдықтарды тудырады, олар ірі ядролық энергия өндіру объектілерінде қауіпсіз жойылды немесе басқа энергия мақсаттары үшін қайта өңделеді/қайта пайдаланылады. Ядролық энергияны жақтаушылар электр энергиясының басқа түрлерін пайдаланудың мүмкіндік құнын да атап көрсетеді. Мысалы, Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің бағалауынша, көмірдің экологиялық әсерінен жылына 30 000 адам көз жұмады, ал Чернобыль апатынан 60 адам қайтыс болды. Ядролық энергияны жақтаушылардың нақты мысалы – Вермонт Янки ядролық станциясы жабылғаннан кейінгі екі айда көміртегі шығарылымы 650 000 тоннаға артты.