Nuklearna tehnologija

С Википедије, слободне енциклопедије
Пређи на навигацију Пређи на претрагу
Stambeni detektor dima je jedan od najpoznatijih ishoda nuklearne tehnologije

Nuklearna tehnologija primenjuje nuklearne reakcije atomskih jezgara. Među zapaženim nuklearnim tehnologijama su nuklearni reaktori, nuklearna medicina i nuklearno oružje. Ova tehnologija se takođe koristi, između ostalog, u detektorima dima i puščanim nišanima.

Istorija i naučna pozadina[уреди | уреди извор]

Otkriće[уреди | уреди извор]

Velika većina uobičajenih, prirodnih pojava na Zemlji uključuje samo gravitaciju i elektromagnetizam, a ne nuklearne reakcije. To je zato što se atomska jezgra uglavnom drže odvojenо, jer sadrže pozitivne električne naboje i stoga se odbijaju.

Godine 1896, Anri Bekerel je istraživao fosforescentnost uranijumovih soli kada je otkrio novi fenomen koji je nazvan radioaktivnost.[1] On, Pjer Kiri i Marija Kiri započeli su sа istraživanjem fenomena. U procesu su izolovali element radijum, koji je visoko radioaktivan. Oni su otkrili da radioaktivni materijali proizvode intenzivne, prodorne zrake tri različita tipa koje su označili sa alfa, beta i gama po prva tri grčka slova. Neka od ovih vrsta zračenja mogu proći kroz običnu materiju, a sva mogu biti štetna u velikim količinama. Svi rani istraživači dobili su razne radijacione opekotine, nalik na opekotine od sunčanja, mada nisu obraćali puno pažnje na to.

Novi fenomen radioaktivnosti preuzeli su proizvođači nadrilekarskih preparata (kao što su ranije činili sa otkrićima struje i magnetizma), a predstavljeni su i brojni patentni lekovi i lekovi koji uključuju radioaktivnost. Postepeno se shvatilo da je radijacija proizvedena radioaktivnim raspadom jonizujuće zračenje i da čak i količine koje su premale da izazovu opekotine mogu predstavljati ozbiljnu dugoročnu opasnost. Mnogi naučnici koji su radili na radioaktivnosti umrli su od raka usled izloženosti. Radioaktivni patentni lekovi su uglavnom nestali, ali niz drugih primena radioaktivnih materijala se zadržao, poput primene radijumovih soli za proizvodnju svetlećih brojčanika na brojilima.

Kako se povećavalo poznavanje atoma, priroda radioaktivnosti postala je jasnija. Neka veća atomska jezgra su nestabilna i stoga se raspadaju (oslobađajuću materiju ili energiju) nakon randomnog intervala. Tri oblika zračenja koje su Bekerel i Kirijevi otkrili takođe su potpunije shvaćeni. Alfa raspad se javlja kada jezgro oslobađa alfa česticu, koja se sastoji od dva protona i dva neutrona, što je ekvivalentno helijumskom jezgru. Beta raspad predstavlja oslobađanje beta čestica, visoko-energetskog elektrona. Gama raspadom se oslobađa gama zračenje, koje za razliku od alfa i beta zračenja nije materija, već elektromagnetno zračenje veoma visoke frekvencije, a samim tim i energije. Ova vrsta zračenja je najopasnija i najteže se blokira. Sve tri vrste zračenja javljaju se prirodno u izvesnim elementima.

Takođe je postalo jasno da je krajnji izvor većine zemaljske energije nuklearan, bilo zračenjem sa Sunca izazvanim zvezdanim termonuklearnim reakcijama ili radioaktivnim raspadanjem uranijuma u Zemlji, glavnom izvoru geotermalne energije.

Nuklearna fisija[уреди | уреди извор]

U prirodnom nuklearnom zračenju nusprodukti su veoma mali u poređenju sa jezgrama iz kojih potiču. Nuklearna fisija je proces cepanja jezgra u približno jednake delove i oslobađanje energije i neutrona u tom procesu. Ako ove neutrone zarobi neko drugo nestabilno jezgro, ono se takođe može rascepiti, što dovodi do lančane reakcije. Prosečan broj neutrona koji se oslobađa po jezgru koji učestvuje u deljenju drugog jezgra označava se sa k. Vrednosti k veće od 1 znače da reakcija fisije oslobađa više neutrona nego što ih apsorbuje, te se stoga naziva samoodrživom lančanom reakcijom. Masa fizibilnog materijala koja je dovoljno velika (i u odgovarajućoj konfiguraciji) da indukuje samoodržavajuću lančanu reakciju naziva se kritičnom masom.

Kada je neutron zarobljen odgovarajućim nukleusom, može se dogoditi fisija odmah ili će jezgro kratko vreme postojati u nestabilnom stanju. Ako postoji dovoljno trenutnih raspada da se nastavi lančana reakcija, kaže da je masa brzo kritična, a oslobađanje energije će rasti brzo i nekontrolisano, što obično dovodi do eksplozije. Kada je to otkriveno uoči Drugog svetskog rata, ovaj uvid je podstakao više zemalja da pokrenu programe istraživanja mogućnosti konstrukcije atomske bombe - oružja koje koristi reakcije fisije da bi oslobodilo daleko više energije nego što bi se moglo osloboditi hemijskim eksplozivima. Projekat Menhetn, koji su SAD vodile uz pomoć Ujedinjenog Kraljevstva i Kanade, razvio je višestruka fisiona oružja koja su korištena protiv Japana 1945. u Hirošimi i Nagasakiju. Tokom projekta su razvijeni i prvi fisioni reaktori, iako su oni prvenstveno bili za proizvodnju oružja i nisu proizvodili električnu energiju.

Godine 1951. prva nuklearna fisiona elektrana je proizvela električnu struju u Eksperimentalnom uzgajivačkom reaktoru br. 1 (EBR-1), u Arku, Ajdaho, čime je započelo „atomsko doba”, karakterisano intenzivnijom upotrebom nuklearne energije.[2] Ako je masa kritična samo kada su uključeni zadržani neutroni, tada se reakcija može kontrolisati, na primer uvođenjem ili uklanjanjem neutronskih apsorbera. To omogućava izgradnju nuklearnih reaktora. Brzi neutroni se ne mogu lako zarobiti jezgrama. Oni se moraju usporiti (spori neutroni), uglavnom sudaranjem sa jezgrima neutronskog moderatora, pre nego što mogu da budu lako zarobljeni. Danas se ova vrsta fisije široko koristi za proizvodnju električne energije.

Nuklearna fuzija[уреди | уреди извор]

Ako su jezgra prisiljena da se sudaraju, ona mogu podleći nuklearnoj fuziji. Ovaj proces može da oslobodi ili apsorbuje energiju. Kada je dobijeno jezgro lakše od gvožđa, energija se normalno oslobađa; kada je jezgro teže od gvožđa, energija se generalno apsorbuje. Proces fuzije se odvija u zvezdama, koje svoju energiju dobijaju iz vodonika i helijuma. One formiraju, putem zvezdane nukleosinteze, lake elemente (litijum do kalcijuma), kao i neke od teških elemenata (izvan gvožđa i nikla, putem S-procesa). Preostalo izobilje teških elemenata, od nikla do uranijuma i izvan, nastaje putem nukleosinteze supernove, R-procesa.

Ovi prirodni procesi astrofizike nisu primeri nuklearne „tehnologije”. Zbog vrlo jakog odbijanja jezgara, fuziju je teško postići na kontrolisan način. Vodonične bombe dobijaju svoju ogromnu destruktivnu snagu od fuzije, ali njihovu energiju nije moguće kontrolisati. Kontrolirana fuzija se postiže u akceleratorima čestica, koji su korišteni za formiranje sintetičkih elemenata. Fuzor takođe može da proizvodi kontrolisanu fuziju i koristan je izvor neutrona. Međutim, oba ova uređaja rade sa neto gubitkom energije. Kontrolirana, održiva fuzijska snaga pokazala se nedosežnom, uprkos povremenim prevarama. Tehničke i teorijske poteškoće omele su razvoj funkcionalne civilne tehnologije fuzije, mada se istraživanja i danas nastavljaju širom sveta.

Nuklearna fuzija je inicijalno istraživana samo u teorijskom okviru tokom Drugog svetskog rata, kada su je naučnici na Projektu Menhetn (koji je vodio Edvard Teler) istraživali kao metodu za izgradnju bombe. Taj projekt je napustio fuziju nakon što se došlo do zaključka da će za detonaciju biti potrebna reakcija fisije. Do 1952. godine, detonirana je prva potpuna vodonična bomba, tako nazvana jer je koristila reakcije između deuterijuma i tricijuma. Fuzijske reakcije su mnogo energičnije po jedinici mase goriva od reakcija fisije, ali je pokretanje fuzijske lančane reakcije mnogo teže.

Nuklearna oružja[уреди | уреди извор]

Nuklearno oružje je eksplozivna naprava koja svoju destruktivnu silu izvodi iz nuklearnih reakcija, bilo od fisije, bilo od kombinacije fisije i fuzije. Obe reakcije oslobađaju ogromne količine energije iz relativno male količine materije. Čak i mali nuklearni uređaji mogu devastirati grad eksplozijom, vatrom i zračenjem. Nuklearno oružje se smatra oružjem za masovno uništenje, i njegova upotreba i kontrola bili su glavni aspekt međunarodne politike od njihovog nastanka.

Dizajn nuklearnog oružja je složeniji nego što se možda čini. Takvo oružje mora da sadrži jednu ili više potkritičnih fizibilnih masa stabilnim za primenu, a zatim da indukuje kritičnost (kreira kritičnu masu) za detonaciju. Takođe je prilično teško da se osigura da takva lančana reakcija potroši značajan deo goriva pre nego što se uređaj rasprsne. Nabavka nuclear fuelnuklearnog goriva je takođe teža nego što se možda čini, jer se dovoljno nestabilne materije za ovaj proces trenutno ne nalaze prirodno na Zemlji u odgovarajućim količinama.

Jedan izotop uranijuma, uranijum-235, je prirodno i dovoljno nestabilan, ali se uvek nalazi pomešan sa stabilnijim izotopom urana-238. Poslednji čini više od 99% mase prirodnog uranijuma. Zbog toga se mora primeniti neki oblik razdvajanja izotopa zasnovan na težini tri neutrona kako bi se obogatio (izolovao) uranijum-235.

Alternativno, element plutonijum poseduje izotop koji je dovoljno nestabilan za ovaj process da bude upotrebljiv. Zemaljski plutonijum trenutno se prirodno ne pojavljuje u dovoljnim količinama za takvu upotrebu,[3] te se mora proizvesti u nuklearnom reaktoru.

Reference[уреди | уреди извор]

  1. ^ „Henri Becquerel - Biographical”. nobelprize.org. Архивирано из оригинала на датум 4. 9. 2017. Приступљено 9. 5. 2018. 
  2. ^ „A Brief History of Technology”. futurism.com. Архивирано из оригинала на датум 23. 4. 2018. Приступљено 9. 5. 2018. 
  3. ^ "Oklo Fossil Reactors". „Archived copy”. Архивирано из оригинала на датум 2007-12-18. Приступљено 2008-01-15.  Curtin University of Technology. Archived from the original on 18 December 2007. Retrieved 15 January 2008.

Literatura[уреди | уреди извор]

Spoljašnje veze[уреди | уреди извор]