GYMNÁZIUM JOSEFA KAINARA, HLUČÍN, P. O. Jan Mitoraj VI.B Radioaktivita využití v praxi Seminární práce Předmět: Seminář z Fyziky Vedoucí práce: Mgr. Milan Šula Hlučín 2013
Resume This work is about practical using of radioactivity in life. I want to tell the readers that radioactivity is not the scary thing that makes disasters around the world. Radioactivity have wide range of aplications in industry, medicine, archeology and in agriculture too. Radioactivity is moving human race forward, not backward. 3
4
Obsah Resume... 3 1 Úvod... 6 2 Radioaktivita... 6 2.1 Umělá radioaktivita... 6 2.2 Přirozená radioaktivita... 6 3 Druhy radioaktivního záření... 6 3.1 Záření α... 6 3.2 Záření β... 7 3.3 Záření γ... 7 3.4 Ostatní druhy záření... 7 4 Využití v praxi... 7 4.1 Průmysl... 7 4.2 Medicína... 10 4.3 Archeologický průzkum... 12 4.4 Zemědělství... 12 4.5 Ochrana životního prostředí... 13 4.6 Jaderné zbraně... 13 5 Závěr... 14 6 Zdroje... 15 6.1 Literatura... 15 6.2 Externí odkazy... 15 5
1 Úvod Když se řekne pojem radioaktivita, řada lidí má zafixovány jen velké jaderné katastrofy formátu Černobyl nebo Fukušima, tedy pouze negativní stránku celé věci. Po přečtení této práce byste měli mít vědomosti i o využití tohoto záření ve prospěch člověka. Průmyslové využití radioaktivity je zcela jistě nesmírně zajímavým tématem. 2 Radioaktivita Pod pojmem radioaktivita se skrývá samovolná přeměna jader nestabilních nuklidů prvků na jádra o jiném počtu protonů, a díky této změně počtu protonů v jádře dochází k přeměně prvku na jiný. Při této přeměně vzniká ionizující záření. Rozlišujeme radioaktivitu umělou a přirozenou. 2.1 Umělá radioaktivita Umělou radioaktivitu získávají prvky transmutací, vlivem řetězové reakce nebo působením urychlených částic. Její vznik je tedy podmíněn působením vnějšího vlivu. Například při ostřelování jader α částicemi dochází k samovolnému rozpadu prvků a vzniká radioaktivní záření. 2.2 Přirozená radioaktivita Přirozená radioaktivita je důsledkem samovolného rozpadu atomového jádra. V přírodě existuje mnoho radioaktivních látek, například lidská tkáň. 3 Druhy radioaktivního záření Záření, které při přeměně jader vzniká, se zpravidla dělí do tří druhů 3.1 Záření α Jedná se o proud jader hélia (α-částic) a nese kladný elektrický náboj. Jeho dosah je krátký, protože jej úplně absorbuje například i list papíru. 3.1.1 Radon Záření α je velmi nebezpečné při vdechnutí radonu. Radon je bezbarvý inertní plyn, který vzniká rozpadem 238 U v zemské kůře nebo ve stavebním materiálu. Největší zdravotní riziko v souvislosti s radonem je právě riziko jeho vdechnutí spolu s mikroskopickými 6
prachovými částicemi a následné usazení v plicích. Tam se dále rozpadá a může zapříčinit vznik rakovin plic. Na základě této skutečnosti byly stanoveny přípustné limity množství radonu, které jsou ještě zdravotně nezávadné. 3.2 Záření β Jedná se o proud záporně nabitých elektronů. Někdy se rozlišuje na β - (elektrony) a β + (kladně nabité pozitrony). Toto záření lze zachytit například 1 cm plexiskla nebo 1 mm olova, špatně také prochází vodou. 3.3 Záření γ Jedná se o elektromagnetické záření o vysoké frekvenci (proud vysoce energetických fotonů) řádově více než 10 12 Hz. Nemá žádný elektrický náboj, proto nereaguje s elektrickým polem. Pronikavost tohoto záření je velmi vysoká, pro odstínění se používají tlusté pláty kovů s velmi vysokou hustotou (např. Pb) nebo slitiny těchto kovů. 3.4 Ostatní druhy záření Dále pak existují další druhy záření, většinou doprovázející štěpné reakce. Jedná se o proud neutronů nebo protonů (jednotlivě nebo ve dvojici), vznikající při štěpení uměle vytvořených látek. U záření β může např. docházet ke vzniku tzv. neutrin a antineutrin. Tyto částice jsou charakteristické velmi slabými interakcemi se svým okolím a v pozemských podmínkách je není možné odstínit. Jejich rychlost je velmi blízká rychlosti světla a největší objevy v této oblasti si právem připisují ve Švýcarském CERNu. 4 Využití v praxi Radioaktivita prostupuje mnoha obory lidské činnosti. Aniž bychom si to uvědomovali, téměř každý den se setkáváme s produkty, při jejichž výrobě radioaktivita hrála podstatnou nebo i méně podstatnou roli. 4.1 Průmysl Nezastupitelnou roli má radioaktivita také v průmyslu. Objevení účinků radioaktivního záření dalo vzniknout celé řadě nových oborů. 7
4.1.1 Energetický V energetice se využívá teplo, které vzniká při štěpení jader izotopů uranu, konkrétně jde o 235 U, který je ve 2 až 5 % přimíchán do přírodního 234 U a 238 U. Teplo uvolněné štěpením jader ohřívá vodu, která se mění na páru, která ve finále roztáčí parní turbogenerátor. Jaderná elektrárna je tedy velmi podobná tepelné elektrárně, liší se pouze zdrojem tepla, které přeměňuje vodu na páru pro pohon turbíny. Velký rozdíl je také v množství potřebného paliva: 1 kg uranu nahradí 2760 tun kvalitního černého uhlí (odpovídá výrobě cca. 23 GWh el. energie). Největší problém, který brání masovému rozšíření jaderných reaktorů je pak jejich bezpečnost a nakládání s jaderným odpadem. 4.1.1.1 Typy jaderných reaktorů V současnosti existují 3 typy jaderných reaktorů které podle principu dělíme na reaktory založené na štěpení těžkých jader, slučování lehkých jader a radioaktivním rozpadu. Na principu štěpení těžkých jader pracují v současné době všechny jaderné elektrárny, jaderné ponorky a podobná zařízení. Zde se využívá principu štěpení jader určitých izotopů uranu, tento princip je popsán v kapitole 4.1.1. Slučováním lehkých jader, např. izotopů vodíku deuteria a tritia vzniká helium za současného uvolnění velkého množství energie, řádově až tisícinásobky energie, která vznikla štěpením uranu. Ačkoli se v současné době vědci snaží přijít na způsob, jak tuto energii přeměnit na elektrickou, naráží četné problémy související s nemožností vytvořit stabilní jadernou fúzi. Největším problémem je udržet množství plazmatu vniklé při slučování jader, které není žádný materiál schopen udržet. Nejdéle udržet jadernou fúzi je schopno zařízení zvané Tokamak. Toto zařízení vytváří toroidní magnetické pole (tvar plovacího kruhu), které slouží jako magnetická nádoba a drží plazma v omezeném prostoru. Na podobném principu funguje naše nejbližší hvězda, tedy Slunce. Tak dochází k jaderné fúzi v jádře hvězdy, pouze není potřeba vytvářet žádné magnetické pole, neboť radiální gravitační pole Slunce, způsobené extrémní hmotností hvězdy, spolehlivě udrží plazma ve tvaru koule. Princip výroby elektrické energie radioaktivním rozpadem využívají např. družice nebo vesmírné sondy. Zařízení pro přeměnu energie vzniklé radioaktivním rozpadem se jmenuje termoelektrický nukleární článek. Toto zařízení vyrábí elektrickou energii z tepla, vycházejícího například z vyhořelého jaderného paliva. Výkon těchto článků je velmi malý, používají se pouze z důvodu schopnosti podávat stejný výkon i po několik desítek let. 8
Podle sestavení hlavních částí reaktorů je pak dělíme na tlakovodní; varné; těžkovodní; grafitové, plynem chlazené a grafitové, chlazené vroucí vodou. 4.1.1.2 Bezpečnost Aby nedocházelo k únikům nebezpečné jaderné páry z reaktoru, je voda v elektrárně uzavřena do několika samostatných, hermeticky uzavřených okruhů. V prvním okruhu, spojujícím reaktor s tzv. generátorem páry je voda udržována při tlaku zhruba 400 MPa a při tomto tlaku voda zůstává stále kapalná. Druhý okruh pak spojuje generátor páry s parním turbogenerátorem a chladičem. Třetí okruh pak spojuje chladič (kondenzátor) s chladící věží, což jsou vysoké betonové komíny, které při návštěvě jaderné elektrárny vidíme jako první. Toto schéma je základní, podle typu jaderné elektrárny se pak může měnit a to zejména v tektonicky neklidných oblastech, nebo také z důvodu snížení ceny celé výstavby jaderné elektrárny. 4.1.1.3 Jaderné elektrárny v ČR V České republice se v současné době nacházejí 2 jaderné elektrárny. Jsou to starší Dukovany na Vysočině s výkonem 1760 MW a novější Temelín v Jihočeském kraji s výkonem 2000 MW. Tento výkon představuje 35 % celkového výkonu elektráren v ČR. 4.1.2 Strojírenský Strojírenský průmysl využívá radioaktivitu v mnoha aplikacích, některé pak využíváme např. i v domácnosti (detektor kouře). 4.1.2.1 Defektoskopie Ve strojírenství se radioaktivního záření využívá při tzv. defektoskopii. Jedná se o metodu určenou k zjišťování skrytých vad materiálu jeho prozařováním gama zářením a zachycováním paprsků jdoucích skrz materiál na film, vady se pak projevují různým stupněm zčernání. 4.1.2.2 Měření tloušťky materiálu Materiál, jehož tloušťku chceme změřit (např. plech) prozáříme beta paprsky, které jsou materiálem v různé míře pohlcovány. Na druhé straně pak zachytíme nepohlcené beta záření a podle útlumu materiálu pak vypočteme jeho tloušťku. Tato metoda se velmi často používá v oblasti zpracování plastů nebo ve válcovnách plechů. 9
4.1.2.3 Hlásiče kouře a požáru V čidle obsahujícím slabý zdroj alfa záření je mezi dvěma elektrodami díky tomuto záření udržován slabý elektrický proud. Pokud se mezi elektrody dostane kouř, dochází díky pohlcení alfa záření kouřem k zeslabení tohoto proudu a čidlo nás o této skutečnosti následně informuje zvukovým, případně světelným signálem. 4.1.3 Chemický 4.1.3.1 Radiační polymerace Existují látky, jejichž polymeraci lze iniciovat pouze radioaktivním zářením. Jedná se např. o různé pryže, látky apod. Ozářením monomerů těchto látek vznikají polymery. 4.1.3.2 Stopovací metody Potřebujeme-li sledovat promíchání jedné látky v druhé, přimísí se k této látce malé množství nějakého radioaktivního izotopu. Pomocí počítačového monitorování pak můžeme snadno kontrolovat promísení jednotlivých látek. Podobným způsobem se pak dají např. kontrolovat netěsnosti potrubních systémů, opotřebení součástek strojů apod. 4.2 Medicína Nukleární medicína je obor medicíny, který využívá radioaktivního záření k diagnostickým, léčebným a výzkumným účelům. 4.2.1 Diagnostika - Scintigrafie Tato metoda je podobná stopovacím metodám v průmyslu. Do organismu se zavedou vhodné radioizotopy a měří se jejich absorbování v tkáních a orgánech. Jedná se o tzv. metody in vivo (v živém těle) a in vitro (ve zkumavce). V obou případech je vliv ionizujícího zařízení na personál a pacienta minimalizován. 4.2.1.1 In vivo Radioaktivní preparáty se podávají přímo pacientovi a výzkum je prováděn na pacientovi. 10
4.2.1.2 In vitro Vzorek odebraný pacientovi se smíchá s radioizotopem a výzkum se provádí na tomto vzorku. 4.2.1.3 RTG RTG neboli rentgen je také jedno z častých využití radioaktivního záření. Podobného principu využívá i tomograf. Vyslané paprsky projdou skrz pozorovaný předmět a jsou zachyceny na film nebo nějaký druh digitálního snímače. Při snímání tkání je potřeba do těla vpravit látku, částečně pohlcující rentgenové záření, tzv. absorbér (např. BaSO 4 ). 4.2.2 Léčebné metody 4.2.2.1 Radiofarmaka Při léčení zhoubných nádorů např. štítné žlázy se používá metody, kdy se radioaktivní zářič dostane přímo do ložiska nádoru a jeho účinek je tedy pouze v oblasti nádoru. Tato metoda je šetrná pro zbytek těla, protože dochází pouze k minimálnímu poškození zdravých tkání a orgánů. 4.2.2.2 Radioterapie Při radioterapii dochází k ozařování nádorů zdroji, nacházejícími se mimo tělo pacienta. Těch může být buď více stacionárních (paprsky soustředěny do místa nádoru) nebo jeden pohyblivý (opisuje kolem nádoru kružnici a nádor je v jejím středu). 4.2.2.3 Radiochirurgie K operacím mozku a jiných orgánů, ke kterým je přístup velmi těžký nebo nemožný, aniž by byla pacientovi způsobena smrt nebo újma na zdraví bylo třeba vyvinout tzv. neinvazivní metody. Známý Leksellův gama nůž má v hlavici zabudováno 201 gama zářičů, jejichž paprsky jsou soustředěny do operovaného místa. 4.2.2.4 Balneologie V lázních se využívá radioaktivních koupelí k léčení nemocí. Mezi významné světové lázně patří české lázně Jáchymov. 11
4.2.2.5 Sterilizace materiálu Ionizující záření ničí mikroorganismy a viry i při nízké teplotě. Lidé nemocní oslabenou imunitou pak mohou přijímat zdravotně nezávadné jídlo. 4.3 Archeologický průzkum V archeologických průzkumech se v případě nálezu kosterních pozůstatků používá k určování jeho stáří metody zvané radiokarbonové datování. Tato metoda je založena na skutečnosti, že se v každém živém organismu nachází izotop uhlíku 14. Tento izotop má poločas rozpadu 5730 let. Poločas rozpadu je právě polovina doby, než se rozpadne radioaktivní prvek. K úplnému rozpadu nedojde nikdy. Při smrti živého organismu dojde k přerušení tvorby uhlíku a ten se začne rozpadat. Podle zbytkového množství tohoto rozpadlého izotopu se pak vypočítává stáří nálezu. Neutronová a rentgenová aktivační analýza slouží k ověřování pravosti nebo zjišťování původu uměleckých předmětů. Ionizujícím zářením se ošetřují umělecké předměty, aby byly chráněny před napadením plísněmi nebo dřevokazným hmyzem. 4.4 Zemědělství Využívání radioaktivity v zemědělství je především pro šlechtění rostlin. Dochází k mutacím nebo ke vzniku zcela nových odrůd rostlin. Pomocí této metody dochází ke vzniku GMO geneticky modifikovaných rostlin. A diskuze na toto téma jsou předmětem sporů již desítky let. Na jedné straně by rostliny takto upravené např. pro zvýšené výnosy vyřešit problém hladomoru v Africe a některých zemích Asie, na druhé straně však stojí odpůrci tohoto druhu pěstování kulturních plodin. Dle jejich názorů není jisté, jak zmutuje daná rostlina v průběhu dalších desítek let, nebo co takto upravené plodiny mohou při dlouhodobém užívání způsobit lidskému organismu nebo živočichům, konzumujícím tyto plodiny. Řešení tohoto sporu je však v nedohlednu. K dalšímu využití v zemědělství patří ochrana sklizených plodin před nežádoucími vlivy. Ozářením radiokobaltem se zničí mikroorganismy, které přispívají ke zkáze potravin, potravina pak vydrží uskladněná déle. Vzhledem k nízkým dávkám je potravina pro konzumaci ať už člověkem nebo hospodářským zvířetem zcela bezpečná. Ozařováním se také ničí nežádoucí klíčivost, např. u brambor. 12
4.5 Ochrana životního prostředí V ekologii nacházejí radionuklidy a jejich záření nachází uplatnění především k indikaci a analýze škodlivých látek v půdě i v ovzduší. Těmito metodami je možné včas upozornit na nebezpečí poškození životního prostředí. Sledování radioaktivních izotopů v okolí jaderných elektráren a jiných zařízení jaderného průmyslu je velmi důkladné. Včasná kontrola radioaktivity však může přispět i k ochraně před radioaktivitou z přírodních zdrojů, např. z radonu v obytných budovách nebo z popílků z tepelných elektráren. 4.6 Jaderné zbraně Lidstvo si bohužel uvědomilo, že jadernou energii lze také zneužívat a začalo sestrojovat jaderné zbraně. Jejich princip spočívá v neřízené štěpné nebo fúzní reakci. Škodlivých účinků radioaktivního záření se také zneužívá u tzv. špinavé bomby. Ke klasické trhavině je přidáno množství jaderného odpadu, které je po výbuchu rozmetáno do širokého okolí a způsobí zamoření a dlouhodobou nevyužitelnost zemědělské půdy. Jaderná puma s principem založeným na štěpné reakci obsahuje izotopy 235 U a 235 U, které při správném poměru iniciují výbuchem silné trhaviny, např. C4. Jelikož reakce je velmi prudká, ve velké vzdálenosti o místa výbuchu je vše spáleno, zamoření se pak šíří větrem ve formě vysoce radioaktivního popílku až do vzdálenosti stovek až tisíců kilometrů. Jaderná puma s principem založeným na jaderné fúzi je podstatně jednodušší na výrobu. Malé množství jader vodíku se výbuchem silné trhaviny zrychlí natolik, že jsou překonány odpudivé síly jejich jader a jádra se sloučí. Za současného uvolnění velkého množství energie pak vzniká nový prvek 2 He, tedy hélium. Výzkumy uvádí, že sloučením 1 g vodíku vznikne dostatek energie na zničení plochy středně velkého města. Problémem při výrobě je nesnadné udržení stabilního deuteria a tritia, případně jejich nesnadná extrakce z např. vody. Škody způsobené fúzní (vodíkovou) bombou jsou pak obrovské, nicméně zamoření mizí v kratší době, protože vzniká pouze radioaktivní popílek. Jako prostředek masové likvidace byly atomové bomby poprvé použity v srpnu roku 1945, kdy je Američané v závěru II. světové války při leteckých náletech svrhli na japonská města Nagasaki a Hirošima. Podle odhadů zahynulo krátce po explozi až 250 tisíc lidí a desítky tisíc dalších vyvázlo s trvalými následky na zdraví, které se bohužel přenesly geneticky také na potomky obětí těchto katastrof. Dne 8.4.2010 byla v Praze prezidentem USA Barackem Obamou a tehdejším ruským prezidentem Dmitrijem Medvěděvem podepsána odzbrojovací smlouva 13
s názvem START, která má garantovat, že obě velmoci sníží počet vlastněných jaderných zbraní. Podle odhadů měla před ratifikací smlouvy START Ruská federace 15 000 a Spojené státy americké 9 900 jaderných hlavic. Ze znění smlouvy vyplývá, že každá ze stran by měla snížit počet zbraní ve svém jaderném arzenálu na maximálně 1 550 kusů. 5 Závěr Cílem této práce bylo seznámit čtenáře se skutečností, že s radioaktivitou, resp. radioaktivním zářením se v běžném životě setkává velmi často a každý se s tímto zářením setkal alespoň jednou v životě. Pravděpodobně neexistuje obor lidské činnosti, který by nebyl zneužit k vojenským účelům. A protože stejně jako má každá mince rub i líc, tak bez válek a zbrojení by některé, dnes pro život prospěšné technologie nikdy nevznikly. 14
6 Zdroje 6.1 Literatura 1. Velká školní encyklopedie. Souborné české vyd. 1. Praha: Vašut, 2002, s. 15-17. Oxford. ISBN 80-7236-312-3. 6.2 Externí odkazy 1. Radioaktivita. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-12-01]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/radioaktivita 2. Radioaktivita. Využití radioaktivity [online]. Neznámý rok vydání [cit. 2013-11-22]. Dostupné z: http://www.gvp.cz/studenti/radioaktivita/vyuziti.html 3. Jaderná elektrárna. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-12-01]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/jadern%c3%a1_elektr%c3%a1rna 4. Jaderná energetika. Datová sekce o jaderné energetice v České republice a ve světě - Energostat [online]. 2013-10-10 [cit. 2013-11-22]. Dostupné z: http://energostat.cz/jaderna-energetika.html 5. Energetické zdroje naší planety a jejich využití Wikiknihy. Wikiknihy [online]. 2012-12-10 [cit. 2013-12-01]. Dostupné z: http://cs.wikibooks.org/wiki/energetick%c3%a9_zdroje_na%c5%a1%c3%ad_pla nety_a_jejich_vyu%c5%beit%c3%ad 6. Rentgenové záření. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-12-01]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/rentgenov%c3%a9_z%c3%a1%c5%99en%c3%ad 7. Jaderný reaktor. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-12-12]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/jadern%c3%bd_reaktor 8. Jaderná zbraň. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-12-12]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/jadern%c3%a1_zbra%c5%88 9. Nová dohoda START. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-12-12]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/nov%c3%a1_dohoda_start 15