Fizika | Energetika » A nukleáris leszerelés kérdései

A nukleáris leszerelés kérdései I. A felfedezések korszaka A XIX. század végére a fizikában két nagy alapelv volt ismeretes Az egyik az energiamegmaradás, a másik pedig az elemek ún. állandósága A Röntgensugárzást Wilhelm Conrad Röntgen német fizikus fedezte fel 1895-ben és Xsugárzásnak nevezte el. A különböző atomok rájuk egyedileg jellemző, meghatározott energiájú, ún. ka rakterisztikus röntgensugárzást bocsátanak ki, amikor atomhéjuk elektronjai alacsonyabb energiállapotba mennek át. A kibocsátott sugárzás energiájának és intenzitásának mérésével megállapítható a k ibocsátó anyag milyensége és mennyisége. – Folyamatos hullámhosszeloszlású röntgensugárzás elektromosan töltött mozgó részecskék lefékeződése során jelentkezik. Ezt a folyamatot használják fel röntgensugárzás keltésére a röntgencsövekben, ahol felgyorsított elektronok ütköznek az anódba. A nagyenergiájú sugárzás áthatol az

anyagokon, eközben az anyagok összetételüktől függően eltérő mértékben nyelik el a sugárzást Minél sűrűbb, minél nagyobb atomszámú az anyag, annál inkább elnyeli a röntgensugárzást. Az áthaladt sugármennyiség meghatározásával láthatóvá tehető a vizsgált minta belseje, ezen alapul az orvosi röntgendiagnosztika és az anyagvizsgálat. A röntgensugárzás a radioaktív sugárzáshoz hasonlóan ionizáló sugárzás, ezért használják fel a daganatos megbetegedések terápiájában. A kristályokban az atomok vagy ionok távolsága összemérhető a röntgensugárzás hullámhosszával, így röntgensugarakkal pontosan feltárható a kristályok szerkezete. A Föld körül keringő műholdakon elhelyezett, a röntgensugár tartományban észlelő távcsövekkel számos röntgenforrást tártak fel a világegyetemben, megszületett a röntgencsillagászat. Joseph John Thomson 1856. december 18-án született Manchester közelében Apja könyvkereskedô

és -kiadó volt. 1937-ben önéletrajzában ezeket írta (4): "Amikor gyerek voltam, nem volt bicikli, nem volt autó, nem volt repülôgép, nem volt elektromos világítás, telefon, rádió, gramofon, elektromérnöki tudomány, nem voltak röntgengépek, mozik és baktériumok, legalábbis az orvosok nem tudtak róluk." A manchesteri Owens College-ba, majd ösztöndíjjal a cambridge-i Trinity College-ba, Newton kollégiumába járt, ahol 1882-ben a m atematika tanára, majd 1883-ban egyetemi professzor lett. 1894-ben a kísérleti fizika "Cavendish-professzorává" nevezték ki, ezzel átvette Lord Rayleightôl az egyetem fizikai intézetének, a C avendish Laboratóriumnak a vezetését, amelyet 1926-ban adott át tanítványának, E. Rutherfordnak (1871–1937) 1897-ben felfedezte az elektront, majd tömegspektrográfiai munkája során kimutatta az izotópok létezését. Munkásságáért 1906-ban kapott fizikai Nobeldíjat. 1915-tôl 1920-ig a Brit

Tudományos Akadémia elnöke, 1918-tól 1940-ig a Trinity College vezetôje volt. Egy kisülési csőhöz csatlakoztatott burába két, résekkel ellátott koaxiális hengert tettünk (1. ábra); az A katódból származó katódsugarak azon a résen át jutnak el a burába, amelyik a cső nyakába illesztett fémdugóban van; ez a dugó az anódhoz csatlakozik és le van földelve. A katódsugarak így csak akkor esnek a hengerekre, ha mágnessel eltérítjük őket. A külső henger le van földelve, a belső az elektrométerhez van kötve. Amikor a katódsugarak (amelyeknek az útvonalát az üvegen jelentkező -1- foszforenciával követtük nyomon) nem estek a résre, az elektrométerhez jutó elektromos töltés kicsi és szabálytalan volt, ha a sugarakat keltő indukciós tekercset működésbe hoztuk; amikor azonban a sugarakat egy mágnessel elhajlítottuk, hogy a résre essenek, nagy negatív elektromos töltés került az elektrométerre. Meg is lepődtem ennek a

töltésnek a nagyságán; időnként annyi negatív elektromosság haladt át a keskeny résen a belső hengerbe egy másodperc alatt, hogy az 1,5 mikrofarados kondenzátor feszültsége 20 v olttal megváltozott. Ha a sugarakat a m ágnes annyira elhajlította, hogy a hengerek réseit már elkerülték, a h engerbe jutó töltés megint csak nagyon kis hányada volt annak az értéknek, amelyet a pontos célzáskor kaptunk. Ez a kísérlet tehát azt mutatja, hogy bármennyire fordítjuk is el vagy térítjük is el a katódsugarakat a mágneses erőkkel, a negatív elektromos töltés ugyanazt a pályát követi, mint a katódsugarak, és ez a negatív elektromos töltés elválaszthatatlanul kötődik a katódsugarakhoz. Azt a felfogást, hogy a katódsugarak negatív elektromos töltésű részecskék, gyakran támadják azzal, hogy eleddig nem figyelték meg a sugarak eltérülését kis elektrosztatikus tér hatására, és bár a sugarak eltérülnek, ha olyan elektródok

mellett haladnak el, amelyek nagy feszültségű forráshoz, például indukciós tekercsekhez vagy elektromos gépekhez vannak csatlakoztatva, az éteres elmélet hívei az eltérülést ebben az esetben nem elsősorban az elektrosztatikus térre, hanem az elektródok közötti kisülésre és vezetik vissza. Hertz a kisülési csőben két párhuzamos fémlemez közé terelte a sugarakat, de azt tapasztalta, hogy nem térültek el, ha a l emezeket akkumulátorokhoz csatlakoztatta; a kísérletet megismételve először ugyanazt az eredményt kaptam, de az egymás utáni kísérletek megmutatták, hogy a sugarak azért nem térülnek el, mert vezetővé teszik a ritkított gázt. A vezetőképesség – amint a mérések mutatták – nagyon gyorsan csökkent a légritkítás előrehaladtával; úgy tűnt tehát, hogy ha nagyon nagy légritkítás esetén ismételjük meg a Hertz-kísérletet, kimutathatjuk, hogy az elektrosztatikus erő eltéríti a katódsugarakat. Antoine Henri

Becquerel ( 1852 - 1908) francia fizikus, 1896-ban az uránnal és más anyagokkal végzett vizsgálatai során felfedezte a radioaktivitást, amiért 1903-ban Pierre Curie és Marie Curie-vel megosztva fizikai Nobel-díjat kapott. Becquerel fő kutatási terület a fluoreszencia, foszforeszencia, infravörös sugárzás és a radioaktivitás voltak. Röntgen X-sugarainak felfedezése után Becquerel úgy hitte, hogy a fluoreszcens fénykibocsátásnak és a röntgensugárzásnak azonos oka van. Ennek igazolására Becquerel beburkolt egy fényképezőlemezt olyan vastagon fekete papírba, hogy azon még akkor sem mutatkozott fátyolosodás, ha több órás intenzív napsütésnek tette ki. Az így beburkolt lemezre egy uránsó kristályt helyezett, amellyel már korábban is mint fluoreszkáló anyaggal kísérletezett. Az egész elrendezést napsütés hatásának tette ki, hogy az uránsó fluoreszkáljon. Amikor Becquerel előhívta a napsütésnek kitett uránsó alá helyezett

fényképezőlemezt, azon feketedést észlelt az uránsó alakjának megfelelően. Így Becquerel igazolni látta feltevését, miszerint a fluoreszcencia jelenségével együtt jár a röntgensugarak kibocsátása. Hogy a lemez feketedésének semmi köze sincs az uránsó fluoreszcenciájához, arra egy véletlen esemény mutatott rá. Becquerel az előzőekben ismertetett módon előkészítette kísérletét, de mivel a nap napokig nem sütött ki, a fotolemezeket abban a reményben, hogy nagyon gyenge képet fog kapni előhívta. Azonban az uránsó körvonalai igen nagy intenzitással jelentkeztek, a fotolemez sötétben is megfeketedett. További kísérletekkel megállapította, hogy a jelenségnek semmi köze sincs a fluoreszencia jelenségéhez, és kizárólag az uránium jelenlétével van kapcsolatban. Azt is megállapította, hogy a hatás nem függ az urán fizikai vagy kémiai állapotától, továbbá, hogy ez a sugárzás, amelyet egy ideig Becquerelsugaraknak

neveztek, a levegőt éppúgy ionizálja, mint a röntgensugarak. -2- Pierre Curie (1859 - 1906), francia fizikus, kémikus. Az 1903 évi fizikai Nobel-díj egyik jutalmazottja. Feleségével Marie Curievel 1898-ban felfedezték a polóniumot, valamivel később a rádiumot. Pierre elsősorban az új sugárzások fizikai tanulmányozásával foglalkozott (a fény- és vegyi hatásokat beleértve). A mágneses tereknek a rádium által kibocsátott sugárzásra gyakorolt hatását vizsgálta, s bebizonyította, hogy e sugárzásban pozitívan és negatívan töltött, valamint semleges részecskék is vannak; Ernest Rutherford ezeket később alfa-, béta- és gammasugaraknak nevezte el. Pierre ezt követően a sugárzásokat kalorimetriás módszerekkel tanulmányozta, s a rádium élettani hatásainak megfigyelésével megteremtette a rádiumkezelés alapjait is. Lord Ernest Rutherford (1871 - 1937) angol fizikus és kémikus. Munkásságának fő kutatási területei a

radioaktivitás, atomfizika, nukleáris fizika. 1908-ban az el emek bomlásának vizsgálataiért és a radioaktív anyagok kémiájában elért eredményeiért megkapja a Nobel- díjat. Kezdetben a röntgensugárzás hatására bekövetkező ionizációt vizsgálta gázokban. 1898-ban kezdte tanulmányozni a Becquerel-sugarak ionizációs hatását is. Megállapította, hogy a sugárzás nem homogén: van egy erősen ionizáló összetevője, amelyet azonban már egy vékony papírréteg is elnyel, és hatótávolsága levegőben is csak néhány centiméternyi. És van egy másik összetevő, amelyik az ionizációnak csak igen kis hányadát okozza, de sokkal nagyobb áthatolóképességgel rendelkezik. Rutherford ezeket a sugarakat a görög abc első betűi után a- és b-sugaraknak nevezte el. 1900-ban Villard felfedezte a b - sugaraknál is áthatolóbb harmadik típusú sugárzást, a gsugárzást A vizsgálatok most már olyan irányba folytak, hogy megállapítsák ezen

sugárzás természetét. Becqerel, aki újból visszatért ehhez a témához, megmutatta, hogy a b-sugarak korpuszkuláris természetűek, negatív töltést visznek, és a töltésük és tömegük hányadosának megmérésével azonosítani lehetett őket a n emrégiben felfedezett elektronokkal. Az a-sugarak azonosítása nem volt ilyen egyszerű. 1902-ben Rutherford már sejtette, hogy az a-sugárzás kétszeresen ionizált héliumatomokból áll, de teljes értékű bizonyítását csak 1909-ben adta meg. Kísérletei során a- részekkel bombázott vékony fémlemezeket, a sugárzást szcintillációs ernyőn fogta fel, amely a becsapódó részecskék hatására felvillan. Az a-részek elektromos és mágneses térben való eltérülésének mértékéből következtetett a részecskék pozitív töltésére és az elektronhoz képest igen nagy tömegére. A sugárzás döntő része akadálytalanul haladt át a fólián, néhány részecske azonban kisebbnagyobb szögben

eltért eredeti irányától, néhány esetben a becsapódó részecske látszólag visszapattant a fóliáról. Ebből arra a következtetésre jutott, hogy az atom pozitív töltése az atom közepén kicsiny magban helyezkedik el.1900-ban tanítványával Owensszel megfigyelték, hogy a sugárzás erőssége az idővel exponenciálisan csökken. Kísérleteik során megfigyelték, hogy a tórium által kibocsátott sugárzás intenzitása akkor is megváltozik, ha a laboratórium ajtaját kinyitják. Hamar rájöttek, hogy nyilván a levegő áramlásának van itt szereper. Így jutottak arra a gondolatra, hogy megvizsgálják a tóriumpreparátum fölött áramló levegő radioaktivitását. Azt tapasztalták, hogy ez az aktivitás igen gyorsan eltűnik 1902-ben Soddyval együtt felfedezték, hogy a radioaktív elemek sugárzás közben más elemekké bomlanak, és radioaktív bomlási sorozatok jönnek létre. Bevezették a felezési idő fogalmát 1913-ban Geiger, Rutherford

kísérletei számára számlálókészüléket szerkesztett, amellyel meg tudta számlálni az a-részecskéket. A készülék 1928-ban tökéletesített változata, a Geiger-Müllerféle számlálócső azóta mindenféle részecskekutatás alapműszere lett 1919ben nitrogént bombázott a-részekkel, és először figyelt meg Wilson-kamra segítségével atommag-átalakulást, amikor 17-es tömegszámú oxigén és proton keletkezett. Megállapította, hogy az így keletkező proton energiája nagyobb, mint a reakciót létrehozó héliummag energiája, tehát a magátalakulás közben energia szabadul fel. -3- - sugárzás Az a-sugarak nehéz, két egységnyi pozitív elektromos töltésű részecskék- hélium atommagok. Az a-sugárzás nehéz atommagokból léphet ki - sugárzás b-sugárzás atommagok bomlásakor keletkező nagyenergiájú elektronokból vagy pozitronokból álló sugárzás. b--bomlás akkor következik be, ha az atommag - amelynek energiája E, egy

neutronnak protonná történő átalakulásával stabilisabb E energiaállapotba kerül. Az átalakulás pillanatában egy elektron és egy antineutrinó keletkezik. Az atommag tömegszáma változatlan marad, míg rendszáma Z+1-re változik, ezért kívülről elektront tud befogni. b+bomlás során a mag energiája úgy csökken, hogy egy proton alakul át neutronná Ennek során egy pozitron és egy neutrinó keletkezik. A végbemenő átalakulás: A bomlás során a rendszám Z-1-re változik, a tömegszám változatlan marad. Mivel a protonok száma csökken, de az elektronok száma nem változik, ezért az atomhéjról egy elektronnak is távoznia kell - sugárzás g-sugárzásnak nevezzük az atomok által kibocsátott elektromágneses sugárzást, a folyamat során az atommag rendszáma (Z) és tömegszáma (A) is változatlan marad. James Chadwick ( 1891 - 1974 ), angol fizikus. Főként a radioaktivitás és a magfizika területén dolgozott. 1932-ben felfedezte a

neutronokat, amiért 1935-ben megkapta a Nobel-díjat Könnyű elemeknek a-részecskékkel történő bombázása során W. Bothe és H Beecker 1930-ban megfigyelték, hogy amikor berilliumot a-sugarakkal bombázták nagyon nagy áthatolóképességű sugárzás keletkezett. Kezdetben ezt különleges kemény g-sugárzásnak vélték Irene Curie és férje Joliot Curie azt vizsgálták, hogy milyen hatással van a sugárzásra, ha paraffin rétegen kell áthatolnia. A paraffinból kilépő fotonok energiája túl nagy volt ahhoz, hogy azokat fotonok hozzák létre. A kísérletet Chadwick fejlesztette tovább és megmutatta, hogy ez a n agy áthatolóképességű sugárzás semleges részecskékből áll, amelyek tömege hozzávetőleg a proton tömegével egyenlő. A részecskéket neutronoknak nevezte el A neutronok a következő magreakcióban keletkeztek: A kísérletben vékony polónium rétegből kilépő a-részecskék berillium céltárgyra esnek. A keletkező neutronok a

paraffin rétegből protonokat löknek ki, ezek az ionizációs kamrában áramot hoznak létre. Chadwick a keletkező protonok és a ködkamrában meglökött nitrogénmagok sebességéből következtetett a neutronok tömegére. Enrico Fermi ( 1901 - 1954 ), olasz fizikus, jelentős kutatási eredményeit az atom-, magfizika , a statisztikus mechanika, a k ozmikus sugárzás és az asztrofizika területén érte el. 1938-ban az újabb radioaktív elemek neutronbesugárzással való létrehozásáért, és a lassú neutronok segítségével létrejövő magreakciók egyidejű felfedezéséért Nobel-díjat kapott. 1933-ban Fermi rájött, hogy atommagok átalakítására a neutron alkalmas, mert a vonzó magerőt érzi, de atommagba történő behatolását nem akadályozza Coulomb-taszítás. Fermi a neutronokat berillium és rádium összetételű neutronforrásból nyerte. A rádium által kibocsátott a- részecskék a berilliumból a következő folyamat során neutront

szabadítanak ki: Fermi neutronokkal rendre besugározta a különböző kémiai elemeket. Ha nagy neutrontöbbletű atommagok alakultak ki, azok b-bomlással érték el a k edvező proton-neutron arányt, alacsonyabb energiaállapotba jutottak. Amikor kísérletei során az uránhoz ért, Fermi azt tapasztalta, hogy egyfajta helyett sokféle felezésidejű és energiájú b-aktivitás mutatkozik. Fermi úgy gondolta, hogy a 92-es rendszámú urán a befogott elektronok hatására b- bomlással több lépésben megnöveli protonjai számát, és 93, 94. rendszámú transzurán elemek alakulnak ki Később kiderült, hogy ekkor Fermi nemcsak transzurán elemeket állított elő, hanem előidézte az első atommaghasadást is. 1939-ben Fermi és Szilárd Leó az uránhasadásban felismerték az önfenntartó láncreakció lehetőségét. 1941-ben kimutatta a spontán bomlásnál keletkező neutronokat1942-ben vezetésével megépült az első atomreaktor. 0 -4- Otto Hahn 1934-ben

kezdett érdeklődni Fermi munkája iránt, aki fölfedezte, hogy ha a legnehezebb természetes elemet, az uránt neutronokkal bombázzák, akkor számos radioaktív termék keletkezik. Fermi azt feltételezte, hogy ezek a termékek az uránhoz hasonló mesterséges elemek. Hahn és Strassman kémiailag kívánta azonosítani Fermi transzurán elemeit, a periódusos rendszerben fölöttük lévő elemekhez való hasonlóságuk alapján. A neutronokkal besugárzott uránt salétromsavban feloldották. Az oldatból kénsav hatására a bárium és a vele egy oszlopban lévő elemek oldhatatlan csapadék ( BaSO4 ) formájában kiváltak. Mivel a radioaktivitás egy része a csapadékkal ment, a német kutatók rádium keletkezésére gyanakodtak. a s alétromsavas oldathoz rádium-sót adtak, majd a kénsav-becsöpögtetés hatására kivált csapadékból finomabb kémiai módszerekkel elkülönítették a rádiumot és báriumot. Legnagyobb meglepetésükre a baktivitás a b áriummal

maradt Tehát neutronbesugárzás hatására az urán reakciótermékei közt bárium is jelen van, ez pedig csak az urán-mag széthasadásaként volt értelmezhető. Lise Meiter Koppenhágában Niels Bohr mellett dolgozott. Miután Hahn és Strassman kimutatta, hogy a neutronokkal bombázott uránban bárium jelenik meg, Meitner az unokaöccsével, Otto Frisch-sel együtt értelmezte ennek a b omlásnak a fizikai jellemzőit; Az atommagok akkor már pontosabban ismert kötési energiái alapján ő mutatta meg, hogy maghasadás lehetséges, sőt energia-felszabadulással járhat. Frederic Joliot-Curie (1900 -1958), Irene Curie (1897 -1956) francia fizikai kémikusok, férj és feleség, 1935-ben együtt nyerték el a kémiai Nobel-díjat a mesterségesen előállított új radioaktív elemek felfedezéséért. A Nobel-díjas Pierre és Marie Curie veje ill lánya voltak Kutatásaik során bórt, alumíniumot bombáztak alfa-sugarakkal, eredményül eredetileg nem sugárzó elemek, a

nitrogén, a foszfor radioaktív izotópjait kapták. Ezek a felfedezések feltárták annak a lehetőségét, hogy mesterségesen előállított radioaktív elemekkel kémiai változásokat és élettani folyamatokat lehessen nyomon követni. Az alkalmazások hamar sikerrel jártak, kimutatták a radioaktív jód elnyelődését a pajzsmirigyben és használt radioaktív foszfor mozgását a szervezet anyagcseréjében. Az ilyen instabil elemek előállítása arra is lehetőséget adott, hogy megfigyeljék ezeknek az atomoknak az átalakulását, amikor a magjuk bomlást szenved. JoliotCurie-ék az átalakulások vizsgálata során a neutronok és a pozitív elektronok keletkezését is megfigyelték. Fredericet 1937-től új sugárforrások előállításán dolgozott Később részecskegyorsítók építését irányította. Erőfeszítéseinek csúcspontja az első francia atomreaktor üzembe helyezése volt 1948. december 15-én II. Az atommáglya "Az első atomreaktor

építése 1942 elején kezdődött el Chicagóban.Az olasz Enrico Fermi volt a munka vezetője. A kanadai Walter Zinn építette a máglyát a Chicagói Egyetem sportstadionjának lelátója alatt lévő helyiségben. A padozatra rádium-berillium neutronforrást helyeztek Erre grafittömböket rétegeztek, közéjük urángolyókat ágyazva. (Innen az atommáglya elnevezés) Mérték, hogy miként változik a neutronok száma a neutronforrástól távolodva. Ha egy-egy réteg a neutronok N számát q-ad részére csökkentette, n réteg fölött a kezdeti N neutronból N = N q maradt. Az volt a kérdés: elérhető-e q ł1 érték? A különböző elrendezéseknél nyert mérési adatok Wigner Jenőhöz kerültek. Az ő feladata volt azok kiértékelése, hogy előrelássa: milyen elrendezésű és méretű reaktor érheti el a kritikus q = 1 értéket. A reaktor 1942 december 2-ára lett kész: volt. (A kadmium kitűnő neutronelnyelő) Biztonságból fejszével egy ember állt

készenlétben a reaktor tetején, hogy a neutronok nemkívánatos exponenciális szaporodása esetén elvágja egy másik (tartalék) kadmiumrúd tartókötelét, hogy az vészhelyzetben szabadon behulljon a reaktorba, leállítva a 6 tonna urán és 315 tonna grafit volt beleépítve. A reaktorban 0 -5- n 0 n neutront elnyelő kadmiumrúdláncreakciót. Mint végső biztosítás, ő volt a Safety Control Reserve Axed Man, rövidítve SCRAM.Wigner Jenő így emlékezett vissza erre a napra: "- Szerda reggel a stadion alatt lévő nagy 10-szer 20 méteres teremben már 8. 30-kor gyülekezni kezdtünk. A terem közepén egy nagy halom fekete grafit volt, rajta fa tartórudak látszottak A máglya alaprajza négyzet alakú volt, fölfelé kissé keskenyedve. A máglya tetején egy "öngyilkososztag" is volt, készen arra, hogy szükség esetén neutronelnyelő bórosvizet öntsön a reaktorba A kísérlet 9. 45-kor indult Fermit figyeltem Ő elrendelte a

kadmiumkontrolrúd fokozatos kihúzását. 11 30 -ra majdnem megvalósult az önfenntartó láncreakció, de ekkor Fermi ebédszünetet rendelt el. 2 00 -kor újra összegyűltünk Fermi logarléccel a kezében számolt, mellette volt két közvetlen munkatársa, Herbert Anderson és Walter Zinn. Közelében állt Arthur Compton, mi többiek – lehettünk negyvenen - távolabb helyezkedtünk el. Köztünk volt régi barátom is, Szilárd Leó. Számításai alapján 3 30-kor Fermi kiadta az utasítást, hogy a k admiumrudat 25 c entiméteres adagokban kezdjék tovább kihúzni. A neutronszámláló egyre sűrűbben kattogott, a l áncreakció már majdnem önfenntartó volt. Mire szinte az egész kadmiumrudat kihúzták, a s zámláló úgy kattogott, mint bármikor annakelőtte. Az önfenntartó láncreakció megvalósult! Az atommag energiáját felszabadítottuk és ellenőrzés alatt tartottuk. Mosoly jelent meg az arcokon, néhány taps is elhangzott De főképp feszülten

figyeltünk még 30 percen keresztül. A jelenet nem volt teátrális Fermi olyan alacsony szinten működtette az atommáglyát, hogy senki nem volt veszélyeztetve. De működött a reaktor 4 00 előtt pár perccel Fermi elrendelte a reaktor leállítását. A kadmiumrudat visszatolták, a láncreakció leállt. -Tudtam, hogy a kísérlet sikerülni fog. Hiszen, ha megépítünk egy kocsit és elé lovakat fogunk, ostorral a lovak közé suhintva elindulnak a lovak, és föltételezhetjük: a kocsi is meg fog indulni. Fermi megvalósította a reaktort és a lovak közé vágott. Nem csak ő lehetett képes megvalósítani a láncreakciót, de talán ő volt az, aki ezt ilyen gyorsan meg tudta csinálni." Marx György: Atommagközelben III. A láncreakció Az energia felhasználására alkalmas maghasadás legfontosabb sajátsága, hogy egy hasadás során 2-3 neutron szabadul fel, melyek újabb hasadást idézhetnek elő. Annak feltétele, hogy a láncreakció önállóan

fennmaradjon az, hogy a felszabaduló neutronokból legalább egy újabb maghasadást váltson ki. Ha átlagosan egy neutron kelt újabb hasadást (felső kép), a felszabaduló energia állandó lesz. Ez a helyzet a reaktorokban Ha egynél több neutron kelt újabb hasadást (alsó kép), a felszabaduló energia exponenciálisan növekszik. Ez a helyzet az atomreaktorokban a teljesítmény növelésekor Ez a helyzet az atombombában is, de ott ez a növekedés a másodperc milliomod része alatt, szabályozatlanul következik be. Az egy hasadásból származó neutronok azon számát, amelyek a következő neutron-generációban egy újabb maghasadást hoznak létre, keff sokszorozási tényezőnek nevezzük.  Ha keff<1, akkor a láncreakció egy idő után leáll, mert a hasadást okozó neutronok száma egyre csökken. Ebben az esetben a reaktor szubkritikus állapotban van  Ha keff=1, akkor a láncreakció időben állandó, a reaktor kritikus állapotban van. -6-

 Ha keff>1, akkor a láncreakcióban résztvevő neutronok száma egyre növekszik, a reaktor szuperkritikus állapotban van. A keff értékét az a valószínűség határozza meg, mellyel a neutronok négy leggyakoribb folyamata a reaktorban lejátszódik: 1. befogás és neutronok felszabadulásával járó hasadás a üzemanyagban 2. hasadás nélküli befogás a üzemanyagban 3 a reaktor más anyaga által történő befogás 4 megszökés a reaktorból IV. Az atombomba működési elve Az atombomba energiáját urán vagy plutónium hasadása szolgáltatja. Egy neutron által előidézett hasadás során átlagosan 2-3 neutron szabadul fel, és ezek a neutronok újabb hasadásokat idézhetnek elő. Annak a feltétele, hogy egy láncreakció önállóan fennmaradjon az, hogy a reakcióban keltett neutronok átlagosan legalább egy újabb hasadást idézzenek elő. A hasadás során felszabaduló neutronok újabb hasadást kelthetnek, elnyelődhetnek a bomba anyagában

és kiléphetnek a f elületen. Ez a h árom folyamat meghatároz egy kritikus tömeget, mely alatt a kilépő és elnyelődő neutronok miatt nem tud önfenntartó láncreakció kialakulni. Mekkora ez a kritikus tömeg? Tegyük fel, hogy a bomba gömb alakú és hogy a neutronsűrűség az anyagban állandó (ez utobbi feltétel biztosan csak közelítés)! A gömbtérfogatban lévő hasadóanyag tömege legyen: M. A hasadások száma a tömeggel arányos és tegyük fel, hogy hasadásonként átlagosan 2 neutron keletkezik, így a keletkező neutronok száma 2aM. A láncreakció feltétele, hogy a hasadások során keletkezett neutronok száma (2aM) ne legyen kisebb, mint az új hasadást előidéző (aM), elnyelődő (bM) és a felületen kiszökő (cF) neutronok számának összege. A gömb tömege: A gömb felszíne: A fenti összefüggések alapján a kritikus tömeg: Az 235U kritikus tömege körülbelül 7 kg, a 239Pu kritikus tömege körülbelül 10 kg. Az uránbomba

vázlatát mutatja a baloldali rajz. A bombában a hasadóanyagot úgy kell elrendezni, hogy az szubkritikus maradjon, ezért két vagy több részre osztják. A láncreakció elindításához a hasadóanyagot kémiai robbanótöltettel összepréselik, így kis térfogatban szuperkritikus tömeg egyesül. Az összepréselés során a berillium olyan közel kerül a rádiumhoz, hogy együtt neutronforrásként üzemelnek. A kibocsátott neutronok hatására megindul a láncreakció A plutóniumbomba nem valósítható meg a fenti módon, mert a 239Pu számottevő valószínűséggel bomlik hasadás révén és termel neutronokat. Ezek a spontán neutronok a szubkritikus tömegk találkozása előtt láncreakciót indíthatnak el, még mielőtt a rádium találkozna a berilliummal. A láncreakció megindulásakor keletkező hő a bombát szétvetné, és megakadályozná, hogy elegendően nagy reaktivitás jöjjön létre, ezért a plutóniumbomba felépítése más. Vázlatát mutatja

az alsó kép. A plutóniumbombában a kritikus tömeget gömbhéjban helyezik el A gömbhéj nagy felületén sok neutron tud kilépni, megakadályozva ezzel a láncreakció megindulását. A gömbhéjat kémiai robbanóanyag veszi körül. A gyújtószerkezetek gömbszimmetrikusan helyezkednek el. A kémiai töltet felrobbantásával a kritikus tömeg hirtelen koncentrikusan összesajtolódik és szuperkritikussá válik, a bomba felrobban. Fontos, hogy a kémiai töltetek elektromos gyújtása szigorúan egyidejű legyen. Ha egyetlen robbanótöltet is egy pillanattal korábban robban, a szerkezetet szétdobná még a tökéletes koncentrikus összesajtolódás elött. Ezért a plutóniumbomba csúcstechnikát igényel, a gyújtások szigorú időzítése komoly kihívást jelent. Bár mind az atombomba, mind az at omreaktor hasadásos láncreakción alapul, hangsúlyozni kell, hogy működésük között több alapvető különbség is van. Az egyik lényegi -7- különbség,

hogy az atomreaktorban a keletkezett gyorsneutronokat le kell lassítani ahhoz, hogy a láncreakció létrejöhessen, míg az atombombában a gyorsneutronok hozzák létre a láncreakciót. Ennek az a következménye, hogy az atomreaktorban a folyamatok sohasem mehetnek végbe olyan sebességgel, mint az atombombában. Azaz egy atomreaktor sohasem válhat atombombává A bombában a láncreakció a m ásodperc milliomod része alatt megszalad, a hőmérséklet több millió fokra emelkedik. Ezzel szemben, az atomerőműben még a legsúlyosabb esetben sem emelkedik a hőmérséklet egy-kétezer fok fölé, s ekkor a neutronlassítás megszűnés miatt a további láncreakció leáll. A csernobili atomreaktor robbanása is inkább egy túlfűtött kazán robbanásához hasonlítható, semmint egy atombombáéhoz. A csernobili robbanáskor kialakult legnagyobb hőmérséklet - ami a grafit meggyulladása miatt alakult ki - 2500 oC volt. V. A robbanás hatásai Az atombomba energiája

hősugárzás, lökéshullám, és radioaktív sugárzás formájában szabadul fel. A bomba robbanásakor a robbanás helyén több millió fokos hőmérséklet keletkezik A magas hőmérséklet hatására a bomba anyaga ionizált gázzá és elektromágneses sugárzássá válik. A környező levegő elnyeli ezt az elektromágneses sugárzást és a növekvő hőmérsékletű "tűzgolyót" hoz létre. Hirosimában és Nagaszakiban a "tűzgolyó" átmérője kb 15 m, hőmérséklete mintegy 300000 °C volt. A robbanást mindig lökéshullám követi, melynek sebessége nagyobb, mint a hangsebesség. A lökéshullám hatására a levegő összenyomódik, a légnyomás értéke hirtelen megnő, és a levegő nagyon magas hőmérsékletre melegszik fel. A lökéshullám okozta károk Maximális légnyomás (*105 Pa) A lökéshullám maximális sebessége (m/s) Centrumtól való távolság (km) A lökéshullám okozta kár nagysága 3,5 440 0 Minden elpusztul 1,9 280

0,5 Acélszerkezetek összeomlanak, tetők és falak elrepülnek 1,5 200 0,8 Vasbeton, földrengés-biztos épületek teljesen ledőlnek 0,76 130 1,2 20 cm vastag vasbeton kémények leomlanak 0,53 94 1,5 30 cm vastag téglafalak széttörnek 0,48 86 1,6 A többemeletes házak teljesen lerombolódnak 0,38 72 1,8 Súlyos károk: minden épület komolyan megrongálódik 0,30 60 2,0 A többemeletes házakban komoly sérülések keletkeznek 0,22 45 2,3 Minden faház összedől 0,16 36 2,6 Közepes károk: a házak felújítás nélkül használhatatlanok 0,12 28 3,2 -8- Részleges károk: a faházak felújításra szorulnak. 0,10 25 3,6 Csekély károk: megrepedezik a vakolat, kitörnek az ablakok Az atombomba robbanásakor kétféle sugárzást különböztetünk meg. Az elsődleges sugárzás rögtön a robbanáskor keletkezik. A bomba robbanásakor keletkező radioaktív sugárzás a-, brészecskéket, gsugarakat és neutronokat tartalmaz Mivel az a-, bsugárzás hatótávolsága

kisebb, mint a g- és n-sugárzásé, így azok nem jutnak el a földre. Ennek következtében az embereket ért elsődleges sugárzás nagyrészt g- és n sugárzásból állt. A robbanás során kb. 200 féle radioaktív izotóp (Sr89, Sr90, stb.) keletkezett, melyeket a szél távolabbi területekre szállított Ezen radioaktív elemek bomlása során létrejövő sugárzás a másodlagos sugárzás. A szél által elszállított radioaktív anyagok az esővel kerültek vissza a földre. Egy hatalmas elliptikus területen több órán keresztül sűrű, ragadós, sáros eső esett. A robbanás hatása az épületekre Az épületek nagy része a becsapódással egy időben romhalmazzá és hamuvá vált. Először a lökéshullám roppantotta össze őket, majd a tűz martalékává váltak. A következő grafikon azt mutatja, hogy az epicentrumtól távolodva mekkora károkat okozott a robbanás. Leégett és összedőlt épületek Az atombomba által lerombolt épületek száma

Hely Forrás (a link alapján táblázatot sajnos nem volt energiám berakni) VI. A robbanás okozta egészségkárosodás A mai napig nem tudják pontosan megállapítani, hogy hány ember halálát okozták a bombatámadások. Nagyon nehéz megbecsülni, hogy a robbanáskor hányan tartózkodtak a városban. A becslések alapján közvetlenül a robbanás után meghalt áldozatok száma Hirosimában 90000-120000, Nagaszakiban 60000-70000. A sérülések típusai és súlyossága a robbanás középpontjától való távolság szerint A sérültek tartózkodási helye sérülés 0-1 km 1-2 km 2-3 km 3-4 km 4-5 km 5-6 km Szabadban, védelem nélkül lökéshullám okozta károsodás súlyos enyhe égés súlyos mérsékelt enyhe enyhe radioaktív sugárzás súlyos mérsékelt Szabadban, valamilyen Védelemmel lökéshullám kozta árosodás nyhe enyhe gés enyhe enyhe radioaktív sugárzás mérsékelt enyhe enyhe Faházakban Lökéshullám okozta károsodás súlyos súlyos

mérsékelt mérsékelt enyhe enyhe égés enyhe enyhe radioaktív sugárzás mérsékelt mérsékelt/ enyhe enyhe Betonépületek lökéshullám okozta károsodás enyhe égés enyhe radioaktív sugárzás mérsékelt/ enyhe Az atombomba hatására kialakuló betegségeket két csoportba oszthatjuk. Megkülönböztetünk akut betegséget és másodlagos (késői) betegséget. Az akut betegség lefolyása, a felmérések alapján: 1. korai szakasz: a robbanástól számított második hét végéig tart Főképpen a hőhatás, a tűz okozta sebek, lökéshullám és tárgyak okozta sérülések jellemzők. A sebesültek 90 %-a ebben a periódusban halt meg. 2 közbenső szakasz: a harmadik hét elejétől a nyolcadik hét végéig tart Megjelennek a s ugárbetegség tünetei, hajhullás, vérszegénység, csökkent fehérvérsejtszám, vérzékenység, hasmenés. Ezek a t ünetek olyanokon is jelentkeztek, akiket látszólag nem ért sérülés. 3 késői szakasz: A harmadik hónap

elejétől a negyedik hónap végéig tart Egyesek állapota javult, másoké nagyon leromlott és meghaltak. -9- A sérüléseket is három csoportba oszthatók: I. Égési sérülések (1) Elsődleges égési sérülések (hősugárzástól származó égési sérülések, az abnormálisan magas hőmérséklet hatására az elhalt szövetek megfeketednek, vagy fehér hólyagok borítják be a bőr felszínét. Ilyen magas hőmérsékleten az emberi szervek elpárologhatnak, ami azonnali halálhoz vezet.) (2) Másodlagos égési sérülések (lángoktól származó, perzselt, mély égési sebek, ilyenek a mindennapi életben is előfordulnak) II. Atombomba okozta trauma (1) Elsődleges trauma (lökéshullám hatására kialakuló nagy nyomás okozta károsodás) (2) Másodlagos trauma (repülő tárgyaktól, üvegdaraboktól, romoktól származó sebesülések melyek rendszerint elfertőződtek) III. Sugárzás okozta betegségek (1) Elsődleges-sugárzás okozta betegség

(sugárbetegség, hányinger, rossz közérzet, étvágytalanság, hasmenés, bevérzések a bőr alatt, hajhullás, bőrpír, szájsebek, fekélyesedés, a fehérvérsejtek száma kórosan lecsökken, vérszegénység, gennyes fertőzések jellemzik) (2) Másodlagos-sugárzás okozta betegség (a robbanás során keletkező radioizotópok sugárzása okozza, olyan emberek is megbetegedtek, akik nem tartózkodtak közvetlenül a robbanás helyszínén, de később odautaztak például a rokonaikat megkeresni, vagy segítséget nyújtani.) Az atombomba robbanás hatására különböző gyógyulni nem akaró sebek, tályogok alakultak ki. A leukémia, a rákos betegségek (gyomor, bél, tüdő, pajzsmirigy rosszindulatú daganatai) előfordulásának gyakorisága megnőtt. A leukémia eloszlása azon túlélők körében, akik 1 Gy vagy annál nagyobb dózist kaptak Azok közül a gyermekek közül, akiket az anyaméhben ért a sugárzás, sokan születési rendellenességekkel,

szellemileg és testileg visszamaradottan jöttek a világra. Azoknál az anyáknál. akik a robbanás pillanatában terhesek voltak megnövekedett a vetélések száma Körültekintő vizsgálatokat végeztek, hogy meghatározzák a sugárzás genetikai hatásait is. Vizsgálták a halva születéseket, vetéléseket, mutációkat és azon szülők gyermekeit, akik a sugárzást túlélték. A mérések alapján a genetikai hatás nem volt kimutatható. VII. A sugárzás biológiai hatásai Az ionizáló sugárzások szervezetet károsító hatásai igen korán ismertté váltak. 1901-ben Becquerel egy cikket írt arról, hogy a mellényzsebébe tett rádiumminta égési sebet keltett a testén. Az 1900-as évek elejétől a röntgensugárzás alkalmazása mindinkább elterjedt az orvostudományban, a sugárzást alkalmazó orvosok, asszisztensek körében igen hamar megjelentek a sugárbetegségek jellegzetes tünetei: bőrgyulladás, fekélyesedés, hajhullás, szemfájdalmak,

fehérvérűség, rosszindulatú daganatok. A hosszú évtizedeken át megfelelő sugárvédelem nélkül végzett röntgen vizsgálatok világszerte sok száz halálos áldozatot követeltek. Mindezek a betegségek külső sugárterhelés hatására következtek be A XX. század első felében, a radioaktív izotópok felhasználásának elterjedésével megjelentek az első olyan megbetegedések is, melyek belső sugárterhelés (inkorporáció) hatására alakultak ki. Jó példa erre egy amerikai óragyárban megtörtént eset. Az itt dolgozó munkásnők rádiumtartalmú festékkel festették meg az órák számlapjait, s az ecsetet nyelvükkel hegyesítették. Az első elváltozásokra a fogorvosok figyeltek fel. A munkásnők között megszaporodtak a fog és szájbetegségek. Később a munkásnők körében nagy számban észleltek fehérvérűséget, és a halálozási arány erősen megnőtt. 1957-ben hazánkban is észleltek ilyen esetet Ezek az esetek is arra mutatnak rá,

hogy számolnunk kell a belső sugárterhelés veszélyeivel is. Az ionizáló sugárzások hatása az élő szervezetre -10- A fizikai hatások során a sugárzásból energia nyelődik el a szervezetben. Az elnyelt energia a biológiai rendszerekben különböző elváltozásokat okoz. Ilyen elváltozások a fehérjék kicsapódása, a sejtmembrán áteresztőképességének megváltozása, kromoszómatörés, gének mutációja. Ha a genetikai kódokat tartalmazó DNS sérül meg, a genetikai kód megváltozik, és mutáns sejtek jelennek meg. Ha ez az elváltozás az ivarsejtekben lévő kromoszómákon történik, a mutáns gén hatása az utódokon jelentkezik. A besugárzott egyedeken jelentkező biológiai elváltozásokat szomatikus hatásnak, az utódokon jelentkező biológiai elváltozásokat genetikai hatásnak nevezzük. Genetikai hatás Az ionizáló sugárzások genetikai hatását egy sor állatkísérlet igazolja. Muller 1926-ban muslicákon mutatta ki

először. Az emberek esetén genetikai hatást a statisztikák nem tudtak kimutatni. A vizsgálatokat Japánban végezték, az atombomba robbanását túlélt emberek utódain. A vizsgálat szerint a besugárzás után fogant magzatokon nem lehetett az örökölt rendellenességek arányának megnövekedését kimutatni, még akkor sem, ha a szülőkön kimutatható volt a kromoszómakárosodás. Kutatók szerint a fogamzáskor és az azt követő rövid időszakban sokkal erősebb szelekciós mechanizmusok működnek, mint az állatoknál, s ezért a sérült petesejtek és hímivarsejtek nem képesek magzatot létrehozni. Mégis sok gyermek született a bomba ledobása után súlyos születési rendellenességgel. Azonban ezek a gyerekek még a besugárzás előtt fogantak meg, és az anyaméhben érte őket a sugárzás. Ez azonban már nem genetikai, hanem szomatikus hatás, mert a sugárzás a már megfogant gyorsan fejlődő embriót érte, és a fiatal gyorsan szaporodó sejtek

a sugárzásra különösen érzékenyek. Szomatikus hatások Korai (akut) sugárhatás Késői sugárhatás Szükségszerű (Determinisztikus) Determinisztikus Véletlenszerű (Sztochasztikus) Akut sugárhatás Akut sugárhatásról beszélünk, ha a hatás és a következménye között rövid idő telik el. Akut sérülések leggyakrabban a kezek bőrfelületén a fejen és a nyakon figyelhetők meg. Ha a bőrben elnyelt dózis 3 Gy-nél nagyobb bőrpír, szőrzet és hajhullás, 10 Gy felett hólyagosodás, pigmentáció, fekélyesedés figyelhető meg. A szervezet egészének, vagy nagy hányadának egyszerre, vagy rövid idő alatt történő, nagy dózisú besugárzása heveny sugárbetegség kialakulásához vezet. A sugárbetegség lefolyása: Idő Halálos dózis Félhalálos dózis Félhalálos alatti dózis 1. hét émelygés, hányás, hasmenés, ajak és torok megdagad émelygés, hányás lehetséges émelygés, hányás 2. hét láz, folyadékveszteség gyors

súlycsökkenés, halál étvágytalanság, rossz közérzet tünetmentes szakasz 3. hét -11- - láz, ajak és torok erős gyulladása rossz étvágy, általános gyengeség, sápadtság, hajhullás, vérzékenység, hányás 4.hét sápadtság, vérzékenység súlyveszteség, 50 %-os halál a túlélők lassú javulása lassú javulás A korai sugársérülés csak determinisztikus lehet, mert a besugárzott szövet vagy szerv szükségszerűen reagál a nagy dózisú sugárzásra. Determinisztikus hatás A determinisztikus hatások lényeges sajátossága a küszöbdózis létezése. Minden szervre, szövetre, egésztestre létezik egy olyan érték, amelynél kisebb dózisú besugárzás esetén ilyen hatás nem lép fel. A küszöbdózist átlépve a károsodás súlyossága a dózissal monoton növekszik, íg el nem éri a maximumát, a halállal végződő károsodást. Ha a biológiai hatás súlyosságát brázoljuk a dózis függvényében, a következő görbét

kapjuk: Dózis-hatás görbe 0-0,25 Sv: különösebb következmények em jelentkeznek. 0,25 Sv a küszöbdózis rtéke 0,25-2 Sv: megnövekszik a sugárbetegségek száma és súlyossága, de haláleset még nincs. 2 Sv: megjelennek az első halálesetek. 2-4,5 Sv: a halálesetek száma a dózis növekedésével gyorsan növekszik. 4,5-5 Sv: félhalálos dózis, ilyen besugárzásnál a besugárzott személyek 50 %-a 30 napon belül meghal. 7 Sv felett minden besugárzott személy meghal. Ez a halálos dózis Késői hatások Ha az emberi szervezetet kisebb dózishatás éri, ennek következménye lehet mutációk létrejötte, fehérvérűség, rosszindulatú daganatok kialakulása, az életkor rövidülése. A késői hatások ehetnek determinisztikusak és sztochasztikusak is. o Determinisztikus hatás Kis dózisteljesítményű, de hosszan tartó sugárzás következményeként léphet fel. Sugárzás okozta bőrgyulladást évtizedeken

át tapasztaltak világszerte a betegek röntgenvizsgálatát égző orvosok kezén. Ezek az orvosok a vizsgálat során rendszeresen nyúltak védekezés nélkül sugárnyalábba. Kezükön a bőr kiszáradt, elvékonyodott, kifekélyesedett Sztochasztikus hatás Kis dózisú besugárzások esetén fordul elő. A sugárdózistól a megbetegedés gyakorisága és em a súlyossága függ. Általában rosszindulatú daganatos megbetegedések kialakulása ekinthető sztochasztikus hatásnak. Dózis-hatás görbe első atombomba robbanásának túlélőin végzett vizsgálatok arra az eredményre vezettek, ogy a dózis-hatás görbe lineáris (kis valószínűségek esetén csak nagy populáción végzett érések adnak megbízható eredményeket, ezért a görbe alsó szakaszának linearitása csak eltételezés). A görbe meredeksége az összes halálos megbetegedés kockázati tényezőjét adja Megbetegedések kockázati tényezője Megbetegedés Kockázati tényező (10 /Sv)

Emlőrák 0,25 Tüdőrák 0,20 Fehérvérűség 0,20 Csontdaganat 0,05 -2 -12- Pajzsmirigyrák 0,05 Más rosszindulatú daganat 0,50 Öröklődő egészségkárosodás 0,40 Összesen 1,65 VIII. A népességre ható természetes és mesterséges sugárzás Természetes sugárterhelés Az emberiséget kialakulása óta éri természetes eredetű ionizáló sugárzás. Ez a természetes ugárzás lehet külső és belső. A külső sugárforrásokhoz soroljuk a kozmikus sugárzást, a öldkéreg radioaktív anyagait, az építőanyagokat. A belső sugárforrásokhoz z emberi szervezetbe utó természetes radioaktív izotópok tartoznak. A természetes eredetű sugárterhelést lapul vehetjük a mesterséges eredetű sugárterhelés megítéléséhez. o Kozmikus sugárzás A földi légkörbe az űrből érkező nagy energiájú sugárzásokat elsődleges kozmikus sugaraknak evezzük. Az elsődleges kozmikus sugarak a Galaktikából és a Napból származnak, protonok, lfa

részecskék és röntgen-fotonok alkotják. A galaktikus sugárzás intenzitása többé-kevésbé llandó, míg a Napból származó szoláris sugárzás intenzitását a napkitörések erősen befolyásolják. Napkitörések során a protonsugárzás fluxusa erősen megnő. Ha az elsődleges kozmikus ugarak a légkörben található atommagokkal kölcsönhatásba kerülnek, magreakciókat déznek elő vagy ionizálnak, másodlagos részecskék (neutronok, protonok, pionok, müonok, tb.), valamint elektromágneses sugárzás keletkezik. Ezeket hívjuk másodlagos kozmikus sugaraknak A másodlagos részecskék további reakciókat okoznak, melyek során radioaktív elemek ( H , Be , Be , Na, Na, C, stb. ) keletkeznek A Földünkre érkező kozmikus sugárzás llen a Föld mágneses tere és a légkör nyújt jelentős védelmet. A mágneses tér az elektromos töltésű részecskéket a mágneses pólusok elé tereli, ezért a kozmikus sugárzás által okozott dózisterhelés a

sarkok özelében nagyobb és az Egyenlítő felé haladva egyre csökken. A légkörbe épő kozmikus részecskék zápora okozza a sarki fényt légkör védő hatása eredményeként, az alacsonyabban fekvő területeken élő emberek dózisterhelése isebb, mint a magas hegyeken élő embereké. o Földi természetes radioaktív anyagok által kibocsátott sugárzás A talajban lévő radioaktív izotópok abból a szupernovarobbanásból származnak, amelyben a föld anyaga keletkezett. Ezen "ősi" izotópok felezési ideje nagyobb, mint a Föld életkora A talajból jövő sugárzás fő járulékait a tórium- és urán bomlási sorok, a K , Rb izotópok szolgáltatják. Izotóp felezési idő (év) K 1,28*10 Rb 47,0*10 U és bomlási sora 4,49*10 Th és bomlási sora 14,1*10 A talaj közelében mért gamma-sugárzást befolyásoló tényezők: talaj összetétele, nedvességtartalma, a hótakaró vastagsága, sűrűsége. A U bomlási sorában a radon ( Rn) és a Th

bomlási sorában a toron ( Rn) gáz, ezért urántartalmú kőzetekből, a talajból radioaktív gáz kerül a levegőbe. Így a talaj közelében mért gamma-sugárzást a légköri viszonyok is befolyásolják o Építőanyagok Az építőanyagok természetes radioaktív anyagtartalma miatt az épületekben megnő a természetes eredetű külső sugárterhelés. Zárt terekben a radioaktív gázok és bomlástermékeik okoznak belső 3 7 10 22 24 14 40 40 87 238 232 87 9 9 9 9 238 220 -13- 222 232 sugárterhelést. A zárt helyiségekben fellépő sugárzás mértékét az építőanyag fajtája, származási helye, a szellőztetés gyakorisága befolyásolják. Belső sugárterhelés Az emberi szervezetbe bekerülő radioaktív izotópok között találhatók olyanok is, melyek stabil izotópjai a szervezet építőkövei. A szervezet a radioaktív és stabil izotópokat nem tudja megkülönböztetni, ezért a radioaktív izotópok ugyanúgy

beépülnek a szervezetbe, mint a stabilak. Ilyen izotópok H, C, Rb, K. A hidrogén és a szén a fehérjék, tápanyagok alkotóelemei, a kálium és a rubídium az izomszövetekben található meg. A káliumnak még fontos szerepe van a szervezetben lejátszódó transzportfolyamatokban. A következő táblázat ezen izotópok menynyiségét, aktivitását, éves dózisát mutatja egy 75 kg tömegű ember testében. Radioaktív izotóp Mennyisége a szervezetben (darab) Aktivitás (Bq) Éves dózis (mSv) H 4,8*10 10 0,00001 C 750*10 3000 0,005 Rb 2500*10 100 0,005 K 3000*10 5500 0,15 Össz - 8610 0,16 A fenti táblázat adatait figyelembe véve egy 75 kg tömegű ember teste által saját magát ért sugárterhelés körülbelül 0,16 mSv/év. Természetes eredetű belső és külső sugárterhelés Besugárzás típusa Forrás Egyenértékdózis ( Sv/év) Külső kozmikus sugárzás ionizáló összetevő 280,0 Külső kozmikus sugárzás neutron összetevő 22,8 Külső külső

levegő radon-termékek 1,7 Külső Talaj -sugárzása 60,7 Külső Épület -sugárzása 381,0 Belső H , Be , Na, C 5,4 Belső K (béta és gamma) 180,6 Belső Rb 4,0 Belső U , Th, Pa, U 9,0 Belső Th, Th 14,2 Belső Ra- Po (táplálék) 11,5 Belső Ra- Tl (táplálék) 21,0 Belső Rn- Po (szabad levegő) 27,0 Belső Rn- Tl (szabad levegő) 1,8 Belső Rn- Po (lakás levegő) 550,0 Belső Rn- Tl (lakás levegő) 78,0 Belső Pb, Po, Bi 163,5 Összesen . 1812,2 3 3 14 87 40 9 14 12 87 18 40 18 3 7 22 14 40 87 238 232 234 226 214 228 208 222 214 220 208 220 208 220 208 210 234 234 230 210 210 Mesterséges sugárterhelés Az ionizáló sugárzás felfedezése, a t udomány és technika rohamos fejlődése a természetes eredetű sugárzás mellett mesterséges eredetű többletsugárzás megjelenését eredményezte. A népesség mesterséges eredetű sugárterhelésének forrásai a következő tevékenységek: A sugárterhelést növelő

tényezők Ide sorolható minden olyan tevékenység, mely nem hoz létre ionizáló sugárzást, de a természetes eredetű sugárterhelést megnöveli. -14- A Föld felszínén élő ember által elszenvedett kozmikus sugárterhelésnél nagyobb kozmikus eredetű dózist kapnak a repülőgépek utasai és az űrhajósok. A földfelszíntől távolodva először csökken a talajból származó sugárzás hatása, majd egyre növekszik a kozmikus sugárzás. Repülőgépkabinban mért dózisteljesítmény Dohányzó emberek tüdejében mintegy 300 %-kal magasabb az Pb és kb. 200 %-kal magasabb a Po tartalom, mint a nemdohányzókéban. Az ólom önmagában is méreg, de a dohányzás során felhalmozódó ólomnak és polóniumnak vannak radioaktív izotópjai is, amelyek a radon bomlási sorából származnak. Mivel a csontokban a dohányzás hatására 75 %-kal nő meg a Pb tartalom, ezért a dohányzás a vérképző rendszert is károsítja. A

széntüzelésű erőművekben keletkező salak és pernye fajlagos U , Th, Ra tartalma lényegesen magasabb, mint az eltüzelt széné, így ebből külső sugárterhelés származik. Egy átlagos szénerőmű pernyéjének fajlagos aktivitása kb. 1500 Bq/kg, s minden megtermelt MWév villamos energiára 11 MBq aktivitás kibocsátása jut. Az atomerőművek által kibocsátott aktivitás ennél lényegesen kisebb. Orvosi diagnosztika és terápiás eljárások A gyógyászatban felhasznált ionizáló sugárzás kétféle lehet, röntgensugárzás és radioaktív izotópok sugárzása. Mindkettőt felhasználják az orvosi diagnosztikában és terápiás eljárásokban is. Az orvosi diagnosztikában a röntgensugárzás alkalmazása a legismertebb. Röntgenátvilágítással kimutathatók a s zervezet esetleges elváltozásai. Egy röntgenfelvétel elkészítése egy személyre átlagosan 0,4 mSv dózist jelent. Magyarországon egy embert évente átlagosan 1,08-szor

röntgeneznek meg. Ezt figyelembe véve a röntgenezésből származó éves dózis nagysága 0,4 mSv/év. Az egyes röntgendiagnosztikai vizsgálatok során kapott dózis Röntgendiagnosztikai vizsgálat Kapott dózis (mSv) Fogröntgen 0,3 Felső emésztőrendszer 1,1 Száj-panoráma 5,0 Alsó emésztőrendszer 4,1 Mellkas felvétel 0,15 Altest 1,1 Szív 6,8 Hüvely 1,2 Emlő 1,0 Csípő 0,9 Urológia 17,8 Koponya 0,15 Tomográfia 1,3 Radioaktív izotópok szervezetbe való bejuttatásával egyes szervek működése kísérhető nyomon. Ez a r adioaktív nyomjelzés, amelynek ötlete Hevesy Györgytől ered. Az adott izotóp egy szervben felhalmozódik és mennyisége az izotóp által kibocsátott gamma-sugárzás révén meghatározható. Ilyen eljárással vizsgálják például a pajzsmirigy működését A fiatal, gyorsan szaporodó sejtek igen érzékenyek az ionizáló sugárzással szemben, ilyenek a rosszindulatú daganatok sejtjei is. Ezért lehet felhasználni a daganatok

kezelésére a röntgensugarakat és a radioaktív izotópokat, melyek a daganatos szervben gyűlnek fel és belülről fejtik ki hatásukat. A kezelésekkel egyes daganatok terjedése visszaszorítható. A lakosság orvosi alkalmazásokból (diagnosztika és terápia) eredő sugárterhelése 0,5-0,9 mSv/év, ez a lakosságot ért összes 238 -15- 232 226 természetes és mesterséges sugárterhelés 30 %-a. A radioaktív sugárzások orvosi felhasználása mégis nagyon elterjedt, hiszen haszna több nagyságrenddel nagyobb, mint a vállalt kockázat. Nagyfeszültségű lakossági készülékek A televízió és a számítógép monitor képernyőjén létrejövő képet becsapódó elektronok hozzák létre. Ezek az elektronok a képernyőbe csapódva fékezési sugárzást bocsátanak ki A keletkező röntgen-sugárzás intenzitása és energiája kicsi, így megfelelő távolságból csak igen kis mértékű sugárterhelést okoz. De a képernyő közvetlen közelében

a sugárterhelés nagyobb ezért nem szabad sokáig a képernyő közelében tartózkodni. Nukleáris fegyverkísérletek A mesterséges sugárterhelés egyik jelentős járulékát 1980-ig a nukleáris fegyverkísérletek adták. A légköri robbantások a Föld egész népességére hatással voltak. A legtöbb kísérleti robbantást 1952 és 1963 között hajtották végre 1963-ban az Egyesült Államok, Nagy-Britannia és a Szovjetunió szerződést írt alá a légkörben, a világűrben és a víz alatt végzett nukleáris fegyverkísérletek betiltásáról. 1980-tól a franciák és kínaiak is leálltak a légköri nukleáris robbantásokkal. Egy légköri robbantás során a levegőbe nagy mennyiségű hasadvány kerül. Ezek egy része a robbantás nem túl távoli környezetében visszahullik a f öldre, ezeken a t erületeken a l egnagyobb a s ugárterhelés. Másik része a l égköri viszonyoknak megfelelően távolabbi helyekre is eljut. A robbantástól

távolodva a sugárterhelés csökken, mert a radioaktív anyagok szétszóródnak és egy részük (rövid felezési idejű izotópok) el is bomlik. A kis szemcséjű aeroszolok a sztratoszférába is felkerülhetnek, ezek csak hosszabb idő elteltével jutnak vissza az alsóbb rétegekbe radioaktív szennyeződést okozva. Az atomfegyver kísérletek következtében a környezetbe került radioaktív anyagok közül a hosszú felezési idejű céziumnak ( Cs) és stronciumnak ( Sr) van a legnagyobb sugár egészségügyi jelentősége. A cézium a periódusos rendszer első oszlopában, a kálium alatt helyezkedik el, a szervezetben az izomszövetekbe a kálium helyére tud beépülni, az egész szervezetet károsítva. A stroncium a kalciumhoz hasonló, a csontszövetekben dúsul fel, a vérképzésben fontos vörös csontvelőt károsítva. Magyarország lakossága a robbantások idején átlagosan összesen 45 mSv sugárdózist kapott, melynek 75 % -a a t áplálékkal és

ivóvízzel került a s zervezetbe, 25 %-a a f öldfelszínre lerakódott hulladéktól eredő külső sugárzásból származott. A mérések szerint a legtöbb robbantás évében 1963-ban a lakosság átlagos évi sugárterhelése 0.14 mSv effektív dózissal nőtt Mára, a robbantások beszüntetésének hatására ez az érték lecsökkent. Az utóbbi esztendőkben a korábbi robbantások következtében a környezetbe került radioaktív anyagoktól származó sugárterhelés nem haladja meg a 0.01 mSv értéket, károsító hatása napjainkban elhanyagolhatóan kicsi A légköri robbantások hatását jól mutatják az emberi fogak Sr tartalmáról készült mérések. Jól látható, hogy a fogak radioaktív stroncium tartalma az ötvenes évek végétől gyorsan emelkedett, 1965-ben érte el maximális értéket és azóta jelentősen lecsökkent. Nukleáris energiatermelés és nukleáris iparAz atomerőművek környezeti hatásai normál üzemmódban elhanyagolhatóak

az orvosi eredetű sugárterheléshez képest. Normál üzem közben az atomerőmű légnemű és folyékony radioaktív anyagokat bocsát a környezetbe. A kibocsátott anyagok külső - a táplálékláncba bekerülve - belső sugárterhelést okozhatnak A normál üzemi kibocsátásokat rendszeresen ellenőrzik az erőművek környezetébe telepített mérőállomásokon, ahol mérik a levegő, a vizek, a növények és állati tetemek aktivitását. A kibocsátásokból származó többlet sugárterhelés nem érheti el az évi 0.17 mSv értéket Ez azonban egy hatósági korlát. A tényleges kibocsátások (pl a Paksi Atomerőműnél) ennek a hatósági korlátnak is csak néhány százalékát teszik ki. Az atomreaktorok meghibásodásakor már nagyobb a veszély, mert ilyenkor nagy mennyiségű radioaktív anyag kerülhet a környezetbe. Ilyen esetekben a sugárvédelemi rendszer feladata a radioaktív anyagok terjedésére vonatkozó információkat 137 90 -16-

megszerezni, a t erjedésre vonatkozó méréseket elvégezni és a v eszélyeztetett lakosságra vonatkozó intézkedéseket megtenni. A balesetek helyszínétől távol, a hosszú felezési idejű izotópok veszélyeztetik a lakosságot. Ilyen például a 131I, mellyel csak a b aleset utáni rövid időben kell számolni, mert fizikai felezési ideje 8 nap. Kezdetben a levegőből, később a táplálékláncon keresztül (tej, zöldségek) kerülhet a szervezetbe, kritikus szerve a pajzsmirigy. IX. Az atomreaktor felépítése A reaktor elvi felépítése A reaktor részei a következők: 1. Üzemanyag 2 Moderátor 3 Reflektor 4 Szabályozórudak 5. Sugárárnyékolás 6 Hűtőkör Üzemanyag Az atomreaktor legfontosabb része a hasadóanyagot tartalmazó üzemanyag. Legtöbb esetben dúsított uránt használnak üzemanyagként. A gyakorlatban egyre inkább az urándioxid, uránkarbid, plutóniumdioxid, vagy a kevert oxidos fűtőelemek kezdenek elterjedni. A Paksi Atomerőmű

üzemanyaga is urándioxid. A fűtőanyagot kötegekben helyezik el a moderátorral együtt a reaktor aktív zónájában. Ezek a fűtőelem kötegek tartalmazzák a a reaktor üzemeléséhez szükséges hasadóanyagot. Üzemanyagkötegek A reaktor működése során az U hasadóanyag elhasználódik (kiég). Egy része elbomlik, másik részéből neutronbefogás hatására U keletkezik. A neutronbefogás következtében Pu is keletkezik az U-ból, mely szintén hasadóképes (tenyésztés). A reaktor működését befolyásolják még a hasadás során keletkező hasadási termékek. Ezek egy része nagyon jó neutronelnyelő ( Xe, Sm ), ezért csökkenti a hasadást előidéző neutronok számát. Ezeket az anyagokat reaktormérgeknek nevezzük. 235 236 239 238 135 149 Moderátor A maghasadás során gyors neutronok keletkeznek, melyek nagyságrendekkel kisebb valószínűséggel idéznek elő maghasadást, mint a termikus neutronok, ezért a keletkező gyors neutronokat le

kell lassítani. A lassító közeget moderátornak nevezzük Moderátornak kis rendszámú anyagok alkalmasak, mert ezeknek a neutronok a rugalmas ütközés során nagy energiát tudnak átadni. Fontos továbbá, hogy a moderátor olyan anyag legyen, amely kis valószínűséggel fogja be a neutronokat, mert a neutronok befogása a sokszorozási tényezőt csökkenti. A leggyakoribb moderátorok: H O: jól lassít, de el is nyel bizonyos mennyiségű neutront (Paksi Atomerőmű) D O (nehézvíz): jól lassít és csak kevés neutront nyel el, viszont nagyon drága az előállítása. Grafit: rosszabbul lassít mint a víz, de csak kevés neutront nyel el. Az első reaktorban is grafitot alkalmaztak moderátoként. Vízzel moderált reaktor belseje 2 2 Reflektor Az aktív zónát moderátoranyagból (víz, grafit) álló köpennyel veszik körül, ezáltal a f elületen kilépő neutronok száma csökkenthető, mert a reflektor az aktív zónából kilépő

neutronok egy részét visszaszórja. A felületen kilépő neutronok a sokszorozási tényezőt befolyásolják Reflektor alkalmazásával a reaktor mérete csökkenthető, és az üzemanyag kihasználás is nő. A reaktorok szabályozása A maghasadás során 2-3 neutron szabadul fel, melyek 99 %-a a hasadást követő 10 -s-on belül kerül kibocsátásra, ezek a prompt neutronok. A fennmaradó hányad a hasadást követő 1 s-tól -12 -17- néhány percig terjedő időben szabadul fel, ezek a késő neutronok. A késő neutronok nagy szerepet játszanak a reaktor szabályozásában. Ha az összes neutron prompt neutronként keletkezne, akkor a folyamatok igen rövid idő alatt játszódnának le. Ilyen gyors változást nem lehetne szabályozással követni. A reaktort úgy kell megépíteni, hogy a láncreakció feltétele csak a késő neutronokkal együtt valósulhasson meg. A reaktorok szabályozása szabályozórudak segítségével történik. Ezek a rudak nagyon jó

neutronelnyelő anyagból készülnek (bór, kadmium). A rudak mozgatásával megváltozik a neutronelnyelő anyag mennyisége az aktív zónában. A reaktor beindításakor a szabályozórudakat óvatosan kihúzzák A teljesítmény növekedését a beépített neutronsugárzás-mérő műszerek jelzik. Amikor a reaktor elérte a kívánt teljesítményt, akkor a rudakat kicsit visszaengedik. Ekkor a teljesítmény növekedése megáll, a reaktor kritikus állapotban üzemel. A szabályozórudak többfélék lehetnek: 1. Biztonságvédelmi rudak, arra szolgálnak, hogy a reaktort veszély esetén gyorsan le lehessen állítani. Ezek a rudak üzemelés közben teljesen ki vannak húzva 2. Durva szabályozórudak, a kiégés, mérgeződés és tenyésztés következtében beálló reaktivitásváltozásokat egyenlítik ki. A reaktivitásváltozások kiegyenlítésének másik eszköze, hogy a reaktor hűtőközegébe neutronelnyelő anyagot juttatnak, többnyire bórsavat és a

szabályozás során a bór koncentrációját változtatják. A Paksi Atomerőműben is bórsavat használnak durva szabályozásra. 3. Finom szabályozórudak a reaktor teljesítményét folytonos szabályozással állandó értéken tartják. Szabályozórudak Hűtőkörök A maghasadás által felszabaduló energia legnagyobb részét a h asadványok hordozzák mozgási energia formájában, ezek lefékeződése a fűtőelemeket felmelegíti. A fűtőelem rudak hőmérséklete üzem közben az 1000 °C-ot is meghaladhatja. A keletkező hő elvezetésére a fűtőelemeket folyamatosan hűteni kell. Ezért az aktív zóna mindig tartalmaz valamilyen hűtőközeget. Az aktív zónát hűtő közeget az erős neutronsugárzás radioaktívvá teszi, ezért az aktív zóna hűtését zárt rendszerben a hűtőközeg cirkulációjával oldják meg. Ez a primer kör A primer körben keringő hűtőanyag hőcserélőkben adja át energiáját a tőle hermetikusan elzárt szekunder körben

keringő hűtőközegnek. A szekunder körben keringő gőz vagy gáz turbinát, a turbina pedig áramfejlesztőket hajt. A szekunder körben keringő hűtőközeg nincs közvetlen kapcsolatban sem a primer körben cirkuláló hűtőközeggel, sem a reaktor aktív zónájával, ezért a szekunder körben keringő anyag már nem radioaktív. Ennek ellenére a szekunder kör is zárt A szekunder körben keringő anyag a maradék energiát a tercier körnek adja át. Ez általában valamilyen természetes víz, hazánkban a Duna. A Duna vizének aktivitását éppen ezért rendszeres mérésekkel ellenőrzik 1 aktív zóna 2 szabályozórudak 3 szivattyú 4 hőcserélő 5 turbina 6 primer kör 7 szekunder kör 8 tercier kör Turbinák (sárga) és generátorok (kék) A vízzel és nehézvízzel moderált reaktorokban a moderátor tölti be a hűtőközeg szerepét is. A grafit moderátoros reaktorok hűtőközege lehet gáz (CO , He) és víz is, Egyes reaktorokban folyékony fémeket

(nátrium, kálium) alkalmaznak hűtőközegként. 2 -18- Árnyékolás A működő atomreaktorban igen erős neutron- és gamma-sugárzás keletkezik. A gammasugárzás erőssége üzem közben nő, mivel egyre több gamma-sugárzó radioaktív hasadási termék halmozódik fel. A gamma-sugárzás elleni védekezésre a nagy rendszámú és nagy sűrűségű anyagok alkalmasak. A neutronsugárzás elleni védekezés esetén figyelembe kell venni, hogy a gyors neutronok jóval kisebb valószínűséggel fogódnak be, mint a lassú neutronok. Ezért olyan anyagokat alkalmaznak, melyek jó neutronlassítók és nagy valószínűséggel fognak be termikus neutronokat. Ezeket a s zempontokat figyelembe véve a reaktorokat neutronlassító és elnyelő illetve gammasugárzást gyengítő anyagot tartalmazó, 2-3 m vastag betonfallal veszik körül. A sugárvédelemben használatos legfontosabb anyagok a n-sugárzás gyengítésére: víz, polietilén, paraffin, fémhidridek (Zr H ,

TiH , UH ), bór, kadmium, beton, a gamma-sugárzás gyengítésére: vas, ólom, beton. Magyarországon három intézményben összesen hat atomreaktor működik. Pakson a Paksi Atomerőműben 4 teljesítményreaktor üzemel, ezek hazánk villamosenergia-termelésének közel 40 %-át szolgáltatják. A Központi Fizikai Kutató Intézetben található reaktor kutatási, izotóptermelési, és kísérleti besugárzási, a Budapesti Műszaki Egyetemen található pedig oktatási és kutatási célokat szolgál. 2 2 2 3 X. Dúsító eljárások A természetes urán csupán 0,71 %-a 235-ös izotópú. Viszont a 238-as-ból némi neutron segítségével plutónium nyerhető, amely hasonló tulajdonságokkal bír, mint a 235-ös urán izotóp, azonban ezt a 239-es Pu-t ki kell nyerni valamilyen kémiai reakcióval. Erre jó a diffúziós módszer, amely egy kamrában porózus fallal kettéválasztott részből elszívást végez, és a részecskék sebessége alapján a diffundálás

mértékének megváltozása miatt kiválasztható. Kb 22 ezer darab kell belőle Centrifugális módszer a magassággal járó sűrűségváltozás alapján választja ki a 2 35-ös uránt. Azonban ehhez kb, 100 km magas cső kéne Ultracentrifuga, amiből elég sok kell, és a centrifuga elvén választja szét az izotópokat (a háború idején Fort Knox arany és ezüstkészletéből ilyeneket öntöttek). Új francia-japán szabadalom, amely lézer segítségével kényszerrezgésbe hozza a 235ös izotópot saját frekvenciával, majd villanófény energiát juttatva nullszint felett szétesik. -19-