ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Ιωάννα Δ. Αναστασοπούλου Βασιλική Δρίτσα
ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
3 Με τον όρο ραδιενέργεια χαρακτηρίζουμε την ενέργεια η οποία παράγεται και εκπέμπεται από ραδιενεργά στοιχεία και ισότοπα κατά τις μεταπτώσεις τους σε άλλα ισότοπα. Η ραδιενέργεια είναι φυσικό φαινόμενο και παράγεται από τον ήλιο και τα ραδιενεργά στοιχεία του υπεδάφους. Εκπέμπεται ακόμα και από το ανθρώπινο σώμα. Τα ραδιενεργά στοιχεία μέσα από τον διατροφικό κύκλο μεταφέρονται στο σώμα και η συγκέντρωσή τους επηρεάζει την ποιότητα της ζωής μας. Το 1896 o Henri Becquerel παρατήρησε ότι η επίδραση της φυσικής ακτινοβολίας που προερχόταν από το ουράνιο και τα άλατά του [(K 2 UO 2 SO4)2.2H 2 O] μπορούσε να προκαλέσει φωσφορισμό (Σχήμα 1.1).
4 Η έννοια του φθορισμού δεν είχε καθιερωθεί εκείνη την εποχή. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο πατέρας του, Edmund Becquerel, και ο παππούς του μελέτησαν το φαινόμενο του φωσφορισμού που προκαλούσαν τα άλατα ουρανίου. Ο Becquerel διαπίστωσε ότι τα άλατα του ουρανίου μπορούν να μαυρίσουν το φωτογραφικό φιλμ με τον ίδιο τρόπο που το επιτυγχάνουν οι ακτίνες του ήλιου. Το αποτέλεσμα αυτό ήταν ίδιο με το φαινόμενο που παρατήρησε ο Rontgen όταν χρησιμοποίησε ακτίνες X. Στη συνέχεια οι Mari και Pierre Curie μελέτησαν τη δράση των ακτίνων Becquerel που εξέπεμπαν άλλα ορυκτά. Η Mari Curie διαπίστωσε (1901) ότι τα άλατα του ενυδατωμένου ραδίου παρήγαγαν συνεχώς αέριο, που όπως αποδείχθηκε αργότερα ήταν υδρογόνο (το φαινόμενο αυτό το ονόμασε ηλεκτρόλυση χωρίς ηλεκτρόδιο, ενώ σήμερα ονομάζεται ραδιόλυση). Το 1902 ο Frederick Soddy διατύπωσε την θεωρία ότι ραδιενεργό στοιχείο είναι εκείνο που μεταβάλλεται φυσικά σε ένα άλλο διαφορετικό στοιχείο. Μετά τον Α' Παγκόσμιο πόλεμο η μελέτη της επίδρασης των ακτινοβολιών στην ύλη γίνεται της μόδας. Οι συσκευές Rontgen χρησιμοποιούνται ευρύτατα ως πηγές ενέργειας.
5 Στα τέλη της δεκαετίας του 1930 και αρχές της άνοιξης του 1940 ο Καναδός φυσικός George C. Laurence, επικεφαλής μιας ομάδας ερευνητών του Εθνικού Ινστιτούτου Ερευνών (Ottawa), περάτωσε τους υπολογισμούς του, βάσει των οποίων μία πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση θα ήταν δυνατή αν χρησιμοποιούσαν ως καύσιμο ουράνιο και ως επιβραδυντή βαρύ νερό. Για να αποδειχθεί η υπόθεση αυτή δεν είχαν παρά να βομβαρδίσουν ουράνιο με νετρόνια και να αρχίσει η σχάση. Ο Καναδάς διέθετε πλούσια κοιτάσματα ουρανίου, αλλά από τον Laurence έλειπε το βαρύ νερό, ώστε να απορροφήσει μερικά από τα παραγόμενα νετρόνια. Ήλθε σε επικοινωνία με τους Frederic Joliot-Curie, Hans Halban και Lew Kowarski, οι οποίοι πίστευαν ότι πράγματι το βαρύ νερό θα απορροφήσει τα πλεονάζοντα νετρόνια. Όμως πριν την έναρξη των πειραμάτων άρχισε ο Β Παγκόσμιος Πόλεμος. Οι Halban και Lew Kowarski δραπέτευσαν στο Cambridge της Αγγλίας, όπου μετέφεραν μαζί τους 185 kg βαρύ νερό, που πήραν από την Νορβηγία. Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου η πυρηνική ενέργεια αποσπά το σύνολο του ενδιαφέροντος του επιστημονικού κόσμου. Μετά την παράδοση της Γαλλίας στους Ναζί, οι Άγγλοι συνεργάσθηκαν με τους Καναδούς.
6 Το πρώτο Αγγλο-Καναδικό εργαστήριο πυρηνικής έρευνας έγινε στο Πανεπιστήμιο Montreal του Montreal στον Καναδά (1942-43). Στόχος ήταν ο σχεδιασμός μιας στήλης ή ενός επιταχυντή, όπου κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες θα μπορούσε να προκληθεί σχάση του ουρανίου και να ληφθεί πλουτώνιο, ώστε να χρησιμοποιηθεί στην παρασκευή της ατομικής βόμβας. Το 1944 έγινε συμφωνία με την Αμερική για συνεργασία στο πρόγραμμα αυτό. Ήδη από το 1942 στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου ο Fermi και οι συνεργάτες του είχαν πετύχει την πρώτη αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση. Επικεφαλής της ομάδας τέθηκε ο Άγγλος John Cockcroft. Για να τεθεί όμως σε εφαρμογή το πρόγραμμα έπρεπε να βρεθεί μία κατάλληλη απομονωμένη περιοχή του Καναδά. Η περιοχή που επιλέχθηκε ήταν το Chalk River (Τσοκ Ρίβερ), το πιο βαθύ σημείο του ποταμού Ottawa. Επίσης η περιοχή αυτή ήταν πολύ κοντά στη στρατιωτική βάση Petawawa, πολύ σημαντικό στοιχείο, αφού όλα έπρεπε να γίνουν με την μυστικότητα που επέβαλε η περίοδος του Β Παγκοσμίου Πολέμου. Ο αντιδραστήρας που κατασκευάσθηκε ονομάσθηκε ZEEP (Zero Energy Experimental Pile), αλλά ποτέ δεν λειτούργησε για τις ανάγκες του πολέμου, αφού στο Σικάγο κατάφεραν και κατασκεύασαν την ατομική βόμβα. Η πρώτη δοκιμή στο Chalk River έγινε στις 5 Σεπτεμβρίου 1945, μετά την λήξη του πολέμου.
7 Την ίδια χρονική περίοδο σχηματίσθηκε και η πρώτη Επιτροπή Ενέργειας (DOE, Department of Energy). Το 1954 σχηματίζεται η Ατομική Επιτροπή Ενέργειας (AEC, Atomic Energy Commission) για να ελέγξει την χρήση και παραγωγή ατομικής ενέργειας στις ΗΠΑ. Τα ραδιενεργά ισότοπα βρίσκουν μία σειρά από εφαρμογές σε πολλά πεδία τόσο της βασικής όσο και της εφαρμοσμένης έρευνας και επιστήμης. Η χρήση των ραδιοϊσοτόπων μπορεί να επεκταθεί σε όλα τα ερευνητικά επίπεδα που μπορεί κανείς να διανοηθεί, και που εκτείνονται από τα προβλήματα της γεωπονίας, την φυσιολογία των φυτών και ζώων, την εντομολογία, υδρολογία, μικροβιολογία, φαρμακευτική, ακτινοδιαγνωστική και ιατρική. Επίσης τα ραδιοϊσότοπα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση περιβαλλοντικών προβλημάτων, ενώ παράλληλα προκαλούν και τα ίδια περιβαλλοντικά προβλήματα ως προς την διαχείρισή τους. Η ευρεία χρήση των ραδιοϊσοτόπων σε διάφορες εφαρμογές που αρχίζουν από την ηλεκτρική ενέργεια μέχρι την ιατρική, δημιούργησε το πρόβλημα ενταφιασμού και διαχείρισης των ραδιενεργών αποβλήτων. Η ανάπτυξη μεθόδων ανίχνευσης της παρουσίας των ραδιοϊσοτόπων σε βιολογικά συστήματα και το περιβάλλον είναι ένα από τα πλέον καυτά προβλήματα της εφαρμοσμένης έρευνας.
8 Τα ραδιοϊσότοπα δεν έχουν ιδιαίτερες φυσικές ιδιότητες, ώστε να γίνονται αντιληπτά με τις αισθήσεις μας. Έτσι, η δημιουργία θαλάμων ή δοσίμετρων ανίχνευσης ραδιοϊσοτόπων σε στερεή ή υγρή κατάσταση είναι μέρος της βασικής και εφαρμοσμένης έρευνας. Έχει διαπιστωθεί ότι στην φύση υπάρχουν τέσσερις δυνάμεις: η βαρύτητα, οι ηλεκτρικές, οι μαγνητικές και οι πυρηνικές (ισχυρές και ελαφρές) δυνάμεις. Η βαρύτητα μελετήθηκε από τον Νεύτωνα περίπου στα 1600. Σε σύγκριση με τις άλλες δυνάμεις η βαρύτητα είναι η πλέον ασθενής δύναμη, αλλά δρα σε αρκετά μεγάλες αποστάσεις. Η βαρύτητα είναι υπεύθυνη για την κίνηση των σωμάτων και για την κίνηση ολόκληρου του σύμπαντος. Οι ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις ασκούνται μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων και παραμαγνητικών σωμάτων. Πρώτος ο Maxwell στα 1800 διαπίστωσε και διατύπωσε την ηλεκτρομαγνητική θεωρία, η οποία περιγράφει συγχρόνως τις ιδιότητές τους. Οι ισχυρές και ασθενείς δυνάμεις, δηλαδή οι πυρηνικές, είναι σημαντικές μόνο για τον πυρήνα. Οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις είναι περίπου 10 38 φορές περισσότερο ισχυρές από την βαρύτητα. Όμως η δράση τους ισχύει για πολύ μικρές αποστάσεις, της τάξεως του 1fm. 1fm=1 φέμτον 10" 15 m
1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 9 Οι δυνάμεις αυτές συγκρατούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσα στον πυρήνα. Οι ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις είναι πολύ ασθενείς συγκρινόμενες με τις ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις, αλλά και τις ηλεκτρομαγνητικές και δρουν σε μικρότερη ακόμη απόσταση (0,001 fm). Οι δυνάμεις αυτές συμμετέχουν σε μία σειρά από ραδιενεργές διασπάσεις. Οι δυνάμεις p-n είναι ισχυρότερες από τις n-n και p-p δυνάμεις (όπου ρ=πρωτόνιο και η=νετρόνιο). Οι φυσικοί προσπάθησαν να αναπτύξουν μία ενιαία κβαντική θεωρία (Grand Unified Theory, GUT) ώστε να συμπεριλάβουν σε αυτήν όλες τις δυνάμεις (Theory for everything, TOE), αλλά προς το παρόν δεν το επέτυχαν. Η γνωστή ηλεκτρομαγνητική θεωρία μπορεί να περιγράψει τις ηλεκτρομαγνητικές (electroweak forces) και ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις (quantum chromodynamics), όμως αδυνατεί να συμπεριλάβει τις υπόλοιπες. Μέχρι το 1950 όλα τα στοιχειώδη σωματίδια που αποτελούν την ύλη είχαν ανακαλυφθεί, όμως η εσωτερική τους δομή συνεχίζει να είναι ακόμη άγνωστη. Τα σωματίδια αυτά ταξινομήθηκαν σε τρεις κατηγορίες.
1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 10 Τα στοιχειώδη σωματίδια: λεπτόνια (leptons): Τα έξι λεπτόνια είναι το ηλεκτρόνιο (e), το μυόνιο (μ), το ταυόνιο (τ) και τα αντίστοιχα τρία νετρίνα τους (ν) κουάρκς (quarks): Τα κουάρκς δεν έχουν ακόμη προσδιορισθεί ως ελεύθερα σωματίδια. Υπάρχουν έξι φλαβορς (flavors) των κουάρκς: Τα φλαβορς αναφέρονται στην ιδιότητα της σταθεράς σύζευξης των φωτονίων. Κάθε φλάβορ έχει τρία χρώματα, όπου το χρώμα εκφράζει την πολωσιμότητα με τον ίδιο τρόπο που εκφράζεται και στο ηλεκτρικό φορτίο. Τέλος υπάρχουν τα στοιχειώδη μποσόνια (elementary vectors bosons): Τα στοιχειώδη μποζόνια αποτελούνται από τα φωτόνια μέσης ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, τα γλυόνια (glyons) με ενδιάμεσες ενέργειες εκείνων των κουάρκς και τα ενδιάμεσα μποζόνια με μικρότερες ενέργειες.
ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.