Promieniotwórczość - zastosowania i zagrożenia

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ, RADIOAKTYWNOŚĆ, zjawisko samoistnej przemiany jednych jąder atomowych w inne. Głównymi procesami odpowiedzialnymi za promieniotwórczość są: rozpad beta, rozpad alfa, wychwyt elektronu, spontaniczne rozszczepienie.
Intensywność procesu promieniotwórczości opisuje się podając aktywność danej substancji (aktywność źródła promieniotwórczego). Zmiany czasowe aktywności charakteryzuje, właściwy danemu izotopowi promieniotwórczemu, czas połowicznego zaniku.
Istnienie promieniotwórczości w przyrodzie (promieniotwórczość naturalna, tło promieniowania przenikliwego) odkrył 1896 H.A. Becquerel, pierwszymi jej badaczami byli M. Curie Skłodowska i P. Curie - stwierdzili oni brak wpływu czynników fizykochemicznych (ciśnienia, temperatury, postaci chemicznej, pola elektromagnetycznego itp.) na przebieg zjawisk promieniotwórczości, tj. na opisujące je prawo rozpadu. Z jakim poświęceniem i pasją badacze traktowali swoją pracę świadczy fragment pracy doktorskiej (1903) M. Curie Skłodowskiej pt. Badanie ciał radioaktywnych, opisujący badania wpływu promieniowania na żywą tkankę:
„W jednym z doświadczeń P. Curie położył sobie na ramieniu preparat względnie promieniotwórczy i przetrzymał go w ciągu 10 godzin. Zaczerwienienie ukazało się prawie natychmiast; nieco później ukazała się rana, która goiła się przez 4 miesiące. Naskórek został całkiem zniszczony i zaledwie bardzo powolnie z trudnością odnawiał się pozostawiając jednak widoczną bliznę”
Był to rumień popromienny powstały po oparzeniu skóry. Te i inne obserwacje nasunęły uczonym myśl o możliwości zastosowania substancji promieniotwórczych do leczenia nowotworów złośliwych.

ZASTOSOWANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
1. Rad i polon. Odkrycie radu i polonu zbudziło w ludziach nadzieję, że wreszcie znaleziono substancję będącą lekarstwem na wszelkie schorzenia i dolegliwości. Zaczęto stosować rad do leczenia prawie wszystkich chorób, stał się on podstawowym składnikiem różnych medykamentów, takich jak np. maści stosowane w chorobach skóry. Uważano, że będzie on skuteczny przy leczeniu niepłodności, zapobieganiu starości, etc. W latach 30. na niemiecki rynek została wprowadzona pasta do zębów zawierająca wodorotlenek promieniotwórczego toru. Reklamy zachęcały klientów następującymi słowami: „ Jestem substancją radioaktywną. Moje promienie masują Twoje dziąsła. Zdrowe dziąsła, zdrowe zęby.” Trudno jednak określić, ile ofiar poniosła za sobą naiwność chorych i brak odpowiedzialności producentów chcących dorobić na cudzym nieszczęściu.
2. Zegar helowy. Na podstawie zawartości helu w skale można określić jej wiek.
3. Tryt (3H) – wskaźnik wieku wina. Gdy woda znajduje się w zamkniętym zbiorniku, zatrzymuje się dopływ trytu, ilość jego zaczyna maleć na skutek rozpadu promieniotwórczego b- (przechodzi w 3He). Okres przechowywania wody w zamkniętym pojemniku można określić mierząc w niej zawartość trytu. Metodą tą oznacza się m.in. wiek wina.
4. Zegar archeologiczny. Oprócz trytu w atmosferze ziemskiej powstaje węgiel 14 – promieniotwórczy izotop emitujący promieniowanie b-. Jego okres połowicznego rozpadu wynosi 5730 lat. Przez mięso, tłuszcz i mleko zwierząt dostaje się do organizmu człowieka, sprawia, że jego stężenie w organizmach jest stałe. W przypadku obumarcia organizmu 14C przestaje być uzupełniany i z upływem czasu jego stężenie ulega zmniejszeniu. Na podstawie znajomości pierwotnego stężenia węgla 14 w organizmie można określić wiek obiektu pochodzenia organicznego. Metodę pomiaru wieku różnych substancji opracował amerykański chemik – W. Libby. Otrzymał za to w 1960 roku Nagrodę Nobla. Metoda Libby’ego ma jednak pewne granice: radiochemicy uważają, że radioaktywny izotop staje się niewykrywalny po 10latach półtrwania, a więc dla węgla 14 okres ten powinien wynosić ok. 50000 lat.
5. Węgiel 14 w badaniach naukowych. Badany związek organiczny mający brać udział w jakimś procesie znakuje się izotopem 14C i następnie śledzi się jego drogę przez analizę zawartości węgla 14 w produktach reakcji. W podobny sposób bada się funkcjonowanie organizmów przez pomiar aktywności węgla 14 w poszczególnych narządach lub wydzielinach. Podobnie postępuje się stosując inne pierwiastki promieniotwórcze, np.: tryt, fosfor 32 lub siarkę 35.
6. Technet. Jest jednym z najczęściej stosowanych pierwiastków promieniotwórczych (Tc). Jako jeden z nielicznych ma liczbę atomową mniejszą niż uran a nie występuje w przyrodzie i nie posiada ani jednego trwałego izotopu. Ze względu na możliwość akumulacji związków technetu w niektórych organach wewnętrznych człowieka, odpowiednią energię promieniowania i krótki okres połowicznego rozpadu ma on szerokie zastosowanie w medycynie. Jest stosowany m.in. w scyntygrafii mózgu, wątroby, nerek, serca, kości, etc. Metoda ta polega na wprowadzeniu do organizmu odpowiedniego związku chemicznego znakowanego technetem – 99m, a następnie mierzeniu promieniowania wysyłanego przez badane tkanki, które wychwyciły ten pierwiastek. Różne tkanki mają różne zdolności wychwytu związków znakowanych technetem, ponadto chore miejsca tkanki (np. nowotwory) mają większą zdolność do wychwytu tego pierwiastka od zdrowych. Na podstawie badania scyntylatorem lekarz specjalista może precyzyjnie ustalić diagnozę. Technet stosowany jest także jako inhibitor korozji stopów żelaza i wskaźnik promieniotwórczy.
7. Izotopy jodu. Sztucznie otrzymywane pierwiastki promieniotwórcze stosowane w medycynie. Są one stosowane przed wszystkim w diagnostyce i leczeniu schorzeń tarczycy. Gdy tarczyca produkuje nadmiar hormonów mamy do czynienia z tzw. nadczynnością tarczycy. Możemy uniknąć lancetu chirurga przez podawanie choremu jodu 131 o ściśle określonej aktywności. Jod wbudowuje się w tkanki gruczołu i bezboleśnie „wypala” zbędne komórki części gruczołu tarczycy. Po kilkudziesięciu dniach radioaktywny izotop zanika na tyle, że wszystko powraca do normy.
8. Kobalt 60 odgrywa ważną rolę w technice i medycynie, jest otrzymywany sztucznie i cechuje go promieniowanie g. Stosujemy go do napromieniowania komórek nowotworowych. Jest znacznie tańszy od igieł radowych a naświetlania można dokonywać bardziej precyzyjnie i bezpieczniej. Pierwsze takie urządzenie nazwano bombą kobaltową.
9. Licznik Geigera-Mllera. Jonizacja gazów przez niemieckiego fizyka Hansa Geigera (w 1908roku) w konstrukcji sondy do pomiaru promieniowania jonizującego. Geiger wspólnie z Mllerem w 1928 roku wynalazek ten udoskonalili. W pojemniku wypełnionym obojętnym elektrycznie gazem znajdują się dwie elektrody, do których jest przyłożone odpowiednie napięcie. Jedną z elektrod jest metalowy korpus komory, drugą najczęściej cienka metalowa nić. Wpadając do licznika promieniowanie powoduje jonizowanie gazu wypełniającego komorę. W miarę zbliżania się cząstek promieniowania do nici będącej elektrodą, jonizacja gazu jest coraz większa i otrzymana lawina po dojściu do nici wywołuje silny impuls prądu, który następnie jest rejestrowany. Liczba zarejestrowanych impulsów zależy od różnicy między elektrodami komory. W zależności od energii i rodzaju promieniowania jakie ma być rejestrowane, licznik jest zaopatrzony w specjalne okienko. Od materiału, z którego jest wykonane to okienko zależy rodzaj promieniowania jakie dostaje się do wnętrza i powoduje jonizację znajdującego się z niej gazu.
10. Komora Wilsona. Komorę kondensacyjną, zwaną od nazwiska konstruktora (1912), stosuje się często do wykrywania promieniowania kosmicznego. Komora ta wypełniona jest powietrzem i przesyconymi parami wody lub alkoholu. Droga przechodzącej przez komorę cząstki promieniowania staje się widoczna dzięki wytworzeniu się wzdłuż jej toru kropelek cieczy na zjonizowanych cząsteczek gazu. Ślad toru cząstki, widoczny jest jako pasemko kropelek mgły. Fotografuje się je przez szklane ściany komory.
11. Rentgenowskie promieniowanie, promieniowanie X, rodzaj promieniowania elektromagnetycznego (fale elektromagnetyczne) o długości fali zawartej w przedziale od 0,1 pm do ok. 50 nm, tj. pomiędzy promieniowaniem gamma i ultrafioletowym, przy czym zakres promieniowania rentgenowskiego pokrywa się częściowo z niskoenergetycznym (tzw. miękkim) promieniowaniem gamma - rozróżnienie wynika z mechanizmu wytwarzania promieniowania: promieniowanie rentgenowskie powstaje przy przejściach elektronów na wewnętrzne powłoki elektronowe atomu, natomiast promieniowanie gamma w przemianach energetycznych zachodzących w jądrze atomowym. Promieniowanie rentgenowskie może mieć zarówno widmo liniowe (promieniowanie charakterystyczne, Moseleya prawo, przy czym energia niesiona przez kwant charakterystycznego promieniowania X wyraża się wzorem hn=Ei-Ef, gdzie: h - stała Plancka, Ei, Ef, - odpowiednio energia stanu początkowego i końcowego elektronu w atomie), jak i widmo ciągłe (powstające jako promieniowanie hamowania w procesie oddziaływania cząstki naładowanej z materią, lampa rentgenowska). Promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się w badaniach strukturalnych (rentgenowska analiza strukturalna, Braggów-Wulfa warunek, lauegram) oraz do badania pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowska analiza widmowa). Ponadto promieniowanie rentgenowskie szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej.
12. Broń jądrowa. 6 sierpnia 1945 roku Amerykanie zrzucili na Hiroszimę (miasto w Japonii) bombę jądrową o mocy 15 kiloton. W wyniku eksplozji zginęło około 80000 ludzi, a 2/3 miasta uległo zniszczeniu. Bomby jądrowe dzielimy ze względu na rodzaj wykorzystanej w nich reakcji jądrowej na: jedno-, dwu- i trójfazową. W broni jądrowej jednofazowej, nietrafnie zwanej również atomową, jedynym źródłem energii jest rozczepienie energii jąder pierwiastków ciężkich, takich jak uran czy pluton. Zrzucone na japońskie miasta Hiroszimę i Nagasaki bomby „Little Boy” i „Fat man” uzbrojone były odpowiednio w głowice uranową i plutonową. Pierwszego próbnego wybuchu bomby jądrowej dokonano 16 lipca 1945 roku na pustyni Alamagordo w stanie Nowy Meksyk. Próbna głowica, jak i te zrzucone na japońskie miasta, były efektem amerykańskiego planu Manhattan. Broń jądrowa dwufazowa wykorzystuje energię w wyniku reakcji syntezy jąder pierwiastków lekkich, powszechnie nazywa się bronią termojądrową ze względu na olbrzymie temperatury w jakich zachodzi reakcja syntezy, lub wodorową, ponieważ podstawowym składnikiem reakcji są izotopy wodoru - deuter i tryt. Pierwsza faza – rozszczepienie dostarcza niezbędnej energii do zainicjowania fazy drugiej – syntezy termojądrowej. Broń jądrowa trójfazowa typu rozszczepienie – synteza – rozszczepienie – wytwarza znaczną moc. Ze względu na swoją konstrukcję nazywamy ją również bombą płaszczową, przekładańcem lub brudną. Trzecia faza polega na rozszczepieniu neutronami prędkimi jąder plutonu, który powstaje dzięki energii 1 i 2giej fazy z nierozszczepialnego, tworzącego płaszcz, bomby uranu 238U.
13. Reaktor jądrowy, reaktor atomowy, stos atomowy, urządzenie służące do wytwarzania kontrolowanej reakcji łańcuchowej, tj. ciągłego pozyskiwania energii z rozszczepiania jąder atomowych. Stan kontrolowanej reakcji jądrowej podtrzymującej się samoczynnie na ustalonym poziomie nazywany jest stanem krytycznym. Jeśli intensywność reakcji narasta, to stan jest nadkrytyczny, gdy wygasa, to stan jest podkrytyczny. Stan krytyczny uzyskuje się, gdy efektywny współczynnik mnożenia neutronów k = 1, tzn. gdy strumień neutronów pochodzących z rozszczepienia jąder atomowych kompensuje straty neutronów wynikające z ich rozproszenia i pochłonięcia. Odchylenie stanu reaktora jądrowego od stanu krytycznego opisuje tzw. reaktywność r = (k-1)/k. Reaktor jest sterowalny i bezpieczny, gdy ma małą, dodatnią reaktywność związaną z neutronami opóźnionymi. Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z rdzenia, reflektora neutronów oraz osłon biologicznych. Sam rdzeń zawiera pręty paliwowe, pręty regulacyjne, pręty bezpieczeństwa, moderator, kanały chłodzenia i kanały badawcze.
Podstawowym elementem reaktora jądrowego są pręty paliwowe, które zawierają paliwo jądrowe w formie fizykochemicznej i o stopniu wzbogacenia dostosowanym do konstrukcji reaktora jądrowego. Moderator wykonany jest z materiałów zawierających duże ilości atomów o małej liczbie porządkowej Z, skutecznie zmniejszających energię neutronów produkowanych w trakcie rozszczepiania.
Pręty regulujące i pręty bezpieczeństwa zbudowane są z substancji pochłaniających neutrony (np. bor, kadm), przy czym pręty regulacyjne służą do precyzyjnej zmiany strumienia neutronów, podczas gdy pręty bezpieczeństwa mają za zadanie całkowite przerwanie reakcji łańcuchowej w sytuacji awaryjnej - oba te rodzaje prętów wsuwa się i wysuwa z rdzenia w miarę potrzeby.
Przez kanały chłodzące przepompowywuje się chłodziwo tzw. pierwszego obiegu (typowym chłodziwem jest woda, stosuje się również powietrze, azot, ciekły sód itd.). Kanały badawcze służą do kontrolowania poziomu strumienia neutronów, wykonywania naświetlań itp.
Ze względu na zastosowanie rozróżnia się:
1) reaktory jądrowe badawcze (o małej, tzw. zerowej mocy, wykorzystywane w badaniach naukowych jako silne źródła neutronów),
2) reaktory jądrowe produkcyjne (służące do wytwarzania sztucznych pierwiastków promieniotwórczych na drodze aktywacji, głównie do produkcji plutonu - szczególną klasę tych reaktorów stanowią tzw. reaktory jądrowe powielające, w których paliwo jądrowe w trakcie wypalania przekształca się w inny rodzaj paliwa jądrowego),
3) reaktory jądrowe energetyczne (wytwarzające energię cieplną przekształcaną w energię mechaniczną w napędach nuklearnych okrętów (w tym słynnego lodołamacza radzieckiego – Lenin) lub w energię elektryczną w energetyce jądrowej),
4) reaktory jądrowe doświadczalne (prototypy nowych rozwiązań technicznych stosowanych w reaktorach jądrowych).
Częstym kryterium klasyfikacji reaktorów jądrowych jest rodzaj zastosowanego moderatora i chłodziwa - istnieją zatem reaktory jądrowe wodno-wodne, ciężkowodno-wodne (ciężka woda), grafitowo-wodne, grafitowo-powietrzne, grafitowo-sodowe itp.
Innym rodzajem klasyfikacji reaktorów jądrowych jest podział ze względu na wykorzystywaną energię neutronów lub wielkość ich strumienia (cechy te określają rodzaj paliwa i wiele innych parametrów reaktora). Zgodnie z tym kryterium rozróżnia się:
1) reaktory jądrowe wysokostrumieniowe (o strumieniu neutronów przekraczającym 1014 cząstek/cm2s),
2) reaktory jądrowe prędkie (gdy reakcja rozszczepienia zachodzi dzięki neutronom prędkim),
3) reaktory jądrowe pośrednie (gdy stosuje się neutrony pośrednie),
4) reaktory jądrowe termiczne (wykorzystywane są neutrony termiczne),
5) reaktory jądrowe epitermiczne (reakcja zachodzi dzięki neutronom epitermicznym).
Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano w ramach Manhattan Project (CP-1, E. Fermi), obecnie na świecie eksploatowanych jest ich kilka tysięcy, w większości są one reaktorami badawczymi. W Polsce istnieją trzy badawcze reaktory jądrowe, wszystkie w Świerku (noszą nazwy Ewa, Maria i Agata).
INNE ZASTOSOWANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI I RADIOIZOTPÓW
1. Defektoskopy
2. Grubościomierze
3. Sterylizacja żywności
4. Sterylizacja strzykawek
5. Transport morski
Izotopy pomogły nam przybliżyć i zrozumieć wiele reakcji chemicznych i procesów biologicznych.
ZAGROŻENIA
Radioizotopy są niebezpieczne nawet w małych ilościach i można pracować z nimi tylko w przystosowanych laboratoriach. Transport izotopów promieniotwórczych może się odbywać wyłącznie w specjalnie oznakowanych pojemnikach z zachowaniem wszystkich środków ostrożności. Dostanie się izotopów w ręce niepowołane może doprowadzić do tragedii. Produkcja oraz stosowanie izotopów promieniotwórczych powinno się odbywać pod ścisłą kontrolą. Dotyczy to przede wszystkim materiałów rozszczepialnych. Nieprawidłowa eksploatacja energii jądrowej może doprowadzić do klęski na miarę Czarnobyla lub jeszcze większej. Wyprodukowana przez człowieka broń jądrowa może prowadzić do całkowitej zagłady naszego globu. Tymczasem wiele państw pracuje nad zwiększeniem i udoskonaleniem potencjału swojego arsenału atomowego.
1. Odpady promieniotwórcze.
Ciężkie atomy promieniotwórcze rozszczepione rozpadają się na mniejsze fragmenty (nuklidy), które są również promieniotwórcze a ich czas wygasa względnie długo – rzędu setek a nawet tysięcy lat. Jedna elektrownia atomowa produkuje tony takich odpadów rocznie. Duże niebezpieczeństwo dla środowiska ma nieodpowiednie unieszkodliwianie tych oraz innych odpadów przemysłowych zawierających substancje promieniotwórcze, głównie odpady hutnicze. Składowane na hałdach mogą przedostać się zarówno do powietrza jak i wody, a wraz z jej obiegiem do gleby i organizmów żywych.
2. Problemy ekologiczne.
Jak wiemy węgiel kopalny zawiera dość duże ilości urany i toru, które z dymami przedostają się do otoczenia. Do tego należy dodać miliony ton dwutlenku siarki, które są emitowane do atmosfery i powodują znaczne skażenia ekologiczne, np. kwaśne deszcze. Ponadto w węglu znajduje się spora ilość toksycznych metali ciężkich, takich jak ołów, kadm, arsen. Po tragedii w Czarnobylu biosystem wschodniej i środkowej Europy został znacznie zakłócony i do dziś odczuwalne są skutki skażenia.
3. Zagrożenia dla organizmów żywych.
Nawet miligramowe ilości izotopu promieniotwórczego mogą być dla człowieka śmiertelne. Skażenie substancjami promieniotwórczymi może się utrzymywać przez długie lata, np. notatki Marii Skłodowskiej Curie są ciągle skażone preparatami promieniotwórczymi, mimo, że od odkrycia radu minęło sto lat. Promieniowanie może powodować nieodwracalne zmiany w strukturze genów (prowadzący do pojawienia się mutacji), osłabienia układu immunologicznego, a w rezultacie zakłócenia podstawowych funkcji organizmu, a także wywołać powstawanie nowotworów (zwłaszcza białaczki). Narządami, w których mogą gromadzić się określone pierwiastki promieniotwórcze wytworzone sztucznie, wywierające negatywne działanie na organizm człowieka (próbne wybuchy jądrowe, odpady promieniotwórcze, awarie reaktorów, syntezy jądrowe w reaktorach i innych urządzeniach tego typu) są:
- płuca (rad, uran, pluton, krypton)
- wątroba (kobalt)
- tarczyca (jod)
- mięśnie (potas, cez)
- kości (rad, stront, fosfor, węgiel)
4. Choroba popromienna.
Po tragicznych wydarzeniach w Japonii (w sierpniu 1945 roku) wiele osób nie zmarło od razu, lecz w wyniku choroby popromiennej, która rozwinęła się dopiero po kilku latach. Także w pobliżu terenów, gdzie były po wojnie przeprowadzone próby nuklearne obserwowano skażenie terenu. Wśród napromieniowanych roślin i zwierząt pojawiły się osobniki różniące się od organizmów macierzystych (mutanty). Zaobserwowano zwiększoną liczbę dzieci urodzonych z wrodzonymi wadami.
5. „... W naszej epoce jądrowej świat musi rozważać najbardziej podstawowy problem – a dotyczy to tak potęg jądrowych, jak i pozostałych krajów – z jakich krótkowzrocznych korzyści gotów jest zrezygnować w zamian za zapewnienie bezpieczeństwa i przeżycia.” (raport Sekretarza Generalnego ONZ o ewentualnych skutkach użycia broni jądrowej.

Współczesny człowiek żyjący w epoce szybko rozwijającej się cywilizacji, wyposażony w coraz doskonalszą aparaturę badawczą i wiedzę naukowców całego świata, ma szansę na zniwelowanie złych skutków promieniotwórczości i wykorzystanie energii jądrowej dla przyszłości naszej planety.