Warto przeczytać

Badania podstawowe dotyczące budowy atomu, a następnie jądra atomowego i jego składników doprowadziły na przestrzeni lat do wielu ważnych odkryć naukowych i pionierskich rozwiązań technologicznych, z których wiele znalazło zastosowanie w przemyśle, energetyce, medycynie i innych dziedzinach. Naukowa potrzeba poznania podstawowych składników materii i zrozumienia praw nimi rządzących zaowocowała m. in. rozwojem technologii akceleratorowych, detektorów promieniowania, precyzyjnej elektroniki i technik komputerowych. Odkrycie naturalnej, a następnie sztucznej promieniotwórczości i zrozumienie wpływu promieniowania jonizującego na organizmy żywe dało podwaliny pod współczesną diagnostykę medyczną i terapie nowotworowe. Zjawisko rozszczepienia znalazło zastosowanie militarne, jak również komercyjne, w postaci elektrowni jądrowych. W tych e‑materiałach omówione zostaną wybrane zastosowania szeroko rozumianej fizyki jądrowej i dziedzin pokrewnych, takich jak chemia jądrowa, fizyka reaktorowa, czy właśnie medycyna nuklearna.

Przemysł zbrojeniowy i energetyka jądrowa

Omawiając zastosowania fizyki jądrowej nie sposób pominąć wykorzystania militarnego materiałów rozszczepialnych. Pierwsza bomba atomowa została zdetonowana 16 lipca 1945 roku na pustyni w stanie Nowy Meksyk (USA), siedem lat po odkryciu zjawiska rozszczepienia. Wybuch był zwieńczeniem trwającego kilka lat projektu Manhattan. Materiałem rozszczepialnym użytym w bombie był pluton 94 - pierwiastek, który został odkryty na początku lat 40. w wyniku bombardowania próbki uranu przyspieszonymi w cyklotronie jądrami deuteru. Pluton występuje naturalnie w śladowych ilościach. Otrzymanie niezbędnej ilości materiału do budowy pierwszych bomb atomowych wymagało zbudowania reaktora jądrowego, w którym pluton powstawał jako produkt uboczny. Reaktor zbudowany w ramach projektu Manhattan był drugim reaktorem zbudowanym na świecie i pierwszym, który pracował w trybie ciągłym. Doświadczenia zebrane podczas projektów militarnych posłużyły potem przy projektowaniu i budowie komercyjnych reaktorów jądrowych.

Obecnie na świecie (stan na rok 2020) działa ponad 440 elektrowni jądrowych i ponad 200 reaktorów badawczych, w tym jeden w Polsce w miejscowości Świerk pod Warszawą (reaktor Maria jest częścią Narodowego Centrum Badań Jądrowych). Reaktory badawcze są wykorzystywane m. in. do produkcji promieniotwórczych izotopów używanych w medycynie i przemyśle oraz do badań materiałowych jako źródła neutronów. Technologie reaktorowe są ciągle aktywnie rozwijane i udoskonalane. Obecnie w budowie są 53 elektrownie jądrowe, a ponad 100 kolejnych jest w fazie planowania. Pod koniec roku 2019 wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła rozpoczęła pierwsza na świecie pływająca elektrownia jądrowa konstrukcji rosyjskiej, Akademik Łomonosow (Rys. 1.). W planach jest budowa kolejnych jednostek tego typu. Małe reaktory modułowe tzw. reaktory SMRReaktory SMRreaktory SMR są w użyciu np. jako jednostki napędowe na łodziach podwodnych oraz na lodołamaczach. Reaktory typu SMR mogą znaleźć szersze zastosowanie w przyszłości do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w miejscach oddalonych od sieci przesyłowych. Rozpatrywana jest również budowa reaktorów jądrowych, których głównym zadaniem byłoby odsalanie wody morskiej. Obecnie większość stacji odsalania wody morskiej jest zasilana paliwami kopalnianymi. Więcej na temat technik reaktorowych można przeczytać w e‑materiale „Jak działa reaktor jądrowy i elektrownia jądrowa?”.

R1ojxqSOwse7s

Rys. 1. Zdjęcie prezentuje Akademik Łomonosow, pierwszą na Świecie pływającą elektrownię jądrową. Barka ma długość 144 metrów, szerokość 30 metrów, a jej wyporność wynosi 21,5 tysiąca ton. Załoga liczy 69 osób. Na tafli wody prezentuje się olbrzymi biało niebieski kadłub z czerwonym pasem w poprzek. Na statku widać malutkie sylwetki ludzi, co tym bardziej oddaje ogrom jednostki.

Poniżej zamieściliśmy kilka wybranych zastosowań fizyki jądrowej i nauk jej pokrewnych, o kolejnych dowiesz się w multimedium oraz w zadaniach do samodzielnego rozwiązania.

Medycyna nuklearna

Izotopy promieniotwórcze (radioizotopy) znalazły szerokie zastosowanie w medycynie. Kilkadziesiąt radioizotopów różnych pierwiastków jest wykorzystywanych do celów diagnostycznych, leczenia chorób lub do badań naukowych. Krótkożyciowe radioizotopy medyczne są dołączane do związków chemicznych podawanych pacjentom. Promieniowanie emitowane z wnętrza ciała pacjenta jest rejestrowane przez urządzenia obrazujące, dostarczając informacji o procesach i zmianach zachodzących w organizmie. Technet‑99m jest najczęściej używanym radioizotopem w diagnostyce nuklearnej, jest wykorzystywany m.in. do diagnozowania zmian nowotworowych, badania organów wewnętrznych, badania struktury kości, czy przepływu krwi. Niektóre radioizotopy wykorzystywane są do leczenia zmian nowotworowych lub innych chorób. Najczęściej wykorzystywanym radioizotopem do celów terapeutycznych jest jod‑131, który podany pacjentom w małych ilościach leczy raka tarczycy i inne choroby tego narządu. Kobalt‑60 jest wykorzystywany w radioterapii onkologicznej, m.in. do małoinwazyjnego leczenia nowotworów mózgu (metoda leczenia tzw. nożem gamma). Inną metodą leczenia nowotworów jest naświetlanie zmian chorobowych wiązkami neutronów lub przyspieszonymi w akceleratorze protonami, lub ciężkimi jonami. Promieniowanie jonizujące jest wykorzystywane do sterylizacji sprzętu medycznego, strzykawek, rękawiczek, fartuchów i innych przyrządów, które nie mogą być sterylizowane za pomocą wysokich temperatur. Sterylizacji radiacyjnej poddaje się również niektóre organy do przeszczepów. Więcej na temat medycyny nuklearnej możesz dowiedzieć się w e‑materiale „Zastosowanie promieniotwórczości w medycynie”.

Przemysł spożywczy i rolnictwo

Radiacyjne utrwalanie żywności jest z jedną metod konserwacji ziół, warzyw, owoców, czy mięsa. Wystawienie żywności na działanie promieniowania jonizującego nie sprawia, że jedzenie staje się promieniotwórcze, nie obniża istotnie wartości odżywczych jedzenia i nie powoduje zmian w smaku, teksturze, czy wyglądzie.

Radioizotopowo znakowane nawozy (z dodatkiem np. azotu‑15 lub fosforu‑32) służą do sprawdzania, ile nawozu dostaje się do różnych części roślin, a ile do środowiska, w tym do wód gruntowych.

Radioizotopowa sterylizacja owadów służy do kontrolowania wielkości populacji niektórych gatunków owadów, które zagrażają plonom lub przenoszą choroby. Metoda to polega na wypuszczaniu do środowiska wyhodowanych w warunkach laboratoryjnych i wysterylizowanych radiacyjnie samców. Wysterylizowane samce owadów stanowią naturalną konkurencję dla samców płodnych, jednak nie zapładniają jajeczek, co w rezultacie prowadzi do zmniejszania liczebności populacji. Metoda ta jest stosowana od wielu lat. Ostatnio została z powodzeniem zastosowana w krajach Ameryki Łacińskiej i w regionie Karaibów do ograniczania rozprzestrzeniania się wirusa ZikaWirus Zikawirusa Zika przenoszonego przez komary.

Promieniowanie jonizujące jest również stosowane do wywoływania mutacji w roślinach uprawnych. Rośliny z naświetlonych ziaren są uprawiane i krzyżowane w warunkach laboratoryjnych i jeżeli wykazują pożądane cechy, są wprowadzane do regularnej uprawy. Dla przykładu, plony ryżu w Bangladeszu zwiększyły się trzykrotnie na przestrzeni ostatnich dekad dzięki wprowadzeniu do upraw nowych gatunków otrzymanych tą metodą.

Więcej na temat radiacyjnego utrwalania żywności możesz przeczytać w e‑materiale „Zastosowanie promieniotwórczości w przemyśle spożywczym”.

Zastosowania w przemyśle i technice

Źródła promieniotwórcze lub znakowane radioizotopowo substancje są wykorzystywane do badania przepływów cieczy, sprawdzania szczelności różnego rodzaju instalacji (np. gazociągów), określania zużycia silników i innych części mechanicznych. Silne źródła promieniotwórcze są używane w przemysłowej radiografii do prześwietlania np. części samolotów w poszukiwaniu defektów konstrukcyjnych.

Geologia i archeologia

Metody datowania radioizotopowego znalazły zastosowanie w geologii oraz w archeologii. Więcej na ten temat możesz przeczytać w e‑materiale „Datowanie izotopowe na podstawie zawartości radioaktywnego węgla (datowanie radiowęglowe)”.

Bezpieczeństwo i cargo

Silne źródła promieniotwórcze służą do prześwietlania kontenerów transportowych. Źródła neutronów są wykorzystywane do detekcji materiałów rozszczepialnych i wybuchowych na granicach państw.

Radioizotopowe generatory termoelektryczne (RTG)

Pluton‑238 jest używany jako źródło ciepła w modułach RTG służących do dostarczania prądu elektrycznego w sondach i łazikach kosmicznych. Moduły RTG wykorzystujące stront‑90 są używane do zasilania latarni morskich, nadajników i stacji pomiarowych w miejscach, gdzie nie można zastosować innych źródeł zasilania. Więcej na temat budowy RTG można dowiedzieć się w e‑materiale „Gdzie jeszcze stosuje się promieniowanie jonizujące”.

Badania środowiskowe

Radioizotopy są wykorzystywane jako znaczniki służące do wykrywania i analizy zanieczyszczeń środowiska, zapylenia powietrza, badania przepływu wód gruntowych.

Słowniczek