Nuklearna tehnologija

Nuklearna tehnologija koristi nuklearne reakcije atomskih jezgara. Među najznačajnije nuklearne tehnologije spadaju nuklearni reaktori, nuklearna medicina i nuklearno oružje. Također se, između ostalog, koristi i kod detektora dima i nišana.

Stambeni detektor dima je jedan od najpoznatijih proizvoda nuklearne tehnologije

Historija i naučna pozadina

Velika većina prirodnih fenomena na Zemlji uključuje samo gravitaciju i elektromagnetizam, a ne nuklearne reakcije. Razlog tome je što se atomska jezgro uglavnom drže odvojeno, te se odbijaju zbog pozitivnog električnog naboja.

Godine 1896. Henri Becquerel otkrio je novi fenomen, radioaktivnost, proučavajući fosforescenciju uranijumovih soli. Zajedno sa Pierreom i Mariom Curie počeo je istraživati taj fenomen. Pritom su izolirali visokoradioaktivni hemijski element radij. Otkrili su da radioaktivni materijali proizvode tri različite vrste intenzivnih prodornih zraka, koje su nazvali alfa, beta i gama zrake. Neke od ovih vrsta zračenja mogu proći kroz običnu materiju, a sve vrste su štetne u velikim količinama. Svi rani istraživači su zadobili razne opekotine nastale zračenjem, ali nisu puno marili za to.

Novi fenomen radioaktivnosti su preuzeli proizvođači nadriljekarskih preparata, te su predstavljeni i brojni patentni lijekovi. Postepeno se došlo do zaključka da takvi lijekovi, čak i u malim dozama, uzrokuju opekotine koje bi mogle predstavljati dugoročniju opasnost. Mnogi naučnici koji su se bavili radioaktivnošću umrli su od karcinoma usljed izloženosti radijaciji. Radioaktivni lijekovi, tj. patenti, uglavnom su nestali, ali se primjena radioaktivnih materijala zadržala sve do danas, poput korištenja soli radijuma za proizvodnju svjetlećih brojčanika na brojilima.

Kako je atomska nauka uznapredovala, priroda radioaktivnosti postajala je sve jasnija. Neka veća atomska jezgra su nestabilna i zato se raspadaju nakon slučajnog intervala oslobađajući materiju i energiju. Tri oblika zračenja koja su otkrili Becquerel i Curie također su bolje razumljivi. Alfa raspad se događa kada jezgro oslobađa alfa česticu, koju čine dva protona i dva neutrona, što je jednako helijumovom jezgru. Beta raspad predstavlja oslobađanje beta čestice, visokoenergetskog elektrona. Gama raspad oslobađa gama zrake koje, za razliku od alfa i beta zračenja, nisu materija nego vrlo visokofrekventno zračenje, a samim time i energija. Ova vrsta zračenja se najteže blokira i najopasnija je. Sve tri vrste zračenja prirodno se javljaju u određenim hemijskim elementima.

Također je postalo jasno da je krajnji izvor većine zemaljske energije nuklearan, bilo to kroz sunčanu radijaciju uzrokovanu zvjezdanim termonuklearnim reakcijama ili radioaktivnim raspadom uranija unutar Zemlje, glavni izvor geotermalne energije.

Nuklearna fisija

U prirodnom nuklearnom zračenju nusproizvodi su vrlo mali u odnosu na jezgra iz kojih potiču. Nuklearna fisija je proces cijepanja jezgra na približno jednake dijelove kroz oslobađanje energije i neutrona tokom tog postupka. Ako ove neutrone privuče neki drugi nestabilni nukleus, oni se opet mogu dijeliti, što rezultuje lančanom reakcijom. Prosječan broj neutrona oslobođenih po jezgru koji nastaju fisijom drugog jezgra označava se sa k. Vrijednosti k veće od 1 znače da reakcija cijepanja oslobađa više neutrona nego što apsorbuje, te se zbog toga naziva samoodrživom lančanom reakcijom. Masa dovoljno velikog fisilnog materijala prikladne konfiguracije da izazove samoodrživu lančanu reakciju naziva se kritična masa.

Kada neutron uhvati prikladna jezgra, može se odmah dogoditi fisija ili jezgro može kratko trajati u nestabilnom stanju. Ako postoji dovoljno trenutnih raspada za nastavak lančane reakcije, a masa je brzo kritična, energija će se oslobađati brzo i nekontrolisano, što obično dovodi do eksplozije. Kada je to otkriveno uoči Drugog svjetskog rata, mnoge zemlje su započele istraživati mogućnost konstruisanja atomske bombe, oružja koje bi koristilo reakcije cijepanja kako bi stvorili daleko više energije nego što je to moguće sa hemijskim eksplozivima. Projekt Manhattan, koji su vodile Sjedinjene Države uz pomoć Ujedinjenog Kraljevstva i Kanade, razvio je višestruka fisiona oružja koja su korištena protiv Japana 1945. u Hirošimi i Nagasakiju. Tokom projekta razvijeni su i prvi fisioni reaktori, iako su prvenstveno bili za proizvodnju oružja i nisu proizvodili električnu energiju.

Godine 1951. prva nuklearna fisiona elektrana proizvela je električnu struju u Eksperimentalnom-uzgajivačkom reaktoru br. 1 (EBR-1), u Arcou, Idaho, čime započinje "atomsko doba", koje karakteriše intenzivnije korištenje nuklearne energije.

Ako je masa kritična samo kad su uključeni zadržani neutroni, tada se reakcija može kontrolisati; npr. uvođenjem ili uklanjanjem apsorbera neutrona. To omogućava izgradnju nuklearnih reaktora. Brzi neutroni jezgra ne mogu se lako uhvatiti, tj. moraju se usporiti, uglavnom sudaranjem s jezgrima neutronskog moderatora, prije nego što se zarobe. Danas se ova vrsta fisije obično koristi za proizvodnju električne energije.

Nuklearna fuzija

Ako se jezgra prisile na sudar, ona mogu podleći nuklearnoj fuziji. Ovaj postupak može osloboditi ili apsorbirati energiju. Kada je rezultirajuće jezgro lakše od željeza, energija se normalno oslobađa; kada je jezgro teža od željeza, energija se općenito apsorbira. Ovaj proces fuzije događa se u zvijezdama koje energiju dobivaju iz vodika i helija. Kroz zvjezdanu nukleosintezu stvaraju lagane elemente (litij do kalcija), kao i neke teške elemente (izvan željeza i nikla, putem S-procesa). Preostali broj teških elemenata, od nikla do uranija i šire, posljedica je nukleosinteze supernove, R-procesa.

Ovi astrofizički prirordni procesi nisu primjeri nuklearne "tehnologije". Zbog vrlo jakog odbijanja jezgara, fuzija se teško postiže na kontrolisan način. Hidrogenske bombe dobijaju svoju ogromnu destruktivnu snagu od fuzije, ali je nemoguće kontrolisati njihovu energiju. Kontrolisana fuzija postiže se u akceleratorima čestica, koji su korišteni za formiranje sintetičkih elemenata. Takođe, fuzor može proizvoditi kontrolisanu fuziju i koristan je izvor neutrona. Međutim, i jedan i drugi uređaj rade sa neto gubitkom energije. Kontrolisana, održiva fuzijska snaga se pokazala nedosežnom, uprkos svemu. Tehničke i teorijske poteškoće omele su razvoj funkcionalne civilne tehnologije fuzije. Kakogod, istraživanja nisu prestala, i dalje su aktuelna i nastavljaju se širom svijeta.

Nuklearna fuzija isprva se provodila samo u teoretskim fazama tokom Drugog svjetskog rata, kada su je naučnici sa projekta Manhattan (pod vodstvom Edwarda Tellera) istraživali kao metodu za konstruisanje bombe. Projekat je napustio fuziju nakon što se došlo do zaključka da će za detonaciju biti potrebna reakcija cijepanja. Do 1952. godine trebalo je da se aktivira prva punjena hidrogenska bomba. Fuzijske reakcije puno su energičnije po jedinici mase goriva od reakcija fisije, ali pokretanje lančane reakcije fuzije puno je teže.

Nuklearna oružja

Nuklearno oružje je eksplozivni uređaj koji svoju razornu silu dobija iz nuklearnih reakcija (fisija ili kombinacija fisija-fuzija). Obje reakcije oslobađaju ogromne količine energije iz relativno malih količina materije. Čak i mali nuklearni uređaju mogu uništiti grad eksplozijom, vatrom i zračenjem. Nuklearno oružje se smatra oružjem za masovnu destrukciju, a njegova upotreba i kontrola glavni su aspekt međunarodne politike još od njegovog nastanka.

Dizajn nuklearnog oružja složeniji je nego što možda izgleda. Oružje poput nuklearnog trebalo bi sadržavati jednu ili više potkritičnih fizibilnih masa stabilnih za primjenu, a zatim bi trebalo indukovati kritičnu masu potrebnu za detonaciju. Takođe, prilično je teško osigurati da takva lančana reakcija potroši značajniji dio goriva prije nego što se uređaj rasprsne. Nabavka potrebnog goriva je takođe teža nego što se čini, jer se dovoljno nestabilne materije za ovaj proces trenutno ne nalazi na Zemlji u odgovarajućim količinama.

Jedan izotop uranija (uranij-235) prirodno se javlja i dovoljno je nestabilan, ali se uvijek nađe pomiješan sa stabilnijim izotopom (uranom-238). Uran-238 čini više od 99% težine prirodnog uranija. Stoga se za izolovanje urana-235 mora provesti neka metoda razdvajanja izotopa koja se temelji na težini tri neutrona.

Alternativa uraniju je element plutonij koji posjeduje dovoljno nestabilan izotop da bi ovaj postupak bio upotrebljiv. Međutim, plutonij se trenutno ne pojavljuje u prirodi u dovoljnim količinama za takvu upotrebu, pa se mora proizvoditi u nuklearnom reaktoru.