از شکافت تا شکوفایی | رازهای نهفته در دل هسته اتم بر ملا شد
انرژی هسته‌ای نوعی انرژی است که از هسته، هسته اتم‌ها، که از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده است، آزاد میشود. این منبع انرژی می‌تواند به دو روش تولید شود: شکافت – زمانی که هسته‌های اتم‌ها به چندین بخش تقسیم می‌شوند – یا همجوشی – زمانی که هسته‌ها با هم ادغام می‌شوند.و استفاده های بسیاری از این انرژی برای بهبود زندگی میشود.
انرژی هسته‌ای نوعی انرژی است که از هسته‌ی اتم‌ها، که از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده‌اند، آزاد میشود. این منبع انرژی می‌تواند به دو روش تولید شود: شکافت، زمانی که هسته‌های اتم به چندین بخش تقسیم می‌شوند، یا همجوشی، زمانی که هسته‌ها با هم ادغام می‌شوند. از این انرژی در زمینه‌های مختلف برای بهبود کیفیت زندگی انسان استفاده میشود.
رادیوایزوتوپ‌ها، گرمای حاصل از فرآیند تولید انرژی هسته‌ای و راکتورهای هسته‌ای متحرک، کاربردهای گسترده‌ای در بخش‌های مختلف از جمله تولیدات مصرفی، کشاورزی و غذا، صنعت، پزشکی، تحقیقات علمی، حمل‌ونقل، منابع آب و حفاظت از محیط زیست دارند.
کاربردهای انرژی هسته ای
تولید هیدروژن
هیدروژن به‌عنوان سوخت آینده شناخته میشود. بررسی‌ها نشان داده‌اند که انرژی آزادشده از شکافت هسته‌ای عناصر رادیواکتیو می‌تواند برای تولید این مولکول ارزشمند به‌کار رود. در حال حاضر بیشتر هیدروژن از گاز طبیعی و از طریق فرآیند بازسازی بخار تولید میشود. استفاده از انرژی هسته‌ای برای تولید هیدروژن بر این اساس است که گرمای حاصل از راکتورهای هسته‌ای به فرآیند تبدیل گاز طبیعی از طریق بخار منتقل شود. با این حال، این روش موجب تولید مقادیر زیادی دی‌اکسید کربن میشود. به همین دلیل، روش‌هایی مانند الکترولیز در حال توسعه و بهبود هستند.
در فرآیند الکترولیز آب نیز می‌توان هیدروژن تولید کرد، هرچند مقدار به‌دست‌آمده از این روش محدود است. اتصال سلول‌های الکترولیتی به نیروگاه‌های هسته‌ای می‌تواند روشی کم‌انتشار برای تولید هیدروژن باشد. این فناوری هنوز در مرحله‌ی آزمایش قرار دارد. گرما و برق موردنیاز در این فرآیند می‌تواند از انرژی هسته‌ای تأمین شود. همچنین، برخی تحقیقات بر تولید هیدروژن از آب به‌وسیله‌ی روش‌های ترموشیمیایی متمرکزند.
منبع پیشران
استفاده از سوخت هسته‌ای این امکان را فراهم می‌کند تا انرژی بسیار بیشتری نسبت به منابع معمولی تولید شود. انرژی هسته‌ای برای چندین دهه به‌عنوان منبع پیشران در کشتی‌ها و فضاپیماها به‌کار رفته است.
در زمینه‌ی هواپیما، ایده‌ی موتور هسته‌ای هرگز به‌طور کامل اجرا نشد، زیرا خطرات بالا مانع از استفاده‌ی عملی از آن گردید. همین مسئله در مورد خودروها نیز صادق است.
قرار دادن یک راکتور هسته‌ای در خودروهای مسافری با خطرات زیادی همراه است، زیرا چنین راکتوری به‌عنوان مولد نوترون، ذرات پرانرژی و نفوذپذیر ساطع می‌کند که برای سرنشینان و اطرافیان خطرناک است. بنابراین، از نظر ایمنی و طراحی، پیشران هسته‌ای برای خودروهای مسافری در حال حاضر غیرعملی محسوب میشود.
نخستین زیردریایی هسته‌ای آمریکا در سال ۱۹۴۶ ساخته شد و موفقیت بزرگی به دست آورد. سپس شوروی در یخ‌شکن «آرکتیکا» از فناوری مشابهی بهره گرفت. امروزه، بخش قابل‌توجهی از کشتی‌های نظامی و غیرنظامی از انرژی هسته‌ای به‌عنوان منبع پیشران استفاده می‌کنند.
پزشکی
تشخیص و درمان‌های فعلی بیماری‌های مختلف با استفاده از انرژی هسته‌ای امید به استفاده مؤثرتر از آن در آینده را می‌دهد. تحقیقات در حال انجام برای استفاده از آن برای حذف اثرات بیماری‌های مختلف است.
مثالی از استفاده از انرژی هسته‌ای در پزشکی می‌تواند تشخیص اشعه ایکس باشد، که شامل ثبت پرتویی است که توسط لوله اشعه ایکس تولید میشود و به دلیل جذب جزئی توسط بدن بیمار ضعیف شده است. دستگاه‌های اشعه ایکس استفاده‌شده امکان گرفتن عکس از، برای مثال، قفسه سینه یا جمجمه را فراهم می‌کنند.
انرژی هسته‌ای همچنین در تولید بسیاری از داروها، در بالنئولوژی (مانند حمام‌های درمانی)، و همچنین در استریلیزاسیون تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی استفاده میشود.
کشاورزی
سازمان غذا و کشاورزی (FAO) تخمین می‌زند که حدود ۷۳۵ میلیون نفر (یک نهم) در سال ۲۰۲۲ از سوءتغذیه مزمن رنج می‌برند. رادیوایزوتوپ‌ها و پرتو در غذا و کشاورزی در حال کمک به کاهش این ارقام هستند.
علاوه بر بهبود مستقیم تولید غذا، کشاورزی نیاز به پایداری در بلندمدت دارد. FAO با IAEA در برنامه‌هایی برای بهبود پایداری غذا با کمک بیوتکنولوژی‌های هسته‌ای و مرتبط کار می‌کند.
پرورش جهش گیاهی
پرورش جهش گیاهی فرآیند قرار دادن بذرها یا قلمه‌های یک گیاه داده‌شده در معرض پرتو، مانند اشعه گاما، برای ایجاد جهش‌ها است. مواد تابش‌دیده سپس کشت میشود تا گیاهچه تولید شود. گیاهچه‌ها انتخاب و تکثیر می‌شوند اگر ویژگی‌های مطلوب نشان دهند. فرآیند انتخاب کمک‌شده با نشانگر (یا پرورش کمک‌شده با نشانگر مولکولی) برای شناسایی ویژگی‌های مطلوب بر اساس ژن‌ها استفاده میشود. استفاده از پرتو اساساً فرآیند طبیعی جهش ژنتیکی خودبه‌خودی را تقویت می‌کند و زمان آن را به طور قابل توجهی کوتاه می‌کند.
کشورهایی که از پرورش جهش گیاهی استفاده کرده‌اند اغلب مزایای اجتماعی-اقتصادی بزرگی به دست آورده‌اند. در بنگلادش، انواع جدید برنج تولیدشده از طریق پرورش جهش، محصولات را در چند دهه اخیر سه برابر افزایش داده است. در دوره رشد سریع جمعیت، استفاده از تکنیک‌های هسته‌ای به بنگلادش و بخش‌های بزرگی از آسیا به طور کلی امکان دستیابی به امنیت غذایی و تغذیه بهبودیافته را داده است.
کودها
کودها گران هستند و اگر به درستی استفاده نشوند می‌توانند به محیط زیست آسیب بزنند. مهم است که بیشترین مقدار کود استفاده‌شده "ثابت" در ماده گیاهی شود و حداقل به محیط زیست از دست برود. 'برچسب‌گذاری' کودها با یک ایزوتوپ خاص (مانند نیتروژن-۱۵) وسیله‌ای برای تعیین اینکه چقدر توسط گیاهان جذب شده است، فراهم می‌کند و اجازه مدیریت بهتر استفاده از کود را می‌دهد.
کنترل حشرات
تخمین‌های ضرر محصولات به حشرات متفاوت است، اما معمولاً قابل توجه است. با وجود استفاده گسترده از حشره‌کش‌ها، ضررها احتمالاً حدود ۱۰٪ در سطح جهانی است، و اغلب به طور قابل توجهی بالاتر در کشورهای در حال توسعه. یکی از رویکردها برای کاهش آسیب حشرات در کشاورزی استفاده از محصولات اصلاح‌شده ژنتیکی است، به طوری که حشره‌کش بسیار کمتری لازم باشد. رویکرد دیگر غیرفعال کردن حشرات است.
پرتو برای کنترل جمعیت حشرات از طریق تکنیک حشره عقیم (SIT) استفاده میشود. SIT شامل پرورش جمعیت‌های بزرگ حشرات است که از طریق تابش (گاما یا اشعه ایکس) عقیم می‌شوند، و معرفی آن‌ها به جمعیت‌های طبیعی است. حشرات عقیم از نظر جنسی رقابتی باقی می‌مانند، اما نمی‌توانند تولید مثل کنند. تکنیک SIT دوستدار محیط زیست است، و به عنوان وسیله‌ای مؤثر برای مدیریت آفات حتی جایی که کاربرد انبوه سموم شیمیایی شکست خورده، ثابت شده است. کنوانسیون بین‌المللی حفاظت گیاهی مزایای SIT را به رسمیت می‌شناسد، و حشرات را به عنوان ارگانیسم‌های مفید دسته‌بندی می‌کند.
SIT ابتدا در ایالات متحده توسعه یافت و بیش از ۶۰ سال با موفقیت استفاده شده است. در حال حاضر، SIT در شش قاره اعمال میشود. از زمان معرفی آن، SIT با موفقیت جمعیت‌های تعدادی از حشرات برجسته را کنترل کرده است، از جمله پشه‌ها، پروانه‌ها، کرم اسکرو، مگس تسه، و انواع مگس‌های میوه (مگس میوه مدیترانه‌ای، مگس میوه مکزیکی، مگس میوه شرقی، و مگس هندوانه).
محصولات مصرفی
عملکرد بسیاری از محصولات مصرفی رایج به استفاده از مقادیر کمی ماده رادیواکتیو وابسته است. آشکارسازهای دود، ساعت‌ها و عقربه‌ها، و مواد غیرچسبنده، از جمله دیگران، همه از ویژگی‌های طبیعی رادیوایزوتوپ‌ها در طراحی خود استفاده می‌کنند.
یکی از رایج‌ترین استفاده‌های رادیوایزوتوپ‌ها امروزه در آشکارسازهای دود خانگی است. این‌ها حاوی مقدار کمی آمریکیم-۲۴۱ هستند که محصول تجزیه پلوتونیوم-۲۴۱ منشأ گرفته از راکتورهای هسته‌ای است. Am-241 ذرات آلفا ساطع می‌کند که هوا را یونیزه می‌کند و اجازه جریان بین دو الکترود را می‌دهد. اگر دود وارد آشکارساز شود، ذرات آلفا را جذب می‌کند و جریان را قطع می‌کند و زنگ خطر را به صدا درمی‌آورد.
غذا
حدود ۲۵-۳۰٪ از غذای برداشت‌شده به دلیل فساد قبل از مصرف از دست می‌رود. این مشکل به ویژه در کشورهای گرم و مرطوب شایع است.
تابش غذا فرآیند قرار دادن مواد غذایی در معرض اشعه گاما برای کشتن باکتری‌هایی است که می‌توانند باعث بیماری‌های غذایی شوند، و افزایش عمر مفید. در تمام نقاط جهان استفاده از فناوری تابش برای حفظ غذا در حال رشد است. بیش از ۶۰ کشور در سراسر جهان مقرراتی برای اجازه استفاده از تابش برای محصولات غذایی معرفی کرده‌اند.
علاوه بر جلوگیری از فساد، تابش می‌تواند رسیدن میوه‌ها و سبزیجات را به تأخیر بیندازد تا عمر مفید بیشتری داشته باشند، و همچنین به کنترل آفات کمک کند. توانایی آن در کنترل آفات و کاهش دوره‌های قرنطینه لازم عامل اصلی پشت پذیرش شیوه‌های تابش غذا توسط بسیاری از کشورها بوده است.
برق
راکتور هسته‌ای، یا نیروگاه هسته‌ای، جایی است که انرژی هسته‌ای تولید میشود. در اجزای جداگانه این سیستم، فرآیندهای شکافت هسته‌های اتمی انجام میشود. سوختی که برای این منظور استفاده میشود، معمولاً ایزوتوپ رادیواکتیو اورانیوم، ۲۳۵U است. در یک راکتور هسته‌ای، هسته‌های اورانیوم مجبور به تجزیه می‌شوند و ذرات ریز به نام محصولات شکافت آزاد می‌کنند. در راکتور هسته‌ای، آن‌ها با ایزوتوپ‌های دیگر اورانیوم برخورد می‌کنند و بدین ترتیب واکنش زنجیره‌ای را آغاز می‌کنند. در طول این فرآیند، مقدار زیادی گرما در راکتور هسته‌ای تولید میشود. این گرما به خنک‌کننده منتقل میشود. این خنک‌کننده معمولاً آب است که توسط گرمای دریافتی گرم میشود. نتیجه بخار است که توربین‌های توربوژنراتور را به حرکت درمی‌آورد. به این ترتیب، انرژی هسته‌ای به برق تبدیل میشود، که مهم‌ترین کاربرد انرژی هسته‌ای امروزه است.
ردیاب‌های صنعتی
رادیوایزوتوپ‌ها توسط تولیدکنندگان به عنوان ردیاب برای نظارت بر جریان سیال و فیلتراسیون، تشخیص نشت‌ها، و اندازه‌گیری سایش موتور و خوردگی تجهیزات فرآیند استفاده می‌شوند. غلظت‌های کوچک ایزوتوپ‌های کوتاه‌عمر می‌توانند در حالی که هیچ باقیمانده‌ای در محیط باقی نمی‌ماند، تشخیص داده شوند. با افزودن مقادیر کمی مواد رادیواکتیو به مواد استفاده‌شده در فرآیندهای مختلف، امکان مطالعه مخلوط و نرخ‌های جریان طیف گسترده‌ای از مواد، از جمله مایعات، پودرها و گازها، و مکان‌یابی نشت‌ها وجود دارد.
بازرسی و ابزارسازی
مواد رادیواکتیو برای بازرسی قطعات فلزی و یکپارچگی جوش‌ها در طیف وسیعی از صنایع استفاده می‌شوند. برای مثال، سیستم‌های خط لوله نفت و گاز جدید با قرار دادن منبع رادیواکتیو داخل لوله و فیلم خارج از جوش‌ها بررسی می‌شوند.
گیج‌های حاوی منابع رادیواکتیو (معمولاً گاما) در تمام صنایعی که سطوح گازها، مایعات، و جامدات باید بررسی شود، به طور گسترده استفاده می‌شوند. آن‌ها مقدار پرتو از منبعی را اندازه‌گیری می‌کنند که در مواد جذب شده است. این گیج‌ها بیشترین استفاده را جایی دارند که گرما، فشار، یا مواد خورنده، مانند شیشه مذاب یا فلز مذاب، استفاده از گیج‌های تماس مستقیم را غیرممکن یا دشوار می‌کند.
توانایی استفاده از رادیوایزوتوپ‌ها برای اندازه‌گیری دقیق ضخامت به طور گسترده در تولید مواد ورقه‌ای، از جمله فلز، منسوجات، کاغذ، پلاستیک‌ها، و دیگران استفاده میشود. گیج‌های چگالی جایی استفاده می‌شوند که کنترل خودکار مایع، پودر، یا جامد مهم است، برای مثال در تولید مواد شوینده.
تاریخ‌گذاری کربن
تحلیل فراوانی نسبی رادیوایزوتوپ‌های طبیعی خاص برای تعیین سن سنگ‌ها و مواد دیگر که برای زمین‌شناسان، انسان‌شناسان، هیدرولوژیست‌ها، و باستان‌شناسان، از جمله دیگران، جالب است، از اهمیت حیاتی برخوردار است.
منابع آب
آب آشامیدنی کافی برای زندگی ضروری است. با این حال در بسیاری از نقاط جهان آب شیرین همیشه کمیاب بوده و در دیگر نقاط در حال کمیاب شدن است.
تکنیک‌های هیدرولوژی ایزوتوپ امکان ردیابی و اندازه‌گیری دقیق گستردگی منابع آب زیرزمینی را فراهم می‌کنند. چنین تکنیک‌هایی ابزارهای تحلیلی مهمی در مدیریت و حفاظت از تأمین موجود آب و شناسایی منابع جدید فراهم می‌کنند. آن‌ها پاسخ‌هایی به سؤالاتی در مورد منشأ، سن، و توزیع آب زیرزمینی، و همچنین اتصالات بین آب زیرزمینی و سطحی، و سیستم‌های شارژ آبخوان فراهم می‌کنند. نتایج اجازه برنامه‌ریزی و مدیریت پایدار این منابع آب را می‌دهند. برای آب‌های سطحی، آن‌ها می‌توانند اطلاعاتی در مورد نشت‌ها از طریق سدها و کانال‌های آبیاری، دینامیک دریاچه‌ها و مخازن، نرخ‌های جریان، تخلیه رودخانه‌ها، و نرخ‌های رسوب‌گذاری بدهند. پروب‌های نوترونی می‌توانند رطوبت خاک را با دقت بسیار اندازه‌گیری کنند، و مدیریت بهتر زمین‌های تحت تأثیر شوری، به ویژه در مورد آبیاری را امکان‌پذیر کنند.
کاربردهای دیگر انرژی هسته‌ای
پدیده‌های تجزیه رادیواکتیو کاربرد گسترده‌ای در تولید باتری‌های قدرت کارآمد پیدا کرده‌اند.
در علم فضا، انرژی هسته‌ای برای پیشران کاوشگرهای فضایی که برای کاوش منظومه شمسی طراحی شده‌اند، استفاده میشود.
در تحقیقات علمی، امکان تاریخ‌گذاری کاوش‌های باستان‌شناسی و دیرینه‌شناسی را فراهم می‌کند.
انرژی هسته‌ای در فرآیندهای نمک‌زدایی آب استفاده میشود. این روش به ویژه در کشورهایی که منابع آب آشامیدنی کمیاب دارند، اهمیت دارد.
همچنین برای تشخیص آلودگی در رودخانه‌ها یا دریاچه‌ها استفاده میشود.
