فناوری هسته ای چه کاری می تواند انجام دهد؟

تصویر: اسکن توموگرافی کامپیوتری )Computed tomography)  (CT)
 

فناوری هسته ای جان انسان ها را نجات می دهد

هر سال، پزشکی هسته ای به پزشکان کمک می کند تا به تشخیص طبی ده ها میلیون نفر بپردازند و آنها را درمان کنند. پزشکان با استفاده از تشعشعات، مانند اشعه ایکس، می توانند تشخیص های سریع، غیر مخرب و دقیقی از اندام های بیمار انجام دهند. ایزوتوپ‌های رادیویی، که می‌توانند توسط راکتورهای هسته‌ای تولید شوند، به‌عنوان «ردیاب» در اسکن‌های توموگرافی گسیل پوزیترون (positron emission tomography (PET)) استفاده می‌شوند که یکی از دقیق‌ترین ابزارها برای تشخیص و ارزیابی بیشتر سرطان‌ها است.
 
استفاده از پرتودرمانی (رادیوتراپی) می تواند بسیاری از انواع مختلف سرطان و همچنین بیماری های دیگر مانند بیماری گریوز (شایع ترین علت پرکاری تیروئید) را درمان کند. در مورد سرطان، بیشتر غده های سرطانی به تشعشع حساس هستند. گزینه های درمانی متعددی وجود دارد، چه با پرتوهای خارجی یا داخلی، با هدف کنترل یا از بین بردن سرطان با تابش دادن به ناحیه حاوی آن. یک مثال براکی تراپی است، که در آن منابع کوچک تشعشع در داخل بدن یا در نزدیکی ناحیه ای که نیاز به درمان دارد قرار می گیرد. پرتو را می توان به عنوان یک جایگزین غیر تهاجمی برای جراحی مغز نیز مورد استفاده قرار داد.
 

هسته ای به ما اجازه می دهد تا کیهان را سیاحت کنیم

اکتشاف منظومه شمسی ما با فناوری هسته‌ای از طریق استفاده از ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ (radioisotope thermoelectric generators (RTGs)) امکان‌پذیر می‌شود، که به تجزیه ایزوتوپ‌های رادیواکتیو برای نیرو دادن به ماهواره‌ها برای اکتشاف در اعماق فضا که در آن صفحات خورشیدی قابل استفاده نیست، متکی هستند. RTGها یکی از منابع اصلی انرژی برای کار فضایی بوده اند و به اکتشافات فضاپیماهای فضایی متعدد آمریکایی، روسی و چینی کمک کرده اند.
 امکان‌سنجی نیروگاه‌های نمک‌زدایی هسته‌ای یکپارچه با بیش از 150 سال تجربه راکتوری، عمدتاً در قزاقستان، هند و ژاپن به اثبات رسیده است. استقرار در مقیاس بزرگ نمک‌زدایی هسته‌ای بر مبنای تجاری با راکتورهایی که عمدتاً برای این منظور ساخته شده‌اند به عوامل اقتصادی بستگی دارد.ماهواره کاسینی زحل و حلقه‌های آن را با جزئیات بی‌سابقه‌ای آشکار کرد و شواهدی را یافت که به شرایط بالقوه حیات در اقیانوس‌های زیرسطحی یکی از قمرهایش، انسلادوس اشاره می‌کرد. فضاپیمای نیوهورایزنز اولین تصویر دقیق از پلوتون را به ارمغان آورد. و مریخ نورد Curiosity (کنجکاوی) به کاوش مریخ ادامه می دهد. همه این مأموریت ها بر فناوری هسته ای متکی هستند.
 
با این حال، احتمالاً چشمگیرترین آنها کاوشگرهای دوقلوی وویجر 1 و 2 هستند که به دلیل منابع انرژی پلوتونیومی خود، اولین اجرام ساخته دست بشر هستند که وارد فضای بین ستاره‌ای می‌شوند. چهل و دو سال پس از پرتاب، وویجر 1 و 2 همچنان مرزهای اکتشافات اعماق فضا را پیش می‌برند، همه این‌ها به لطف تشعشعات ناشی از باتری‌های مبتنی بر پلوتونیوم است.
   
تصویر: مریخ نورد کنجکاوی (تصویر: ناسا)
 

هسته ای از هدر رفتن مواد غذایی جلوگیری می کند

فناوری هسته ای به ما کمک می کند تا از هدر رفتن غذا جلوگیری کنیم. در حال حاضر، یک سوم مواد غذایی تولید شده در سراسر جهان به هدر می رود – با وجود این که از هر نه نفر یک نفر از سوء تغذیه مزمن رنج می برد. با افزایش جمعیت جهان، نیاز به افزایش تولید مواد غذایی فشار قابل توجهی بر منابع آب و زمین وارد خواهد آورد.
 
با این حال، بیشتر هدر رفتن مواد غذایی پس از مرحله برداشت اتفاق می افتد. حداقل 20 درصد غذای برداشت شده قبل از مصرف فاسد می شود. تابش - فرآیندی که میکروب‌ها را می‌کشد، بدون این که محصول را رادیواکتیو کند - می‌تواند رسیدن میوه‌ها و سبزیجات را به تأخیر بیاندازد، ماندگاری آنها را به میزان قابل توجهی افزایش داده و هدر رفتن آنها را کاهش ‌دهد. همچنین می‌تواند آفات را کنترل کند و از انتقال بیماری‌های ناشی از غذا جلوگیری کند، دوره‌های قرنطینه مورد نیاز را کاهش دهد - عواملی که برای بیش از 60 کشوری که مقرراتی را برای پرتودهی مواد غذایی وضع کرده‌اند تعیین‌کننده بوده است.
   
تصویر: توت فرنگی پس از 15 روز نگهداری (سمت راست پرتودهی شده، سمت چپ تیمار نشده) (تصویر: آژانس بین المللی انرژی اتمی)
 
تشعشع همچنین برای کنترل آفات از طریق تکنیک حشره عقیم (sterile insect technique (SIT)) استفاده می شود. این شامل پرورش و رهاسازی جمعیت زیادی از حشرات نر است که از طریق پرتودهی عقیم شده اند و در نتیجه به طور چشمگیری نسل آنها کاهش می یابد. این تکنیک روشی سازگار با محیط زیست برای مقابله با آفات و در عین حال اجتناب از یا کاهش باقی مانده های آفت کش ها در مواد غذایی است. کمپین های موفق بسیاری در سرتاسر جهان وجود داشته است که حشرات تهدید کننده دام و محصولات کشاورزی را سرکوب کرده و جمعیت هایی را که باعث انتشار بیماری های جدی می شوند، کنترل کرده اند.
   
تصویر: WeRobotics  برای استفاده در برنامه های SIT (تصویر: WeRobotics)
 

هسته ای به ما کمک می کند از میراث فرهنگی خود محافظت کنیم

از فناوری هسته ای همچنین برای بررسی، حفاظت و بازسازی میراث فرهنگیمان استفاده می شود. برای مثال، کپک‌ها تهدیدی رایج برای نقاشی‌ها و کتاب‌های قدیمی است و اگر کنترل نشوند، می‌توانند گنجینه‌های تاریخی را برای همیشه نابود کنند. با استفاده از اشعه گاما می توان قارچ ها را بدون آسیب رساندن به مصنوع از بین برد. به طور مشابه، تشعشع برای محافظت از مجسمه های چوبی در معرض خطر تخریب از هجوم حشرات ضروری بوده است.
 
استفاده از تشعشعات همچنین برای حفاظت از اشیاء تاریخی، کاری قابل اعتماد بوده است. نمونه ای از این موضوع از موزه دولتی در مایدانک در لهستان، یکی از اردوگاه های کار اجباری که توسط رژیم نازی در طول جنگ جهانی دوم اداره می شد، می آید. در تلاش برای حفظ وسایل شخصی برخی از قربانیان نسل کشی، حدود 60000 کفش تحت اشعه قرار گرفتند تا اطمینان حاصل شود که توسط باکتری ها یا قارچ ها از بین نمی روند.
   
تصویر: از تشعشعات برای حفظ کفش های قربانیان نسل کشی در موزه دولتی در مایدانک استفاده شده است (تصویر: Von.grzanka, CC-BY-SA-3.0)
 

کاربردهای فراوان فناوری هسته ای

اولین نیروگاهی که با استفاده از گرمای حاصل از تقسیم اتم های اورانیوم برق تولید کرد، در دهه 1950 شروع به کار کرد. امروزه بیشتر مردم از سهم مهم انرژی هسته ای در تأمین بخش قابل توجهی از برق کم کربن جهان آگاه هستند.
 
کاربردهای فناوری هسته ای خارج از تولید برق شهری در نیروگاه ها کمتر شناخته شده است.
 تجزیه و تحلیل فراوانی نسبی رادیو ایزوتوپ های طبیعی خاص در تعیین سن سنگ ها و سایر موادی که مورد علاقه زمین شناسان، انسان شناسان، هیدرولوژیست ها و باستان شناسان هستند، از اهمیت حیاتی برخوردار است.رادیوایزوتوپ‌ها، راکتورهای حرارتی فرآیند انرژی هسته‌ای و راکتورهای برق غیر ثابت در بخش‌های مختلف، کاربردهایی اساسی از جمله در محصولات مصرفی، غذا و کشاورزی، صنعت، پزشکی و تحقیقات علمی، حمل‌ونقل و منابع آب و محیط‌زیست دارند که به تعدادی از آنها در زیر پرداخته می شود.
 

رادیوایزوتوپ ها

ایزوتوپ‌ها انواعی از یک عنصر شیمیایی هستند که هسته‌هایی با تعداد پروتون یکسان، اما تعداد نوترون‌های متفاوت دارند. برخی از ایزوتوپ ها به عنوان "پایدار" شناخته می شوند زیرا در طول زمان تغییر نمی کنند. برخی دیگر "ناپایدار" یا رادیواکتیو هستند زیرا هسته آنها در طول زمان از طریق از دست دادن ذرات آلفا و بتا تغییر می کند. ویژگی‌های اتم‌های در حال فروپاشی طبیعی، که به «رادیوایزوتوپ» معروف هستند، به این اتم‌ها در بسیاری از جنبه‌های زندگی امروزی کاربردهای متعددی می‌دهند.
 
اولین کاربرد عملی یک رادیو ایزوتوپ توسط مردی مجارستانی به نام جورج دی هیوسی در سال 1911 صورت گرفت. در آن زمان دی هیوسی دانشجوی جوانی بود که در منچستر کار می کرد و مواد رادیواکتیو طبیعی را مطالعه می کرد. او که پول زیادی نداشت در اقامتگاهی متوسط زندگی می کرد و با صاحبخانه اش غذا می خورد. او شروع به این شک کرد که برخی از وعده‌های غذایی که به طور منظم ظاهر می‌شوند ممکن است از باقی مانده‌های روزها یا حتی هفته‌های قبل تهیه شده باشند، اما هرگز نمی‌توانست مطمئن باشد. دی هیوسی برای تأیید سوء ظن خود، مقدار کمی از مواد رادیواکتیو را در بقایای یک وعده غذایی قرار داد. چند روز بعد، هنگامی که همان ظرف دوباره سرو شد، او از یک ابزار تشخیص تشعشع ساده - یک الکتروسکوپ ورق طلا - استفاده کرد تا بررسی کند که آیا غذا رادیواکتیو است یا خیر. این جنین بود و شک دی هیوسی تأیید شد.
 
تاریخ زن صاحبخانه را فراموش کرده است، اما جورج دی هیوسی در سال 1943 جایزه نوبل و جایزه اتم برای صلح را در سال 1959 دریافت کرد. کار او اولین استفاده از ردیاب های رادیواکتیو بود - که امروزه در علم محیط زیست معمول است.
 

کشاورزی

سازمان خواربار و کشاورزی (FAO) سازمان ملل متحد تخمین می زند که حدود 795 میلیون نفر (از هر 9 نفر یک نفر) از سوء تغذیه مزمن در سال های 16-2014 رنج می بردند. رادیوایزوتوپ ها و تشعشعات مورد استفاده در غذا و کشاورزی به کاهش این ارقام کمک می کنند.
 
علاوه بر بهبود مستقیم تولید مواد غذایی، کشاورزی باید در بلندمدت پایدار باشد. فائو با آژانس بین‌المللی انرژی اتمی در برنامه‌هایی برای بهبود پایداری غذا با کمک فناوری‌های هسته‌ای و بیوتکنولوژی‌های مرتبط همکاری می‌کند.
 

محصولات مصرفی

عملکرد بسیاری از محصولات مصرفی رایج به استفاده از مقادیر کمی از مواد رادیواکتیو بستگی دارد. از جمله، آشکارسازهای دود، ساعت‌ها و مواد نچسب، همه از خواص طبیعی رادیوایزوتوپ‌ها در طراحی خود استفاده می‌کنند.
 
امروزه یکی از رایج ترین کاربردهای رادیو ایزوتوپ ها در آشکارسازهای دود خانگی است. این‌ها حاوی مقدار کمی آمریکیوم 241 هستند که محصول فروپاشی پلوتونیوم 241 است که از راکتورهای هسته ای منشأ می گیرند. آمریکیوم 241 ذرات آلفا ساطع می کند که هوا را یونیزه می کند و جریانی بین دو الکترود ایجاد می کند. اگر دود وارد آشکارساز شود، ذرات آلفا را جذب کرده و جریان را قطع می کند و آلارم را خاموش می کند.
 

غذا

حدود 25 تا 30 درصد غذای برداشت شده در نتیجه فساد قبل از مصرف از بین می رود. این مشکل به ویژه در کشورهای گرم و مرطوب شایع است.
 
تابش مواد غذایی فرآیندی است که در آن مواد غذایی در معرض اشعه گاما قرار می گیرند تا باکتری هایی که می توانند باعث بیماری های منتقله از طریق غذا شوند را از بین ببرد و عمر مفید آنها را افزایش دهد. در تمام نقاط جهان استفاده رو به رشدی از فناوری تابش برای حفظ مواد غذایی وجود دارد. بیش از 60 کشور در سراسر جهان مقرراتی را وضع کرده اند که اجازه استفاده از پرتودهی برای محصولات غذایی را می دهد.
 
علاوه بر جلوگیری از فساد، تابش می تواند رسیدن میوه ها و سبزیجات را به تأخیر بیاندازد تا ماندگاری بیشتری به آنها بدهد و همچنین به کنترل آفات کمک می کند. توانایی آن در کنترل آفات و کاهش دوره های قرنطینه مورد نیاز، انگیزه اصلی بسیاری از کشورها در اتخاذ شیوه های پرتودهی مواد غذایی بوده است.
 

صنعت

رادیوایزوتوپ ها توسط سازندگان به عنوان ردیاب برای نظارت بر جریان سیال و فیلتراسیون، تشخیص نشتی، و اندازه گیری سایش و خوردگی موتور تجهیزات فرآیند استفاده می شود. غلظت های اندک ایزوتوپ های کوتاه مدت را می توان در حالی که هیچ باقیمانده ای در محیط باقی نمی ماند، شناسایی کرد. با افزودن مقادیر کمی از مواد رادیواکتیو به مواد مورد استفاده در فرآیندهای مختلف، می‌توان میزان اختلاط و جریان طیف وسیعی از مواد از جمله مایعات، پودرها و گازها را مطالعه کرد و نشت‌ها را تعیین کرد.
 
مواد رادیواکتیو برای بازرسی قطعات فلزی و یکپارچگی جوش ها در طیف وسیعی از صنایع استفاده می شود. به عنوان مثال، در سیستم های جدید خط لوله نفت و گاز با قرار دادن منبع رادیواکتیو در داخل لوله و فیلم در خارج از جوش بررسی می شود.
 
گیج های حاوی منابع رادیواکتیو (معمولاً گاما) در تمام صنایعی که سطوح گازها، مایعات و جامدات باید بررسی شوند، به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. آنها میزان تابش منبعی را که در مواد جذب شده است اندازه گیری می کنند. این گیج ها در جاهایی کاربرد دارند که گرما، فشار یا مواد خورنده مانند شیشه مذاب یا فلز مذاب، استفاده از گیج های تماس مستقیم را غیرممکن یا دشوار می کند.
 
توانایی استفاده از ایزوتوپ های رادیویی برای اندازه گیری دقیق ضخامت به طور گسترده در تولید مواد ورق از جمله فلز، منسوجات، کاغذ، پلاستیک و غیره استفاده می شود. در مواردی که کنترل خودکار مایع، پودر یا جامد مهم است، از سنج های دانسیته استفاده می شود، به عنوان مثال در تولید مواد شوینده.
 

پزشکی

بسیاری از مردم از کاربرد گسترده پرتوها و رادیوایزوتوپ ها در پزشکی به ویژه برای تشخیص (شناسایی) و درمان در شرایط مختلف پزشکی آگاه هستند. در کشورهای توسعه یافته از هر 50 نفر یک نفر در سال از پزشکی تشخیصی هسته ای استفاده می کند و فراوانی درمان با رادیوایزوتوپ ها حدود یک دهم این است.
 
تکنیک‌های تشخیصی در پزشکی هسته‌ای از رادیوداروها (یا ردیاب‌های رادیویی) استفاده می‌کنند که پرتوهای گاما را از داخل بدن ساطع می‌کنند. این ردیاب‌ها عموماً ایزوتوپ‌های کوتاه‌مدت مرتبط با ترکیبات شیمیایی هستند که امکان بررسی دقیق فرآیندهای فیزیولوژیکی خاص را فراهم می‌کنند.
 
بسته به نوع معاینه، رادیو ردیاب ها یا به بدن تزریق می شوند، بلعیده می شوند یا به صورت گازی استنشاق می شوند. انتشارات از ردیاب های رادیویی توسط دستگاه تصویربرداری شناسایی می شود که تصاویر و اطلاعات مولکولی را ارائه می دهد. قرار دادن تصاویر پزشکی هسته‌ای با توموگرافی کامپیوتری (CT) یا تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) می‌تواند دیدگاه‌های جامعی را در اختیار پزشکان قرار دهد تا به تشخیص کمک کنند.
 
مزیت تکنیک های هسته ای نسبت به اشعه ایکس این است که هم از استخوان و هم بافت نرم می توان با موفقیت تصویربرداری کرد.
 

حمل و نقل

انرژی هسته ای به ویژه برای کشتی هایی که نیاز به حضور طولانی مدت بدون سوخت گیری در دریا دارند یا برای پیشرانه های قدرتمند زیردریایی مناسب است. اکثریت تقریباً 140 کشتی که از راکتورهای هسته‌ای کوچک نیرو می‌گیرند، زیردریایی‌ هستند، اما محدوده ای از یخ‌شکن‌ها تا ناوهای هواپیمابر را شامل می‌شوند.
اصلاح جهش گیاهی فرآیندی است که در آن بذرها یا قلمه های یک گیاه خاص در معرض تشعشعاتی مانند اشعه گاما قرار می گیرند تا جهش ایجاد کنند. سپس مواد پرتودهی شده برای تولید گیاهچه کشت می شود. گیاهچه ها در صورت نشان دادن صفات مورد نظر انتخاب و تکثیر می شوند.  

منابع آب و محیط زیست

رادیوایزوتوپ ها نقش مهمی در شناسایی و تجزیه و تحلیل آلاینده ها دارند. تکنیک های هسته ای برای طیف وسیعی از مشکلات آلودگی از جمله تشکیل مه دود، آلودگی اتمسفر به دی اکسید گوگرد، پراکندگی فاضلاب از ریزش های داخل اقیانوس ها و نشت نفت استفاده شده است.
 
آب آشامیدنی کافی برای زندگی ضروری است. با این حال، در بسیاری از نقاط جهان آب شیرین همیشه کمیاب بوده و در برخی دیگر به این میزان نزدیک شده است.
 
تکنیک های هیدرولوژی ایزوتوپی امکان ردیابی و اندازه گیری دقیق وسعت منابع آب زیرزمینی را فراهم می کند. چنین تکنیک‌هایی ابزارهای تحلیلی مهمی را در مدیریت و حفظ منابع آب موجود و در شناسایی منابع جدید فراهم می‌کنند.

آنها به سؤالات مربوط به منشاء، سن، و توزیع آب های زیرزمینی، و همچنین اتصالات بین آب های زیرزمینی و سطحی، و سیستم های تغذیه آبخوان پاسخ می دهند. نتایج به اجرای برنامه ریزی و مدیریت پایدار این منابع آب اجازه می دهد. برای آب‌های سطحی، می‌توانند اطلاعاتی در مورد نشت از طریق سدها و کانال‌های آبیاری، دینامیک دریاچه‌ها و مخازن، نرخ جریان، دبی رودخانه‌ها و نرخ رسوب ارائه دهند.

کاوشگرهای نوترونی می توانند رطوبت خاک را بسیار دقیق اندازه گیری کنند و مدیریت بهتر زمین های تحت تأثیر شوری را به ویژه در مورد آبیاری ممکن می سازند.
 
منبع: world-nuclear