کاربردهای متنوع فناوری هسته ای

اولین نیروگاهی که از گرمای حاصله از شکافت اتمهای اورانیوم برای تولید الکتریسته استفاده کرد، در دهه 1950 بهره برداری شد. امروزه اکثر مردم آگاه از اهمیت سهم انرژی هسته ای در تولید 14% الکتریسیته جهان هستند، بیشتر از کل الکتریسیته جهانی تولید شده در دهه 1960. خیلی از راه های صلح آمیز اتم که بخوبی شناخته نشده اند بطور ساکتی در زندگی ما از قلم افتاده اند، اغلب منتشر نمی شوند و در بعضی موارد به آن بها نمی دهند.

 

رادیو ایزوتوپ ها و تابش کاربرد زیادی در کشاورزی، پزشکی، صنعت و زمینه های پژوهشی دارند. آنها تا حد زیادی کیفیت زندگی ما را روز به روز بهبود بخشیده اند.

 

ایزوتوپ ها اشکال متفاوتی، با عنصر شیمیایی یکسانی از یک اتم، دارند. آنها خواص شیمیایی یکسان اما جرم اتمی نسبی متفاوتی دارند. درحالی که تعداد پروتون ها یکی است، تعداد نوترون ها در هسته فرق دارند. بعضی از ایزوتوپ ها به "پایدار" و بعضی ها به "ناپایدار" یا "پرتوزا" رجوع داده شده اند.

 

طبیعت پرتو زایی این اتم های ناپایدار، که به رادیو ایزوتوپ نامیده میشوند، است که به آنها کاربردهای زیادی در علم و فناوری جدید می دهد. پرتو زایی آنها به این معنی است که آنها می توانند به عنوان یک برچسب برای دنبال کردن حرکت بعضی مواد که به آنها الحاق شده اند، مورد استفاده قرار بگیرند.

 

اولین کاربرد عملی از رادیو ایزوتوپ در سال 1911 توسط گئورک دو هوسی ساخته شده است. در آن زمان دو هوسی یک دانش آموز جوان مجارستانی در منچستر بود که داشت با مواد پرتوزای طبیعی کار میکرد. پول زیادی نداشت و در یک خانه متوسط زندگی میکرد و با صاحبخانه اش غذا می خورد. او به این شک کرد که غذایی که به صورت منظم می خورد شاید از پس مانده غذای روزهای قبل یا حتی هفته قبل باشد، اما نتوانست خودش را قانع کند. تلاش کرد و تردیدش به یقین تبدیل شد. او مقدار کمی از ماده رادیواکتیو را در غذا گذاشت. چند روز بعد وقتی که دوباره همان غذا را داشت می خورد او یک آشکارساز تابشی ساده، یک الکتروسکوپ ]برق نما[ با ورقه طلا، برای بررسی اینکه غذا رادیو اکتیو بوده، استفاده کرد. و فرض او ثابت شد.

 

تاریخ صاحبخانه را فراموش کرد، اما گئورگ دو هوسی در سال 1943 جایزه نوبل و جایزه صلح اتمی را در سال 1959 برد. اولین کسی بود که از ردیاب های پرتوزا استفاده کرد، حالا در محیط علمی عادی است.

 

دانشمندان به یافتن راه های جدید و سودمند استفاده از فناوری هسته ای برای بهبود زندگی ما ادامه دادند. در زندگی روزانه ما به غذا، آب و بهداشت خوب نیاز داریم. رادیو ایزوتوپ ها نقش مهمی را در فناوری هایی که این نیازهای اساسی ما را برآورده می کنند، بازی می کنند.

 

حداقل 800 میلیون نفر از 7 میلیارد نفر جمعیت جهان دچار سوء تغذیه شدید هستند، و ده ها هزار نفر روزانه از گرسنگی و موارد موبوط به آن می میرند. رادیوایزوتوپ ها و تابش استفاده شده در غذا و کشاورزی دارد به کاهش این ارقام ناراحت کننده کمک می کند.

 

همچنین بطور مستقیم بهبود تولید مواد غذایی، کشاورزی به تداوم و پایداری در زمان بیشتری نیاز دارد. سازمان غذا و کشاورزی سازمان ملل متحد (FAO) آژانس بین المللی انرژی اتمی (IAEA) روی برنامه هایی برای بهبود پایداری غذا با استفاده از انرژی هسته ای و فناوری های زیستی وابسته، کار می کنند.

 

آب آشامیدنی کافی برای زندگی لازم است. در خیلی از نقاط جهان هنوز آب کمیاب است و بعضی جاهای دیگر کمیاب تر است. هنوز برای هر توسعه جدیدی، چه کشاورزی، چه صنعتی یا مسکن انسانی باشد، یک منبع آب سالم ضروری است.

 

تکنیک های هیدرولوژی ایزوتوپ امکان دقیق ردیابی و اندازه گیری حوزه منابع زیرزمینی را فراهم می کند. چنین تکنیک هایی ابزار تحلیلی مهمی را در مدیریت و حفظ منابع آب موجود و شناسایی منابع جدید و تجدید پذیر آب فراهم می کند. آنها جواب سوالاتی درباره منشا، سن و توزیع آب زیرزمینی، و همچنین ارتباط بین کف و سطح آب و سیستم های تغذیه سفره های آب، را میدهند. نتایج اجازه برنامه ریزی و مدیریت حفظ این منابع آب را میدهند. برای آب های سطحی آنها اطلاعاتی درباره نشت از سدها و کانال های آبیاری، دینامیک دریاچه و مخازن آب، میزان جریان، تخلیه رودخانه و میزان رسوب گذاری می دهند.

 

شاخص های نوترونی رطوبت خاک را خیلی دقیق اندازه می گیرند، امکان مدیریت بهتر زمین تحت تاثیر واقع شده بوسیله شوری، مخصوصا نسبت به آبیاری، می دهد.

 

بسیاری از ما از گستردگی استفاده تابش و رادیو ایزوتوپ در پزشکی مخصوصا برای تشخیص(شناسایی) و درمان(معالجه) وضعیت های پزشکی متنوع هستیم. در کشورهای توسعه یافته(یک چهارم از جمعیت جهان) فراوانی تشخیص پزشکی هسته ای 1.9% نفر بر سال، و فراوانی درمان با رادیو ایزوتوپ حدود یک دهم نفر بر سال است.

 

بیش از 10000 بیمارستان در سرتاسر جهان از رادیو ایزوتوپ ها در پزشکی استفاده می کنند. در امریکا تقریبا 18 میلیون عمل پزشکی هسته ای در سال از 311 میلیون عمل است و در اروپا 10 میلیون از 500 میلیون نفر است. استفاده از رادیو داروها بیش از 10% در سال در حال رشد است.

 

رادیو داروها یک بخش لازم از درمان تشخیصی است. در ترکیب با وسایل عکس برداری که پرتو های گامایی که از داخل اینها می آیند را ثبت می کنند، آنها می توانند دینامیک فرایند هایی را که در بخش های مختلف بدن انجام می گیرند، مطالعه کنند. یکی از مزیت های تکنیک های هسته ای نسبت به پرتو X این است که هم در استخوان و هم در بافت های نرم به راحتی و با موفقیت می تواند عکس برداری کند.

 

در استفاده رادیو داروها برای تشخیص، یک دز رادیواکتیو به بیمار داده می شود و فعالیت در آن عضو هم با تصویر دو بعدی و یا با تکنیک خاصی که پرتونگاری مقطعی نامیده می شود، و هم با تصویر سه بعدی مورد مطالعه می تواند قرار بگیرد.

 

رادیو ایزوتوپی تشخیصی که بطور گسترده استفاده می شود تکنسیوم 99m* است، با نیم عمر 6 ساعت، که به بیمار یک دز تابشی خیلی کم می دهد. چنین ایزوتوپ هایی برای ردیابی خیلی از فرایندهای بدنی با کمترین ناراحتی برای بیمار، ایده آل هستند. آنها بطور گسترده برای شناسایی تومورها و و مطالعه قلب، شش، مرض کبد، کلیه، گردش و حجم خون، و ساختار استخوان استفاده شده اند. ژنراتورهای تکنسیوم، یک محفظه سربی است که لوله ای شیشه ای محتوی رادیوایزوتوپ را پوشانده است، از راکتورهای هسته ای جایی که رادیوایزوتوپ ها ساخته می شوند، تهیه شده اند. آنها حاوی مولیبدنیوم 99، با نیم عمر 66 ساعت، که بتدریج به تکنسیوم 99 واپاشیده می شود، است. وقتی نیاز می شود Tc-99 از محفظه سربی بوسیله محلول نمک شسته می شود. بعد از دو هفته یا کمتر ژنراتور برای تغذیه برگشت داده می شود.

 

تکنسیوم (Tc-99) در سال در بیش از 30 میلیون عمل تشخیصی بکار برده می شود، که 7-6 میلیون آن در اروپا، 15 میلیون در آمریکای شمالی، 8-6 در آسیا/ اقیانوسیه (مخصوصا در ژاپن) ، و 0.5 میلیون دیگر در دیگر نقاط جهان. شیمی تکنسیوم همه کاره است، می تواند از ردیاب ها بوسیله ترکیب با محدوده ای از مواد فعال-زیستی تا اینکه اطمینان حاصل شود در بافت یا عضو دلخواه جمع می شود، استفاده کرد.

 

یکی دیگر ازکاربردهای مهم رادیوایزوتوپ ها برای تشخیص سنجش ایمنی رادیو(radio-immuno-assays) برای تحلیل زیست شیمی در آزمایشگاه است. آنها برای اندازه گیری غلظت های خیلی کم هورمون ها، آنزیم ها، ویروس تورم کبد، بعضی داروها و طیفی از مواد در یک نمونه خون بیماراستفاده می شوند. بیمار هرگز از رادیوایزوتوپ هایی که برای تست تشخیص استفاده می شود ناراحت نمی شود. در آمریکا به تنهایی تخمین زده می شود که تقریبا 40 میلیون از این نوع آزمایش ها در سال انجام می شود، و در اروپا حدود 15 میلیون.

 

کاربردهای رادیوایزوتوپ ها نسبتا کمتر، اما مهمتر است. تومورهای سرطانی بوسیله تابش صدمه می بینند، که شاید خارجی باشد- از باریکه گاما از چشمه کبالت60 استفاده می شود، یا داخلی است- از چشمه تابش یتا یا گامای کوچک استفاده می کنند.

 

ید 131 معمولا برای درمان سرطان تیروئید، شاید موفق ترین نوع درمان سرطان، و هم چنین برای مختل کردن تیروئید خوش خیم استفاده می شده است. کاشت مفتول ایریدیوم 192 بخصوص در سر و سینه برای دادن دز دقیق پرتو بتا برای نواحی محدود استفاده می شده است، سپس آن را برمی داشتند. درمانی جدید از ساماریوم 153 مخلوط شده با فسفات آلی استفاده می کند برای فرونشاندن درد ثانویه سرطان ها در استخوان جاسازی شده است.

 

امروزه خیلی از محصولات پزشکی بوسیله پرتوهای گاما از یک چشمه کبالت 60 استرلیزه شده اند، تکنیکی که عموما ارزانتر و موثرتر از استرلیزه کردن با گرمای بخار است. سرنگ ها یکی از مثال های استرلیزه کردن با پرتو گاما است. چون این یک فرایند تابشی "سرد" است می تواند برای استرلیزه کردن طیفی از وسایل حساس به گرما از قبیل پودر ها، پماد ها و حلال ها و تمهیدات زیستی از قبیل استخوان، عصب، پوست و ...، در پیوند بافت ها استفاده شود.

 

فایده استرلیزه کردن توسط تابش برای انسان فوق العاده است. هم امن تر و هم ازان تر است چون بعد از بسته بندی محصول نیز می تواند انجام بگیرد. عمر مفید استریل یک محصول عملا نامحدود است به شرطی که بسته بندی باز نشود. بجز سرنگ، محصولات پزشکی شامل پنبه، پانسمان سوختگی، دستکش جراحی، دریچه های قبل، نوار زخم، ورق های پلاستیکی و لاستیک و وسایل جراحی توسط تابش استرلیزه می شوند.

 

رادیوایزوتوپ ها هم چنین نقش مهمی در آشکارسازی و تحلیل آلوده کننده ها دارند، چون حتی مقادیر خیلی کمی از رادیوایزوتوپ ها به آسانی می توانند آشکارسازی شوند، و واپاشی ایزوتوپ های کم عمر به این معنی است که باقی مانده ای در محیط باقی نمی گذارند.

 

تکنیک های هسته ای برای طیفی از مسایل آلودگی شامل تشکیل دود مه، آلودگی اتمسفر بوسیله دی اکید سولفور، پراکندگی فاضلاب از ریزشگاه به اقیانوس و نشت نفت به کار رفته است.

 

توانایی اندازه گیری رادیواکتیویته در مقادیر کم رادیوایزوتوپ ها، طیف وسیعی از کاربردها را در صنعت به عنوان "ردیاب ها" داده است. بوسیله اضافه کردن مقدار کمی از مواد رادیواکتیو به مواد مورد استفاده در فرایندهای مختلف، امکان مطالعه میران ترکیب و جریان طیف وسیعی از مواد شامل مایعات، پودر ها، و گازها و مکان یابی نشت ها وجود دارد.

 

ردیاب های اضافه شده به روغن های روان کننده می توانند در اندازه گیری میزان سائیدگی موتورها و امکانات و تجهیزات کمک کنند. تکنیک های ردیابی در عملکرد نیروگاه ها برای بررسی کارائی تجهیزات و بهبود راندمان استفاده شده است، ذخیره انرژی و استفاده بهتر از مواد خام را نتیجه می دهد.

 

دستگاه های دقیق شامل چشمه های رادیواکتیو در گستره ی وسیعی در صنعت استفاده می شود جایی که سطح گاز ها، مایعات و جامدات باید بررسی شوند. این دستگاه ها جایی که گرما، فشار یا مواد خورنده، از قبیل شیشه مذاب یا فلز مذاب، که استفاده دستگاه های ارتباط مستقیم سخت یا غیرممکن است، مفیدترین هستند.

 

دستگاه ضخامت سنج رادیوایزوتوپی در ساخت ورق های پیوسته موادی شامل کاغذ، فیلم های پلاستیکی، فلز، شیشه و ... استفاده شده است، وقتی می خواهیم از ارتباط بین دستگاه و ماده اجتناب کنیم.

 

دستگاه های چگالی سنج جایی که کنترل اتوماتیک یک مایع، پودر یا جامد مهم باشد، برای مثال در ساخت پاک کننده استفاده شده است.

 

وسایل رادیوایزوتوپی 3 مزیت بزرگ دارند:

• اندازه گیری ها می توانند بدون ارتباط فیزیکی با ماده یا محصول اندازه گیری شود.
• نگهداری بسیار کمی از چشمه ایزوتوپ لازم است.
• نسبت هزینه/سود خوب است، بسیاری از وسایل در چند ماه مقداری را که باعث صرفه جویی می شوند، برای خود باید بپردازند.

 

رادیوایزوتوپ هایی که پرتو های گاما تابش می کنند سبک تر از دستگاه های پرتو X هستند، و ممکن است تابشی با انرژی بالاتر را بدهد، پس برای بررسی جوشکاری سیستم های خط لوله نفت و گاز جدید استفاده شود، با یک چشمه رادیواکتیو که در داخل لوله جایگذاری می شود و فیلم بیرون جوش است.

 

اشکال دیگر رادیوگرافی (رادیوگرافی نوترون/ اتورادیوگرافی)، بر اصول متفاوتی مبنا دارند، برای سنجش ضخامت و چگالی مواد یا قرارگرفتن ترکیباتی که به روش های دیگر قابل دیدن نیستند، استفاده می شوند.

 

بعضی رادیوایزوتوپ ها مقدار زیادی انرژی به عنوان واپاشی تابش می کنند. چنین انرژی می تواند برای دستگاه تنظیم کننده ضربان قلب و منبع قدرت ماهواره ها و فانوس های دریایی استفاده شود. گرمای واپاشی پلوتونیوم 238 منبع توان خیلی از وسایل فضایی امریکا بوده است. به فضاپیمای کاسنی امکان بررسی زحل را داد، و قدرت آزمایشگاه علمی مریخ را تامین کرد.

 

تحلیل رادیوایزوتوپ اهمیت حیاتی دارند در تعیین سن سنگ ها و دیگر موادی که مورد علاقه زمین شناس ها، انسان شناس ها و باستان شناس ها هستند.

 

از وقتی که صبح بلند می شویم، تا وقتی می خواهیم بخوابیم، ما از خیلی از کاربردهای ابتکاری رادیوایزتوپ ها و تابش ها بی اطلاع سود می بریم. آب که با آن می شوریم(سرچشمه، اطمینان از عرضه)، لباسی که می پوشیم(دستگاه سنجش کنترل ساخت)، صبحانه ای که می خوریم(دانه های بهبود یافته، تحلیل آب)، حمل و نقل تا محل کار(سنجش ضخامت برای بررسی فولاد و پوشش در وسایل نقلیه و ارزیابی سایش و خوردگی در موتورها)، پل هایی که از آنها می گذریم(نوترون رادیوگرافی)، کاغذی که استفاده می کنیم(اندازه گیری، ترکیب در فرایند تولید)، داروهایی که می خوریم(تحلیل) نیازی به ذکر آزمایش های پزشکی نیست(سنجش ایمنی رادیو، شاید رادیو داروسازی)، یا محیطی که تکنیک های رادیوایزوتوپی کمک می کنند تا تمیز باشند، همه مثال هایی هستند که گاهی اوقات ما می گیریم.