Нуклеарна технологија

Стамбени детектор дима је један од најпознатијих исхода нуклеарне технологије

Нуклеарна технологија примењује нуклеарне реакције атомских језгара. Међу запаженим нуклеарним технологијама су нуклеарни реактори, нуклеарна медицина и нуклеарно оружје. Ова технологија се такође користи, између осталог, у детекторима дима и пушчаним нишанима.

Историја и научна позадина

Откриће

Главни чланак: Нуклеарна физика

Велика већина уобичајених, природних појава на Земљи укључује само гравитацију и електромагнетизам, а не нуклеарне реакције. То је зато што се атомска језгра углавном држе одвојено, јер садрже позитивне електричне набоје и стога се одбијају.

Године 1896, Анри Бекерел је истраживао фосфоресцентност уранијумових соли када је открио нови феномен који је назван радиоактивност. Он, Пјер Кири и Марија Кири започели су са истраживањем феномена. У процесу су изоловали елемент радијум, који је високо радиоактиван. Они су открили да радиоактивни материјали производе интензивне, продорне зраке три различита типа које су означили са алфа, бета и гама по прва три грчка слова. Нека од ових врста зрачења могу проћи кроз обичну материју, а сва могу бити штетна у великим количинама. Сви рани истраживачи добили су разне радијационе опекотине, налик на опекотине од сунчања, мада нису обраћали пуно пажње на то.

Нови феномен радиоактивности преузели су произвођачи надрилекарских препарата (као што су раније чинили са открићима струје и магнетизма), а представљени су и бројни патентни лекови и лекови који укључују радиоактивност. Постепено се схватило да је радијација произведена радиоактивним распадом јонизујуће зрачење и да чак и количине које су премале да изазову опекотине могу представљати озбиљну дугорочну опасност. Многи научници који су радили на радиоактивности умрли су од рака услед изложености. Радиоактивни патентни лекови су углавном нестали, али низ других примена радиоактивних материјала се задржао, попут примене радијумових соли за производњу светлећих бројчаника на бројилима.

Како се повећавало познавање атома, природа радиоактивности постала је јаснија. Нека већа атомска језгра су нестабилна и стога се распадају (ослобађајућу материју или енергију) након рандомног интервала. Три облика зрачења које су Бекерел и Киријеви открили такође су потпуније схваћени. Алфа распад се јавља када језгро ослобађа алфа честицу, која се састоји од два протона и два неутрона, што је еквивалентно хелијумском језгру. Бета распад представља ослобађање бета честица, високо-енергетског електрона. Гама распадом се ослобађа гама зрачење, које за разлику од алфа и бета зрачења није материја, већ електромагнетно зрачење веома високе фреквенције, а самим тим и енергије. Ова врста зрачења је најопаснија и најтеже се блокира. Све три врсте зрачења јављају се природно у извесним елементима.

Такође је постало јасно да је крајњи извор већине земаљске енергије нуклеаран, било зрачењем са Сунца изазваним звезданим термонуклеарним реакцијама или радиоактивним распадањем уранијума у Земљи, главном извору геотермалне енергије.

Нуклеарна фисија

Главни чланак: Нуклеарна фисија

У природном нуклеарном зрачењу нуспродукти су веома мали у поређењу са језграма из којих потичу. Нуклеарна фисија је процес цепања језгра у приближно једнаке делове и ослобађање енергије и неутрона у том процесу. Ако ове неутроне зароби неко друго нестабилно језгро, оно се такође може расцепити, што доводи до ланчане реакције. Просечан број неутрона који се ослобађа по језгру који учествује у дељењу другог језгра означава се са k. Вредности k веће од 1 значе да реакција фисије ослобађа више неутрона него што их апсорбује, те се стога назива самоодрживом ланчаном реакцијом. Маса физибилног материјала која је довољно велика (и у одговарајућој конфигурацији) да индукује самоодржавајућу ланчану реакцију назива се критичном масом.

Када је неутрон заробљен одговарајућим нуклеусом, може се догодити фисија одмах или ће језгро кратко време постојати у нестабилном стању. Ако постоји довољно тренутних распада да се настави ланчана реакција, каже да је маса брзо критична, а ослобађање енергије ће расти брзо и неконтролисано, што обично доводи до експлозије. Када је то откривено уочи Другог светског рата, овај увид је подстакао више земаља да покрену програме истраживања могућности конструкције атомске бомбе - оружја које користи реакције фисије да би ослободило далеко више енергије него што би се могло ослободити хемијским експлозивима. Пројекат Менхетн, који су САД водиле уз помоћ Уједињеног Краљевства и Канаде, развио је вишеструка фисиона оружја која су кориштена против Јапана 1945. у Хирошими и Нагасакију. Током пројекта су развијени и први фисиони реактори, иако су они првенствено били за производњу оружја и нису производили електричну енергију.

Године 1951. прва нуклеарна фисиона електрана је произвела електричну струју у Експерименталном узгајивачком реактору бр. 1 (ЕБР-1), у Арку, Ајдахо, чиме је започело „атомско доба”, карактерисано интензивнијом употребом нуклеарне енергије. Ако је маса критична само када су укључени задржани неутрони, тада се реакција може контролисати, на пример увођењем или уклањањем неутронских апсорбера. То омогућава изградњу нуклеарних реактора. Брзи неутрони се не могу лако заробити језграма. Они се морају успорити (спори неутрони), углавном сударањем са језгрима неутронског модератора, пре него што могу да буду лако заробљени. Данас се ова врста фисије широко користи за производњу електричне енергије.

Нуклеарна фузија

Главни чланак: Нуклеарна фузија

Такође погледајте: Хронологија нуклеарне фузије

Ако су језгра присиљена да се сударају, она могу подлећи нуклеарној фузији. Овај процес може да ослободи или апсорбује енергију. Када је добијено језгро лакше од гвожђа, енергија се нормално ослобађа; када је језгро теже од гвожђа, енергија се генерално апсорбује. Процес фузије се одвија у звездама, које своју енергију добијају из водоника и хелијума. Оне формирају, путем звездане нуклеосинтезе, лаке елементе (литијум до калцијума), као и неке од тешких елемената (изван гвожђа и никла, путем С-процеса). Преостало изобиље тешких елемената, од никла до уранијума и изван, настаје путем нуклеосинтезе супернове, Р-процеса.

Ови природни процеси астрофизике нису примери нуклеарне „технологије”. Због врло јаког одбијања језгара, фузију је тешко постићи на контролисан начин. Водоничне бомбе добијају своју огромну деструктивну снагу од фузије, али њихову енергију није могуће контролисати. Контролирана фузија се постиже у акцелераторима честица, који су кориштени за формирање синтетичких елемената. Фузор такође може да производи контролисану фузију и користан је извор неутрона. Међутим, оба ова уређаја раде са нето губитком енергије. Контролирана, одржива фузијска снага показала се недосежном, упркос повременим преварама. Техничке и теоријске потешкоће омеле су развој функционалне цивилне технологије фузије, мада се истраживања и данас настављају широм света.

Нуклеарна фузија је иницијално истраживана само у теоријском оквиру током Другог светског рата, када су је научници на Пројекту Менхетн (који је водио Едвард Телер) истраживали као методу за изградњу бомбе. Тај пројект је напустио фузију након што се дошло до закључка да ће за детонацију бити потребна реакција фисије. До 1952. године, детонирана је прва потпуна водонична бомба, тако названа јер је користила реакције између деутеријума и трицијума. Фузијске реакције су много енергичније по јединици масе горива од реакција фисије, али је покретање фузијске ланчане реакције много теже.

Нуклеарна оружја

Главни чланак: Нуклеарно оружје

Нуклеарно оружје је експлозивна направа која своју деструктивну силу изводи из нуклеарних реакција, било од фисије, било од комбинације фисије и фузије. Обе реакције ослобађају огромне количине енергије из релативно мале количине материје. Чак и мали нуклеарни уређаји могу девастирати град експлозијом, ватром и зрачењем. Нуклеарно оружје се сматра оружјем за масовно уништење, и његова употреба и контрола били су главни аспект међународне политике од њиховог настанка.

Дизајн нуклеарног оружја је сложенији него што се можда чини. Такво оружје мора да садржи једну или више поткритичних физибилних маса стабилним за примену, а затим да индукује критичност (креира критичну масу) за детонацију. Такође је прилично тешко да се осигура да таква ланчана реакција потроши значајан део горива пре него што се уређај распрсне. Набавка нуцлеар фуелнуклеарног горива је такође тежа него што се можда чини, јер се довољно нестабилне материје за овај процес тренутно не налазе природно на Земљи у одговарајућим количинама.

Један изотоп уранијума, уранијум-235, је природно и довољно нестабилан, али се увек налази помешан са стабилнијим изотопом урана-238. Последњи чини више од 99% масе природног уранијума. Због тога се мора применити неки облик раздвајања изотопа заснован на тежини три неутрона како би се обогатио (изоловао) уранијум-235.

Алтернативно, елемент плутонијум поседује изотоп који је довољно нестабилан за овај процесс да буде употребљив. Земаљски плутонијум тренутно се природно не појављује у довољним количинама за такву употребу, те се мора произвести у нуклеарном реактору.

Литература

• Бетхе, Ханс Албрецхт. Тхе Роад фром Лос Аламос. Неw Yорк: Симон анд Сцхустер, 1991. ISBN 0-671-74012-1
• ДеВолпи, Алеxандер, Минков, Владимир Е., Симоненко, Вадим А., анд Станфорд, Георге С. Нуцлеар Схадоwбоxинг: Цонтемпорарy Тхреатс фром Цолд Wар Wеапонрy. Фидлар Доубледаy, 2004 (Тwо волумес, ботх аццессибле он Гоогле Боок Сеарцх) (Цонтент оф ботх волумес ис ноw аваилабле ин тхе 2009 трилогy бy Алеxандер ДеВолпи: Нуцлеар Инсигхтс: Тхе Цолд Wар Легацy)
• Гласстоне, Самуел анд Долан, Пхилип Ј. Тхе Еффецтс оф Нуцлеар Wеапонс (тхирд едитион). Wасхингтон, D.C.: У.С. Говернмент Принтинг Оффице, 1977. Аваилабле онлине (ПДФ).
• НАТО Хандбоок он тхе Медицал Аспецтс оф НБЦ Дефенсиве Оператионс (Парт I – Нуцлеар). Департментс оф тхе Армy, Навy, анд Аир Форце: Wасхингтон, D.C., 1996
• Хансен, Цхуцк. У.С. Нуцлеар Wеапонс: Тхе Сецрет Хисторy. Арлингтон, ТX: Аерофаx, 1988
• Хансен, Цхуцк, "Сwордс оф Армагеддон: У.С. нуцлеар wеапонс девелопмент синце 1945" (CD-РОМ & доwнлоад аваилабле). ПДФ. 2,600 пагес, Суннyвале, Цалифорниа, Цхуцклеа Публицатионс, 1995, 2007. ISBN 978-0-9791915-0-3 (2нд Ед.)
• Холлоwаy, Давид. Сталин анд тхе Бомб. Неw Хавен: Yале Университy Пресс, 1994. ISBN 0-300-06056-4
• Тхе Манхаттан Енгинеер Дистрицт, "Тхе Атомиц Бомбингс оф Хиросхима анд Нагасаки" (1946)
• (језик: француски) Јеан-Хугуес Оппел, Рéвеиллез ле прéсидент, Éдитионс Паyот ет ривагес, 2007 (ISBN 978-2-7436-1630-4). Тхе боок ис а фицтион абоут тхе нуцлеар wеапонс оф Франце; тхе боок алсо цонтаинс абоут тен цхаптерс он труе хисторицал инцидентс инволвинг нуцлеар wеапонс анд стратегy.
• Смyтх, Хенрy ДеWолф. Атомиц Енергy фор Милитарy Пурпосес. Принцетон, Њ: Принцетон Университy Пресс, 1945. (Смyтх Репорт – тхе фирст децлассифиед репорт бy тхе УС говернмент он нуцлеар wеапонс)
• Тхе Еффецтс оф Нуцлеар Wар. Оффице оф Тецхнологy Ассессмент, Маy 1979.
• Рходес, Рицхард. Дарк Сун: Тхе Макинг оф тхе Хyдроген Бомб. Неw Yорк: Симон анд Сцхустер, 1995. ISBN 0-684-82414-0
• Рходес, Рицхард. Тхе Макинг оф тхе Атомиц Бомб. Неw Yорк: Симон анд Сцхустер, 1986 ISBN 0-684-81378-5
• Схултз, Георге П. анд Гоодбy, Јамес Е. Тхе Wар тхат Муст Невер бе Фоугхт, Хоовер Пресс, 2015, ISBN 978-0-8179-1845-3.
• Wеарт, Спенцер Р. Нуцлеар Феар: А Хисторy оф Имагес. Цамбридге, Массацхусеттс: Харвард Университy Пресс, 1988. ISBN 0-674-62836-5
• Wеарт, Спенцер Р. Тхе Рисе оф Нуцлеар Феар. Цамбридге, Массацхусеттс: Харвард Университy Пресс, 2012. ISBN 0-674-05233-1
• Лаура Грего анд Давид Wригхт, "Брокен Схиелд: Миссилес десигнед то дестроy инцоминг нуцлеар wархеадс фаил фреqуентлy ин тестс анд цоулд инцреасе глобал риск оф масс деструцтион", Сциентифиц Америцан, вол. 320, но. но. 6 (Јуне 2019), пп. 62–67. "Цуррент У.С. миссиле дефенсе планс аре беинг дривен ларгелy бy тецхнологy, политицс анд феар. Миссиле дефенсес wилл нот аллоw ус то есцапе оур вулнерабилитy то нуцлеар wеапонс. Инстеад ларге-сцале девелопментс wилл цреате барриерс то такинг реал степс тоwард редуцинг нуцлеар рискс—бy блоцкинг фуртхер цутс ин нуцлеар арсеналс анд потентиаллy спурринг неw деплоyментс." (п. 67.)
• Мицхаел Т. Кларе, "Миссиле Маниа: Тхе деатх оф тхе ИНФ [Интермедиате-Ранге Нуцлеар Форцес] Треатy [оф 1987] хас есцалатед тхе армс раце", Тхе Натион, вол. 309, но. 6 (23 Септембер 2019), п. 4.
• Мониз, Ернест Ј., анд Сам Нунн, "Тхе Ретурн оф Доомсдаy: Тхе Неw Нуцлеар Армс Раце – анд Хоw Wасхингтон анд Мосцоw Цан Стоп Ит", Фореигн Аффаирс, вол. 98, но. 5 (Септембер / Оцтобер 2019), пп. 150–161. Формер У.С. Сецретарy оф Енергy Ернест Мониз анд формер У.С. Сенатор Сам Нунн wрите тхат "тхе олд [стратегиц] еqуилибриум" бетwеен тхе Унитед Статес анд Руссиа хас беен "дестабилизед" бy "цласхинг натионал интерестс, инсуффициент диалогуе, еродинг армс цонтрол струцтурес, адванцед миссиле сyстемс, анд неw цyберwеапонс... Унлесс Wасхингтон анд Мосцоw цонфронт тхесе проблемс ноw, а мајор интернатионал цонфлицт ор нуцлеар есцалатион ис дистурбинглy плаусибле—перхапс евен ликелy." (п. 161.)
• Тхомас Поwерс, "Тхе Нуцлеар Wорриер" (ревиеw оф Даниел Еллсберг, Тхе Доомсдаy Мацхине: Цонфессионс оф а Нуцлеар Wар Планнер, Неw Yорк, Блоомсбурy, 2017, ISBN 9781608196708, 420 пп.), Тхе Неw Yорк Ревиеw оф Боокс, вол. LXV, но. 1 (18 Јануарy 2018), пп. 13–15.
• Ериц Сцхлоссер, Цомманд анд Цонтрол: Нуцлеар Wеапонс, тхе Дамасцус Аццидент, анд тхе Иллусион оф Сафетy, Пенгуин Пресс, 2013, ISBN 1594202273.
• Сцхулл, Wиллиам Ј. (12. 5. 1998). „Тхе соматиц еффецтс оф еxпосуре то атомиц радиатион: Тхе Јапанесе еxпериенце, 1947–1997”. Процеедингс оф тхе Натионал Ацадемy оф Сциенцес оф тхе Унитед Статес оф Америца. 95 (10): 5437—5441. ПМЦ 33859 . ПМИД 9576900. дои:10.1073/пнас.95.10.5437. 

Спољашње везе

• Nuclear Energy Institute – Beneficial Uses of Radiation
• Nuclear Technology
• National Isotope Development Center
• „Фреqуентлy Аскед Qуестионс #1”. Радиатион Еффецтс Ресеарцх Фоундатион. Архивирано из оригинала 19. 9. 2007. г. Приступљено 18. 9. 2007.