Dvě strany jedné mince - Dvě strany jedné mince - jaderná fyzika pomáhá v lékařství a technologie jaderných zbraní

Transkript

1 Dvě strany jedné mince - Dvě strany jedné mince - jaderná fyzika pomáhá v lékařství a technologie jaderných zbraní Anna Macková Ústav jaderné fyziky AV ČR, Řež

2 Základní představy - atom a atomové jádro Rutherfordův pokus

3 Základní představy - radioaktivní přeměny N(t) = N o. e λ. τ

4 Ionizující záření Ionizujícím zářením nazýváme takové záření, jehož kvanta mají natolik vysokou energii, že jsou schopna vyrážet elektrony z atomového obalu a tím látku ionizovat. Ionizační účinky jsou tedy společnou vlastností všech druhů ionizujícího záření. Konkrétní mechanismy interakce záření s hmotou jsou však pro každý druh záření specifické. Z tohoto hlediska se ionizující záření rozděluje na dvě skupiny: Záření přímo ionizující - je to záření, jehož kvanta nesou elektrický náboj a proto přímo vyrážejíči vytrhávají Coulombickými elektrickými silami elektrony z atomů. Patří sem záření α, β a β +, protonové záření p + atd. Záření nepřímo ionizující - jeho kvanta nejsou elektricky nabita; svou kinetickou energii předávají v látce nejprve nabitým částicím (většinou elektronům) a ty teprve přímými účinky na atomy látku ionizují. Do této skupiny patří především záření rentgenové a záření g, dále též záření neutronové.

5 Zdroje ionizujícího záření Elektronické zdroje záření, v nichž ionizující záření vzniká v důsledku elektromagnetického urychlování nabitých částic. Jsou to především rentgenové trubice Radioaktivní zářiče, v nichž ionizující záření (α, βči γ) vzniká při radioaktivních přeměnách jader. Radioaktivní zářiče se využívají např. v radioterapii (cesiovéči kobaltové ozařovače) v nukleární medicíně, v řadě průmyslových aplikací Záření vesmírného původu, které vzniká při bouřlivých a vysoce energetických procesech ve vesmíru - termonukleární reakce v nitru hvězd, výbuchy supernov, procesy v okolíčerných děr, rázové vlny v ionizovaném plynu a pod.

6 Kosmické záření Za kosmické záření je obvykle považován vysokoenergetický proudčástic, který do zemské atmosféry proniká z kosmického prostoru. Přesněji řečeno, jedná se o primární kosmické záření, které interaguje (tedy sráží se) sčásticemi zemské atmosféry. Srážkami vznikají další a dalšíčástice, reakce se rozvětvuje a výsledkem je sprška sekundárního kosmického záření, která dopadá na zemský povrch. Kosmické záření je z největšíčásti tvořeno protony (kolem 90%), zbytek tvoří jádra hélia a těžších prvků, jisté malé zastoupení mají i elektrony. Součástí kosmického záření jsou i další stabilníčástice - neutrina, které se však mohou srazit sčásticí v atmosféře jen nesmírně vzácně a mechanismy jejich urychlování nejsou zatím zcela jasné.

7 Sluneční světlo nás ohřívá, protože naše tělo absorbuje infračervené paprsky, které světlo obsahuje. Infračervené paprsky tedy vnímáme, nejsou však zdrojem ionizace v tělesných tkáních. Naproti tomu ionizující záření může narušit normální funkce buněk, nebo je dokonce zničit. Množství energie potřebné k vyvolání významných biologických účinků prostřednictvím ionizace je tak malé, že naše tělo nepociťuje tuto energii, jako je tomu v případě infračervených paprsků, které vyvolávají teplo. Biologické účinky ionizujícího záření se liší podle typu a energie záření. Měřítkem rizika biologického poškození je dávka záření, kterou obdrží tkáně. Ionizace změní elektronovou strukturu látky, a tím i její vlastnosti.v materiálech, jako je ocel, může způsobit tvrdnutí, v mědi může vyvolat zkřehnutí.

8 Dozimetrie Aktivita (základní veličina) - počet samovolných přeměn v daném množství látky za jednotku času Měrná aktivita - aktivita vztažená na určité množství objem, plochu, hmotnost, látkové množsví... Aktivita nevypovídá nic o uvolněné energii, počtu částic... je potřeba definovat jiné veličiny Veličiny charakterizující pole záření Fluence částic hustota prošlých částic počet částic prošlých jednotkovou plochou

9 Vliv záření na organismus Výše uvedené veličiny nevystihují dobře účinky záření na biologické organismy Dávka střední energie deponovaná v jednotkovém množství látky přímo ionizujícími částicemi definován dávkový ekvivalent (sievert) Q jakostní faktor (vliv záření na biolog. účinek), N další modifikující faktory pro záření dopadající na člověka N = 1; pro vnitřní zářiče může mít jinou hodnotu Lineární přenos energie dl - vzdálenost, kterou částice prošla, de střední ztráta energie způsobená srážkami (jakostního faktoru) b) k návrhu, nebo ověření modelů radiačního působ Přirozené zdroje záření pozemské mimozemské (kosmické záření) umělé zdroje záření lékařské aplikace zkoušky jaderných zbraní využití ve vědě a technice

10 Zdroj záření Roční dávka Přírodní zdroje záření Kosmické záření: při mořské hladině ve výšce 300 m nad mořem ve výšce 600 m nad mořem ve výšce m nad mořem Potraviny a nápoje: Záření z půdy: bydlíte-li v dřevěném domku, odečtěte bydlíte-li ve stanu, odečtěte bydlíte-li v žulovém domě, přičtěte pokud nevětráte, přičtěte Umělé zdroje záření: spalování uhlí spad po zkouškách jaderných zbraní každá hodina sledování televize cesta letadlem na vzdálenost 4000 km ve výšce m bydlení na hranici jaderné elektrárny rentgenové vyšetření plic rentgenové vyšetření trávicího a zažívacího traktu radiofarmaceutické vyšetření 0,3 msv 0,325 msv 0,375 msv 0,45 msv 0,35 msv 1,35 msv -0,135 msv -0,27 msv +1,35 msv +1,35 msv 0,04 msv 0,01 msv 0,002 msv 0,25 msv 0,0002 msv 0,08 msv 4 msv 0,3 msv

11 Mechanismy účinku na živou tkáň Proces účinku ionizujícího záření na živou tkáň probíhá ve čtyřech význačných etapách lišících se svou rychlostí a druhem probíhajících procesů Fyzikální stadium Při interakci kvanta ionizujícího záření s hmotou je energie záření předávána elektronům v atomech za vzniku ionizace a excitace. Tento primární proces je velmi rychlý trvá jen cca sekundy. Fyzikálně-chemické stádium Zde nastávají sekundární fyzikálně-chemické procesy interakce iontů s molekulami, při nichž dochází k disociaci molekul a vzniku volných radikálů (např. z vody H 2 O vznikají vodíkové kationty H + a hydroxylové anionty OH - a nestabilní produkty schopné oxidace H 2 O 2, HO 2 ) sec. Chemické stádium Vzniklé ionty, radikály, excitované atomy a další produkty reagují s biologicky důležitými organickými molekulami a mění jejich složení a funkci. Typickou poruchou na molekulární úrovni jsou zlomy vlákna v molekule DNA. Jednotlivé procesy tohoto chemického stádia trvají různě dlouhou dobu - od tisícin sekundy do řádově jednotek sekundy. Biologické stádium Molekulární změny v biologicky důležitých látkách (v DNA, enzymech, proteinech) mohou vyústit ve funkční a morfologické změny v buňkách, orgánech i v organismu jako celku. Biologické stádium se při vysokých dávkách záření může projevit již po několika desítkách minut (akutní poškozeníči nemoc z ozáření), může však zahrnovat dobu latence několika let nebo i desítek let (pozdní stochastické účinky).

12

13 Rentgenová diagnostika Záření se používá v medicíně dvěma způsoby: malé dávky při diagnóze poranění nebo nemocí a veliké dávky na ničení rakovinotvorných buněk. Nejznámější formou záření používaného v medicíně je rentgenové záření (X). Většinou se používá na zobrazení zubů, hrudníku a končetin. Typický rentgen zubů představuje 0,1 msv, rentgen plic 0,5 msv, rentgen prsu 1 msv, rentgenové vyšetření fyziologických procesů představuje 1 až 10 msv. Radioaktivní látky vpravené do těla se používají ke sledování tělesných funkcí a k lokalizaci nádorů. Dávkové ekvivalenty z těchto vyšetření se pohybují mezi 1 až 10 msv.

14 Rentgenová tomografie - CT Klasické rtg-zobrazení je planární - je to dvojrozměrná projekce density tkáně do určité roviny. Skutečná tkáň je však objekt trojrozměrný, takže planární obraz, který je dvojrozměrnou projekcí skutečnosti, může zachycovat jen část reality. O uspořádání tkáně v "hloubkovém třetím rozměru", kolmém k zobrazované rovině, nemůžeme z planárního obrazu nic zjistit. Planární obrazy mají z tohoto hlediska závažné úskalí - možnost překrývání a superpozice struktur uložených v různých hloubkách. Pomáháme si zde sice zobrazováním ve více různých projekcích, avšak riziko falešného nálezu či neodhalení anomálie v hloubi organismu, překryté jinou strukturou, nelze nikdy vyloučit.

15 Radioizotopová scintigrafie in vivo

16 PET diagnostika PET (Pozitronová anihilační spektroskopie) - jsou používána radiofarmaka značená radionuklidy rozpadajícími se za vzniku pozitronu β +. Pozitron je částice podobná elektronu, má však opačný kladný náboj. Zajímavá je interakce pozitronu s okolní hmotou. Když totiž přijde do styku s běžným elektronem, společně anihilují, tedy zmizí z povrchu zemského. Pozůstatkem je tzv. anihilační záření,čili 2 fotony o shodné energii 511 kev pohybující se po přímce opačným směrem od místa anihilace. Nachází-li se radionuklid uvnitř prstence vhodných detektorů, lze při současném zaznamenání dvou dopadů fotonu na povrch prstence určit koincidenční přímku. Takových přímek jsou při PET stanovovány statisíce za sekundu. Výkonný počítač z nich poté zrekonstruuje transaxiálnířezy. PET kamera umožňuje snímat anihilační záření z různých radionuklidů. Nejčastěji se používá 18 F a biogenních prvků ( 11 C, 13 N, 15 O). Tyto radionuklidy jsou po výrobě v cyklotronu zabudovávány do rozličných molekul radiofarmak. V klinické praxi je na celém světě zdaleka nejvíce rozšířena 2-[ 18 F]fluoro-2-deoxy-D-glukóza ( 18 FDG).

17 Jaderné zbraně Jaderná bomba se obvykle skládá ze dvou oddělených podkritických množství štěpného materiálu, která v součtu tvoří množství nadkritické (asi 1 litr). Ta jsou proti sobě vymrštěna explozí klasické výbušniny. Síla výbuchu zajistí, že nebudou oběčásti od sebe během prvních několika milisekund odhozeny teplem počínajícířetězové reakce a tlakem vylétajících neutronů. V nadkritickém množství štěpného materiálu je pak nastartována řetězová reakce, která uvolní velké množství různých druhů energie. Atomová bomba svržená 9. srpna 1945 na Nagasaki.

18 Používaným typem je také implozní puma (Fat Man, shozený na Nagasaki). Liší se zejména tím, že je zde použito plutonium namísto uranu 235. Po výbuchu konvenční trhaviny je plutonium stlačeno, čímž se zvýší hustota a dosáhne se kritického množství. Uvnitř koule plutonia je zdroj neutronů, které ve vhodném okamžiku zahájířetězovou reakci. Dále bývá puma vylepšena vnějším pláštěm z odražeče neutronů, které takto neunikají mimo štěpný materiál anebo je v plášti uran 238, který štěpí rychlé neutrony unikající z plutonia. Puma je výhodná tím, že zde stačí daleko menší množství štěpného materiálu a každé vylepšení snižuje jeho další množství a zvyšuje účinnost pumy. Výbuch odpovídá obvykle několika tisícům až miliónům tun klasické výbušniny TNT (největší známá bomba byla ekvivalentní 57 Mt TNT, původně to mělo být dokonce 100 Mt). Součástí jsou obvykle i inicializační neutronové zářiče, případně neutronové odražeče, které zajišťují zachycení co nejvyššího množství neutronů pro další štěpení. Délka pumy: 2,34 m Průměr: 1,52 m Hmotnost: kg Výbuch o ekvivalentu: 21 kt TNT

19 TNT - je velmi stabilní a málo citlivý vůči vnějším vlivům a přitom se vyznačuje velmi vysokou razancí výbuchu. Je proto ideální látkou pro přípravu jak průmyslových tak vojenských trhavin. - Permonit, Permonex, Karpatit, známé jsou i vojensky využívané Atomaly ařada dalších. Díky tomu, že jeho explozivní vlastnosti jsou velmi dobře prozkoumány, uvádí se pro vyjádření síly jaderného nebo termojaderného výbuchu ekvalentní množství TNT v kilotunách (kt)či megatunách (MT). Jako výbušnina vykazuje tyto základní vlastnosti: Energie výbuchu: kj/kg, tj kcal/kg Detonační rychlost: m/s Objem spalných plynů: 730 l/kg Teplota exploze: C Specifické spalné teplo: 4,184 MJ/kg Vodíková bomba je atomová bomba, jejíž pouzdro tvoří těžké izotopy vodíku deuterium a tritium. Atomový výbuch vytvoří počáteční teplotu několika milionů stupňů Celsia, která rozběhne jadernou fúzi. Podle velikosti nálože výbuch odpovídá přes 100 Kt TNT, největší sestrojené bomby mají účinek desítek megatun TNT. Bomba je schopna ničit domy v okruhu 20 km a zapalovat hořlavé předměty do vzdálenosti 100 km. Kobaltová bomba Je to též vodíková bomba, v jejímž obalu je nejen deuterium a tritium, ale i kobalt, který se působením neutronů změní na izotop s poločasem rozpadu 5,24 roku a dlouhodobě zamoří půdu. Neutronová bomba Je to také vodíková bomba, u které je však omezen její destruktivní účinek a naopak posíleno vyzařování různých druhů záření a zejména proudu neutronů (který poškodí obaly buněk, zasažená osoba bez možnosti léčení do dnů, týdnů, měsíců nebo i let umírá). Bomba je určená k zabíjení osob, zejména vojáků chráněných v pancéřovaných vozidlech; naopak je relativně šetrná k civilním budovám v oblasti, v níž boje probíhají.

20 Car-bomba (rusky: Царь-бомба) byla dvoustupňová (původně ale plánovaná jako třístupňová) termonukleární puma, nejsilnější zbraň, která byla v historii odpálena. Bomba byla vyvíjena pod jménem Ivan (Иван),či Váňa (Ваня), car-bomba je označení západních zdrojů, které se však rozšířilo i do dnešního Ruska (srovnej Car-puška). Práce na konstrukci bomby RDS-220 (jiné označení Arzamas-16) začaly v roce 1954 pod vedením akademika I. V. Kurčatova a J. B. Charitona. Jaderná bomba RDS-220 měla hmotnost 24,8 tun (samotná bomba 24 tun, padákový systém 800 kg), délku 8 metrů a průměr 2 metry. Pro její dopravu byl upraven čtyřmotorový turbovrtulový bombardér Tupolev Tu-95V (letové zkoušky a shozy makety bomby byly dokončené v roce 1959). Na místo třetího stupně tvořeného uranem 238, byla bomba nakonec vybavena pláštěm z olova, které účinek pumy naopak utlumilo na 57 Mt namísto plánovaných 100 Mt.[1] Bomba byla odpálena shozem z bombardéru nad sovětskou jadernou střelnicí Nová země dne 30.října 1961 nad ránem. Její rázová vlna třikrát oběhla zeměkouli a její svit byl vidět na většině severní polokoule.

21

22 Účinky jaderných zbraní Celkové množství energie uvolněné jaderným výbuchem záleží na typu bomby. Většina energie je uvolněna ve formě tlakové vlny a tepelného záření. Ionizující záření je silně absorbováno vzduchem a tedy je nebezpečné pouze pro menší typy jaderných bomb. Tepelné záření je tlumeno nejpomaleji se vzdáleností od epicentra a tedy způsobuje největší škody u větších bomb. U jaderné bomby shozené na Hirošimu (explodovala ve výšce 550 m), v epicentru byla teplota přibližně C (povrch slunce má teplotu C), na několik sekund byla dosažena teplota asi půl milionu C, na velmi malou dobu (vřádu několika milisekund) i několik (desítek) milionů C (jen díky tomu lze zkonstruovat termonukleární zbraň). Co hlavně odlišuje jadernou zbraň od klasických (chemických) výbušnin je přítomnost elektromagnetického impulsu, ionizujícího záření, a hlavně uvolnění množství radioaktivních látek. Ačkoliv procentuální zastoupení radioaktivity na celkově uvolněné energii není velké, dávka záření, které jsou oběti atomového útoku vystaveny, má devastující účinky na jejich zdraví. Little Boy dne 6. srpna Město Hirošima bylo zvoleno jako primární cíl ze strategických důvodů, jelikož se jednalo o městskou průmyslovou oblast a za druhé, že se nacházelo v příhodné lokalitě a za třetí se podle rozvědky nenacházel na jeho území žádný americký válečný zajatec. Jako sekundární cíl bylo zvoleno město Kokura, v kterém byly velké vojenské sklady. Při explozi atomové bomby Little Boy o síle 12 až 20 kilotun TNT bylo okamžitě zabito 70 tisíc obyvatel města a z celkového počtu 90 tisíc budov bylo zničeno 62 tisíc.

23 Energii uvolněnou atomovým výbuchem je možno rozdělit na následující kategorie: tlaková vlna % celkové uvolněné energie tepelné záření % celkové uvolněné energie ionizující záření 5 % celkové uvolněné energie radioaktivní záření 5 10 % celkové uvolněné energie Výbuch způsobil devastaci většíčásti města a okamžitou smrt asi obyvatel. Dalších lidí bylo zraněno a tisíce dalších později zemřelo na následky radioaktivního ozáření. Celkem zahynulo asi obyvatel města. _Before_and_after_%28adjusted%29.jpg

24 Jaderná energetika

25 Palivový cyklus jaderných elektráren je poměrně složitý. Začíná těžbou uranové rudy a jejím chemickým zpracováním. K získání 1 kg jaderného paliva jsou třeba 2 až 4 tuny uranové rudy. Nahradí se tím až 100 tun kvalitního černého uhlí. Z rozemleté rudy se získá žlutý koncentrát oxidu uranu U 3 O 8, obsahující minimálně 65 % přírodního uranu. Z něho se rafinuje čistý kovový uran a obohacuje izotopem 92 U 235 z přírodních 0,7 % na 2,5 až 4 %. Výroba paliva začíná přeměnou na oxid uraničitý UO 2, který se lisuje do malých pelet (o hmotnosti asi 5 g). Pelety se vkládají do hermeticky uzavřených trubek ze zirkonové slitiny a vytvářejí palivové proutky. Svazek palivových proutků tvoří palivovou kazetu (palivový soubor, palivový článek). Například v každém reaktoru JE Temelín je uloženo 163 palivových kazet, každá kazeta je sestavena z 312 palivových proutků. Každý proutek obsahuje asi 370 pelet. Použité palivo se po několika letech nahrazuje palivem čerstvým a ukládá v meziskladu použitého paliva. Použité palivo obsahuje v průměru 95% 92 U 238, 3% štěpných produktů, 1% 92 U 235 a asi 1% nově vytvořeného plutonia 93 Pu 239. Pouze 3% štěpných produktů je možné považovat za skutečný jaderný odpad, protože zbytek může být po přepracování znovu využit jako palivo. Přepracování je však v současné době technicky i ekonomicky velmi náročné a provádí se jen v několika málo zemích. U nás se po několika desítkách let předpokládá trvalé uložení použitého paliva do hlubinného konečného úložiště.