Ydinreaktioiden ja säteilyn sovelluksia

Erilaisten säteilymuotojen löytäminen viime vuosisadalla on johtanut muun muassa useisiin lääketieteen sovelluksiin. Samoin atomiydinten parempi ymmärtäminen on mahdollistanut monia uusia teknologioita ja energiantuotantomuotoja.

Niin säteilyllä, kuin ydinenergiallakin on myös huonot puolensa, jotka ovat tulleet näkyviksi viime vuosisadan katastrofaalisissa tapahtumissa. Erilaisten luonnonvoimien hallinta tarjoaa ihmiselle sellaista valtaa, jota sillä ei aiemmin ole ollut - ja kuten aina, vallan mukana tulee myös vastuu sen käytöstä.

Ydinvoimalat

Noin 10% maailman sähköenergiasta tuotetaan ydinvoimalla. Osuus kasvoi voimakkaasti toisen maailmansodan ja 1990-luvun alun välillä, mutta on sen jälkeen ollut laskussa. Ydinsähköksi luetaan sekä fissioettä fuusiovoimalla tuotettu sähkö, mutta jälkimmäisen tuotantoa ei yrityksistä huolimatta olla vielä saatu toimintaan.

Fissiovoimaloiden huonoja puolia ovat muun muassa ongelma ydinjätteen loppusijoituksesta, harvinaiset ydinvoimalaonnettumuudet sekä uraanin louhintaan liittyvät ongelmat. Hyvänä puolena voi pitää ydinvoiman alhaisia kasvihuonekaasupäästöjä. Fuusiovoima ratkaisisi nämä ja monta muutakin ongelmaa, mutta tekniset hankaluudet ovat toistaiseksi estäneet sen tuotannon.

Ydinenergian käyttö vaihtelee voimakkaasti maittain, esimerkiksi Ranskassa yli 70% sähköstä tuotetaan ydinvoimalla.

Fissiovoima

Ydinvoimaloissa vapautuva energia on raskaiden ydinten hajoamisenergiaa. Yleisimmät polttoaineena käytettävät isotoopit ovat U-233, U-235 ja Pu-239, käytämme tekstissä esimerkkinä isotooppia U-235. Isotoopin hajotessa vapautuvan energian määrä on erilainen eri hajoamisreaktioissa, suuruusluokaltaan kuitenkin noin 200 MeV. U-235 puoliintumisaika α-hajoamisella on noin 7, 0 · 10 vuotta,

joten on selvää, että spontaanista hajoamista tapahtuu aivan liian vähän järkevää energiantuotantoa ajatellen. Fissiota saadaan nopeutettua pommittamalla U-235 isotooppia neutronilla, joka aikaansaa nopeammin hajoavan väliytimen U-236.

Fission löytäminen oli osana muuttamassa maailmaa 1940-luvun vaihteessa. Selvitä minkälaisia rooleja näyttelivät Enrico Fermi, Otto hahn, Lisa Meitner ja Leó Szilárd.

Väliytimen hajotessa on tärkeää, että reaktiossa syntyy lisää neutroneita, jotka voivat vuorostaan osallistua seuraavan U-235-ytimen halkaisuun. Näin saadaan aikaan ketjureaktio, joka mahdollistaa energiantuotannossa tarvittavan jatkuvan ydinreaktion. Tyypillinen ydinvoimalan fissioreaktio on siis esimerkiksi

Tämän reaktion hajoamisenergia on noin 180 MeV.

Ketjureaktion mahdollistavat neutronit ovat tärkeitä fission ylläpitämiseksi.

Lisäedellytys ketjureaktion jatkumiselle on, että fissiossa vapautuvista neutroneista keskimäärin vähintään yksi osuu seuraavaan uraaniytimeen aiheutten seuraavan fission. Tämä riippuu polttoaineena käytettävän isotoopin lisäksi esimerkiksi polttoaineen lämpötilasta, rikastusasteesta ja kokonaismäärästä. Ketjureaktion edellyttämää määrää polttoainetta kutsutaan kriittiseksi massaksi.

Ydinvoimaloissa jatkuvaa ydinreaktiota säädellään kontrolloimalla fissiossa vapautuvia neutroneita. Ensinnäkin on olemassa mahdollisuus, että ketjureaktiossa vapautuu energiaa liian nopeasti. Tämä voi johtaa ydinräjähdykseen kuten Hiroshimassa, tai erittäin nopeaan polttoaineen kuumenemiseen kuten Tšernobylissä. Vapaiden neutronien määrää säädellään polttoainesauvojen väliin asetettavilla säätösauvoilla, jotka absorboivat vapaita neutroneja. Säätösauvoja vähentämällä voidaan siis lisätä reaktorin tehoa ja niitä lisäämällä vähentää sitä.

Toinen neutroneihin liittyvä yksityiskohta on se, että neutronin vuorovaikutustodennäköisyys U-235-isotoopin kanssa pienenee merkittävästi, kun sen nopeus kasvaa. Hitaasti liikkuvat neutronit, eli termiset neutronit, ovat siis huomattavasti tehokkaampia ketjureaktion ylläpitämisessä kuin nopeat neutronit. Fissiossa vapautuvia neutroneita hidastetaan polttoainesauvoja ympäröivällä vedellä, jolloin neutronien liike-energia muuttuu veden sisäenergiaksi. Neutronien ja muiden reaktiotuotteiden liike-energia lämmittää vettä, joka lopulta höyrystetään. Vesihöyry pyörittää turbiinia, joka on kytketty generaattoriin ja näin saadaan sähköenergiaa. Tämä ketju on sen verran pitkä, että ydinvoimaloiden hyötysuhde sähköntuotannossa on yleensä vain hieman yli 30%.

Fissiovoimaloiden haasteet

Ydinvoimalaonnettumuudet ovat näkyvin fissiovoimaloiden haittapuoli. Vaikkakin useimmissa onnettomuuksissa välittömien kuolonuhrien määrä on ollut erittäin pieni, on niillä merkittäviä terveysvaikutuksia pidemmällä aikavälillä. Onnettomuuksissa on vapautunut ilmakehään suuri määrä radioaktiivisia isotooppeja, jotka ovat sataneet lopulta maahan ydinlaskeumassa. Esimerkiksi merkittävän syöpäriskin aiheuttavia β −-aktiivisia isotooppeja Cs-137 ja I-131 levisi sekä Tšernobylin, että Fukushiman onnettomuuksien yhteydessä erittäin laajalle alueelle. I-131:n puoliintumisaika on vain noin viikko, joten se aiheuttaa vain lyhytaikaisen vaaran, mutta Cs-137 noin 30 vuoden puoliintumiaika tarkoittaa, että Tšernobylin laskeumastakin on vielä melkein puolet jäljellä.

Tšernobylin ydinvoimalaonnettumuudessa tuhoutunut reaktori (ja siellä edelleen oleva ydinpolttoaine) on peitetty ”sarkofagilla,” jotteivat radioaktiiviset aineet pääse leviämään ympäristöön

Tšernobylin ydinvoimalan vieressä sijaitsevan hylätyn Prypjat kaupungin huvipuisto.

Prypjat kaupungin koulurakennus.

Käytön jälkeen polttoaineesta jää jäljelle ydinjätettä, jonka käsittely ja varastointi on ongelmallinen, toistaiseksi avoin kysymys. Ongelmalliseksi jätteen tekee toisaalta sen erittäin korkea aktiivisuus reaktorista tullessaan, toisaalta taas sen merkittävästi tätä pienempi aktiivisuus seuraavat miljoonat vuodet.

Maailmanlaajuisesti ydinjätettä arvioidaan syntyvän tällä hetkellä noin 12000 tonnia vuodessa.

Vaikka ydinpolttoaineesta on juuri otettu energiaa muuhun käyttöön, on ydinjätteen aktiivisuus heti käytön jälkeen huomattavasti alkuperäistä polttoainetta korkeampi. Tämä johtuu hajoamistuotteiden, kuten edellämainittujen cesiumin ja jodin isotooppien, suhteellisen lyhyestä puoliintumisajasta, joka tarkoittaa suurta hajoamisvakiota ja aktiivisuutta. Ennen ydinjätteen loppusijoitusta korkea-aktiivista jätettä säilytetään ensin noin 50 vuotta väliaikaisissa vesialtaissa, jotta nämä lyhyempi-ikäiset isotoopit ehtivät riittävästi vähentyä.

Loppusijoituksen ongelma on tarvittavan säilytysajan pituus. Ydinjäte on eliöille vaarallista vähintään miljoonia, jopa satoja miljoonia vuosia. Nykyarvioiden mukaan jäte voidaan varastoida näinkin pitkäksi ajaksi, kunhan se sijoitetaan riittävän syvälle kallioperään alueilla, joilla maankuoren liikkeet ovat vähäisiä. Ei ole kuitenkaan ollenkaan varmaa, että ihmiskunta olisi täällä enää tällaisen ajan jälkeen, joten pitää myös varmistaa, että tieto vaarallisesta jätteestä saadaan säilytettyä vaikka ihmislaji ehtisikin kadota

Nykyisen Suomen lain mukaan Suomessa tuotettu ydinjäte on varastoitava Suomeen, eikä tänne saa varastoida muissa maissa tuotettua jätettä.

Energiatuotannon pitkäaikainen unelma on Maan pinnalla tuotettavan fuusiovoiman hyötykäyttö. Kaupallisesti tuotetun fuusioenergian on vitsikkäästi sanottu olevan ”aina 50 vuoden päässä”. Tämä saattaa edelleenkin olla turhan optimistista, mutta Etelä-Ranskaan rakennettava koevoimala ITER pyrkii energian nettotuotantoon vuoteen 2035 mennessä. Tämä tarkoittaa, että voimala tuottaisi enemmän sähköenergiaa kuin mitä se itse käyttää.

Käy vilkaisemassa mitä maailman suurimmalle koevoimalahankkeelle fuusiovoimala ITER:ille kuuluu https://www.iter.org/proj/inafewlines

ITER:in ensisijainen tarkoitus on kerätä tietoa siitä, minkälaisia ongelmia fuusiotuotantoon liittyy ja miten niitä voitaisiin tulevaisuudessa ratkaista. Käytettävä reaktio tulee olemaan deuteriumin ja tritiumin fuusio

jossa vapautuu noin 17,6 MeV energiaa. Polttoaineena käytetään suoraan vedyn raskaampia isotooppeja, sillä niiden fuusio onnistuu kaikkein helpoiten.

Protonien välisen hylkivän sähköisen vuorovaikutuksen vuoksi reaktio edellyttää erittäin korkeaa lämpötilaa, ITER:in käyttölämpötilaksi on suunniteltu noin 1,5 · 10 K. Tämä puolestaan asettaa raunaehtoja käytettävälle laitteistolle.

Reaktorin seinämateriaaleihin liittyvää tutkimusta tehdään myös Helsingin yliopiston kiihdytinlaboratoriossa

www.helsinki.fi/fi/uutiset/kestava-kehitys/mita-hiukkaskiihdyttimella-tehdaan-kumpulanmaella

Näin korkeissa lämpötiloissa elektronit irtautuvat atomiytimistä ja aine on läpinäkymätöntä plasmaa. Samalla luodaan siis varhaisen maailmankaikkeuden olosuhteet ajalta ennen rekombinaatiota. Plasma täytyy pitää hyvin eristettynä reaktion ajan (ITER:ssä tämä tarkoittaa noin 20 minuuttia). ITER:in reaktori on niin kutsuttua ”tokamak”-tyyppiä, jossa plasma sijaitsee donitsin mallisessa tyhjiökammiossa.

Plasma pidetään paikallaan ja riittävän tiheänä erittäin voimakkailla magneettikentillä, mutta osa hiukkasista, erityisesti reaktiossa vapautuvat korkeaenergiset neutronit, pääsevät irti plasmasta ja törmäävät reaktorin seiniin. Näiden liike-energia muutetaan reaktoria ympäröivän jäähdytysveden energiaksi, joka voidaan edelleen jatkaa höyrystymisen kautta turbiiniin ja sitä kautta sähköverkkoon.

ITER:stä on vielä pitkä matka minkäänlaiseen kaupalliseen fuusiovoimalaan, joten fuusiovoimasta ei ole apua akuuttiin ilmantonmuutoksen aiheuttamaan kriisiin. Tulevaisuudessa on kuitenkin lupa odottaa puhtaan fuusiovoiman olevan merkittävä osa energiantuotantoa.

Säteily ja ihminen

Wilhelm Röntgen löysi uudenlaisen ainetta läpäisevän ”säteen” marraskuussa 1895. Julkaistessaan löydöksensä muutamaa viikko myöhemmin joulukuussa hän oli jo ennättänyt ottaa röntgenkuvan vaimonsa kädestä, ja jo tammikuussa uutta sädettä oli käytetty lääketieteelliseen kuvantamiseen.

Samoin jo seuraavana vuonna 1896 raportoitiin säteilyn haittavaikutuksista: eräs tutkija esimerkiksi havaitsi hiustenlähtöä muutama viikko sen jälkeen, kun oli kiinnittänyt röntgensäteilevän putken päähänsä noin tunnin ajaksi

Näin oli syntynyt radiologia, eli ihmiskehon tutkimus säteilyn avulla. Samalla alkoi kerääntyä tietoa ionisoivan säteilyn terveysvaikutuksista, vaikka kestikin vielä vuosikymmeniä ennen kuin haitalliselta säteilyltä opittiin järkevästi suojautumaan. Esimerkiksi yksi alan uranuurtajista, kaksinkertainen Nobel-voittaja Marie Skłodowska Curie kanniskeli radioaktiivisia näytteitä rintataskussaan ja säilytti niitä työpöydän laatikossaan, jossa ne ”hehkuivat kuin vaimeat keijujen valot”.

Wilhelm Röntgen (1845 -1923)

Marie Curie (1867 - 1934)

Termi radioaktiivisuus on Marie Curien keksimä. Lue lisää Marie ja Pierre Curien löytämistä aineista www.nytimes.com/1998/10/06/science/a-glow-in-the-dark-and-a-lesson-in-scientific-peril.html

Ionisoiva säteily

Erilaiset säteilylajit ovat eri tavoin vaarallisia. Esimerkiksi riittävän korkean intensiteetin sähkömagneettinen säteily (aallonpituudesta riippumatta) voi nostaa ihmisen kudoksen lämpötilaa, ja jo parin asteen muutos voi aiheuttaa kudosvaurioita.

On kuitenkin myös toinen tapa, jolla säteily voi olla haitallista, ja vaarallisen siitä tekee se, että jo pienikin intensiteetti riittää aiheuttamaan merkittävää vahinkoa. Jos säteilyn hiukkasten energia on riittävän suuri, ne pystyvät ionisoimaan atomeja ja molekyylejä. Tällaista säteilyä kutsutaan ionisoivaksi ja kaikkea muuta säteilyä ionisoimattomaksi.

Ionisaation ongelma ihmisen kudoksissa on se, että biomolekyyleihin syntyvät sähkövaraukset rikkovat kemiallisia sidoksia sekä luovat niin kutsuttuja vapaita radikaaleja. Tästä seuraa molekyylien rakenteellisia ja sitä myöden niiden toimintaa häiritseviä muutoksia. DNA-molekyyleissä tapahtuvat mutaatiot ovat erityisen vaarallisia, sillä ne aiheuttavat muun muassa syöpää.

Aivan kuten valosähköisessä ilmiössä, ionisoinnissa tärkeintä ei ole säteilyn intensiteetti, vaan yksittäisen hiukkasen energia. Esimerkiksi aiemmasta tiedämme, että vetyatomin ionisaatioenergia on noin 13, 6 eV, joka vastaa aallonpituudeltaan noin 91 nm fotonia. Tämä osuu röntgensäteilyn aallonpituusalueelle, joten sopii odottaa, että sekä röntgensäteily, että gammasäteily ovat ionisoivaa säteilyä.

UV-säteilyn aallonpituusalue menee osittain päällekkäin röntgensäteilyn aallonpituusalueen kanssa, sillä nämä alueet määritellään alkuperän ja käyttötarkoituksen (eikä tiukasti aallonpituuden) mukaan. Korkeaenerginen UV-säteily on myös ionisoivaa säteilyä, jolta pitää suojautua (niin kuin jo varmasti tiesitkin).

Selvitä mitä tarkoittavat aurinkorasvojen merkinnät UV-A ja UV-B.

Näkyvä valo ja sitä suuremman aallonpituuden sähkömagneettinen säteily ei ole ionisoivaa. Esimerkiksi mikroaaltouunit tai matkapuhelinverkot eivät siis aiheuta ionisaatioriskiä, vaikka nekin voivat toki aiheuttaa terveysriskin, jos säteilyn intensiteetti on riittävän korkea.

α- ja β-säteily ovat kumpikin ionisoivaa säteilyä, joten niiltä tulee suojautua aivan kuten röntgen- ja gammasäteilyltäkin. Neutronisäteily puolestaan on esimerkki epäsuorasti ionisoivasta säteilystä: neutronit eivät itse ionisoi molekyylejä, mutta ne voivat virittää atomiytimiä ja aiheuttaa ionisoivan säteilyn syntyä näissä ytimissä esimerkiksi ytimen viritystilojen purkautuessa gammasäteilynä.

Ionisoivalta säteilyltä suojautuminen

Ionisoivan säteilyn haittavaikutuksilta on tärkeää osata suojautua, erityisesti silloin jos työskentelee säteilyn tai radioaktiivisten aineiden parissa. Usein ensisijainen tapa on tietenkin pysytellä mahdollisimman kaukana säteilynlähteistä, mutta aina se ei ole mahdollista.

Erilaiset säteilymuodot voi erotella toisistaan niiden läpäisykyvyn mukaan. α-säteilyn hiukkaset ovat niin vahvasti vuorovaikuttavia massiivisia hiukkasia, että ne pysähtyvät jo paperiin tai ihmisen ihoon, eli niiden läpäisykyky on huono. Elektroneista koostuva β -säteily on jonkin verran läpäisevämpää ja läpäisee ihon, mutta pysähtyy sekin jo ohueen metallilevyyn. β -säteily koostuu positroneista ja sen läpäisevyys on heikkoa, sillä positronit annihiloituvat löydettyään ensimmäisen elektronin.

Röntgensäteily tunnetusti läpäisee ihon ja pehmytkudoksen, mutta heikkenee voimakkaasti jo luun kohdatessaan. Röntgensäteilyltä suojautumiseen riittää esimerkiksi seinä tai ohut lyijylevy. γ-säteily on näistä säteilymuodoista kaikkien läpäisykykyisintä ja sen riittävään heikentämiseen tarvitaan paksu betoniseinä tai paksu metallilevy.

Erityisesti sähkömagneettisen säteilyn heikkenemiseen väliaineessa voidaan käyttää niin kutsuttua heikennyslakia, joka perustuu siihen, että säteilyn intensiteetti pienenee sitä nopeammin, mitä suurempi intensiteetti on. (Jokaisella fotonilla on tietty todennäkyisyys sirota väliaineen atomeista ja mitä enemmän fotoneja, sitä enemmän niitä siroaa.) Säteilyn intensiteetille I syvyyden x funktiona saadaan samanlainen yhtälö kuin aiemmin hajoamislakia johdettaessa, mutta nyt syvyyden suhteen:

missä µ on heikennyskerroin, joka riippuu väliaineen lisäksi säteilyn aallonpituudesta. Tämän yhtälön ratkaisu on samaa muotoa kuin hajoamislakikin, joten intensiteetti syvyydellä x pienenee väliaineessa eksponentiaalisesti

Gammasäteilyn suhteellinen intensiteetti pienenee eri väliaineissa eri nopeuksilla.

Heikennyskerroin on tyypillisesti pienempi gammasäteilylle kuin röntgensäteilylle, eli gammasäteily on röntgensäteilyä läpäisevämpää. Samoin kuin puoliintumisaika, voidaan säteilyä vaimentavalle väliaineelle määritellä puoliintumispaksuus d1/2 , jolle pätee heikentymiskertoimen avulla kirjoitettu yhtälö:

Efektiivinen säteilyannos ja annosnopeus

Ihminen saa säteilyä eri muodoissa ja eri lähteistä. Säteilyn aiheuttamaa terveyshaittaa arvioidaan niin kutsutulla efektiivisellä annoksella, jonka yksikkö on sievert (Sv). Efektiivinen annos riippuu niin säteilylajista, sen energiasta, kuin sen vaikutuskohteestakin. Sitä ei siis ole määritelty suoraan esimerkiksi säteilyn intensiteetin tai energian avulla, vaan se on ihmiskehon dynamiikalle ominainen ”fenomenologinen” suure, joka on ollut käytössä eri muodoissa vuodesta 1975.

Suomessa keskimääräinen efektiivinen annos on noin 3, 2 mSv vuodessa. Noin puolet tästä tulee sisäilman radonista, joka on toiseksi suurin yksittäinen keuhkosyövän aiheuttaja tupakoinnin jälkeen. Omaa säteilyannostaan voi siis Suomessa tehokkaasti minimoida minimoimalla radon-altistuksensa. Radon on kaasu, jota vapautuu maaperästä erityisesti huokoisen kallioperän alueella, esimerkiksi moreeniharjuilla Lahden seudulla. Koska radon vapautuu maaperästä, tulee näillä alueilla asuttaessa erityisesti talojen kellarikerrosten ja alakerrosten olla hyvin tuuletettuja. Radon-tasoja voi myös mitata yksinkertaisilla välineillä, joten se kannattaa aina tehdä, jos epäilee minkäänlaista radonriskiä.


Muut merkittävät säteilynlähteet Suomessa ovat muut maaperän radioaktiiviset aineet, avaruudesta tuleva säteily sekä lääketieteellinen kuvantaminen, kuten röntgenkuvaus. Nämä ovat kaikki ulkoista säteilyä. Pieni vaikutus on myös sisäisellä säteilyllä, eli ihmiskehossa luonnollisesti olevilla radioaktiivisilla aineilla, kuten radiohiiliajoituksessakin käytettävällä isotoopilla C-14. Kaiken kaikkiaan Suomessa säteily lisää syöpäkuolemia vuosittain jonkin verran, mutta kalpenee verrattaessa esimerkiksi tupakan, alkoholin tai suolan terveyshaittoihin.

Tasaisesti vuoden mittaan saatavan säteilyn lisäksi saamme ajoittain suuria säteilyannoksia lyhyessä ajassa. Esimerkiksi röntgenkuvissa minimoidaan efektiivistä kokonaisannosta käyttämällä mahdollisimman lyhyttä altistusaikaa. Hetkellistä säteilyannosta mitataan annosnopeudella, jonka yksikkö voi siis olla esimerkiksi (mSv)/h .

Suomessa normaali annosnopeus on suuruusluokaltaan 0, 1 µSv/h , mutta sen saa nousemaan merkittävästi esimerkiksi hyppäämällä lentokoneeseen. Mitä korkeammalle ilmakehässä noustaan, sitä enemmän altistutaan avaruudesta tulevalle säteilylle: normaaleissa lentokorkeuksissa annosnopeus on suuruusluokaltaan jo 5 µSv/h . Vertailun vuoksi Tšernobylin hylätyiltä asuinalueilta mitataan nyt pääsääntöisesti noin 1 µSv/h lukemia, joskin jotkin alueet ovat huomattavasti pahemmin saastuneita.

Kumuloituvan efektiivisen annoksen mittaamiseen käytetään dosimetriä, jonka avulla voi mitata tiettynä aikana kerääntyneen efektiivisen annoksen. Dosimetrejä käyttävät kaikki ammatissaan ionisoivalle säteilylle mahdollisesti altistuvat, kuten ydinvoimaloiden työntekijät tai röntgenhoitajat.

Yksi Tšernobylin tragedian yksityiskohdista olivat dosimetrit, joiden asteikko loppui kesken. Päättämässä olevat henkilöt eivät uskoneet reaktorin räjähtäneen, sillä dosimetrit pystyivät näyttämään vain noin kymmenestuhannesosan todellisesta tilanteesta, jonka on annosnopeutena mitattuna esimerkiksi reaktorin kontrollihuoneessa arvioitu olleen noin 300 Sv/h .

Säteilyn hyötykäyttö

Aineen rakenteen tutkimisen lisäksi erilaisia säteilymuotoja käytetään monin muinkin tavoin hyväksi. Koska voimakas säteily tappaa soluja, sitä voidaan käyttää esimerkiksi syöpähoidoissa ja desinfioinnissa. Tutuimpia käyttökohteita lienevät lääketieteelliset kuvantamismenetelmät. Kuvantaminen ei ole yksinomaan lääketieteen erityisoikeus, vaan samanlaiset kuvausmenetelmät toimivat myös esimerkiksi rakennustekniikassa etsittäessä materiaalien rakennevikoja.

Lääketieteellinen kuvantaminen

Röntgensäteilyä on käytetty lääketieteelliseen kuvantamiseen jo yli sadan vuoden ajan. Röntgenkuvissa kehon eri materiaalit erottuvat eri tavoin, sillä säteily vuorovaikuttaa raskaiden atomien kanssa voimakkaammin kuin keveiden atomien.

Röntgensäteilyn vuorovaikutus tapahtuu sekä valon sirontana, että atomien ionisaationa. Molemmat ovat todennäköisimpiä luusta löytyvälle kalsiumille kuin pehmytkudoksissa olevalle vedystä ja hapesta koostuvalle vedelle. Fotonit vuorovaikuttavat voimakkaimmin aineen elektronien kanssa, joten sironta on sitä todennäköisempää, mitä enemmän elektroja atomilla on (elektronitiheydestä tulee näin suurempi). Ionisaatioenergia puolestaan on pienin ensimmäisen ja toisen ryhmän alkuaineille (kuten kalsiumille) ja pienenee sitä mukaa, mitä enemmän elektronikuoria atomilla on.

Tietokonetomografia (lyhenne TT, englanniksi CT) on tietokoneavusteinen tapa tuottaa kolmiulottteisia röntgenkuvia. Tavallisia kaksiulotteisia röntgenkuvia yhdistämällä saadaan esimerkiksi luun tai kasvaimen muodosta huomattavasti tavallista röntgenkuvaa tarkempi kuva. Haittapuolena on useamman röntgenkuvan ottamisesta seuraava suurempi säteilyaltistus.

Gammasäteily on röntgensäteilyä haitallisempaa, mutta sitäkin käytetään jonkin verran hyväksi myös lääketieteellisessä kuvantamisessa. Niin kutsuttu positroniemissiotopografia (lyhenne PET suomeksi ja englanniksi) perustuu elektronien ja positronien annihilaatiossa syntyvän gammasäteilyn havaitsemiseen. Kuten jo aiemmin totesimme, β -säteilyssä syntyvät positronit annihiloituvat löytäessään ensimmäisen elektronin reaktiossa:

Reaktiossa vapautuu niin paljon energiaa, että fotonit lähtevät likimain vastakkaisiin suuntiin. Lisäksi kummankin fotonin energia vastaa yhden elektronin massaa (noin 511 keV), joten niiden signaalit on helppo tunnistaa.

PET-kuvauksessa tutkittava henkilö saa β-aktiivista ainetta, joka sitoutuu niihin kudoksiin, joita halutaan tutkia. Mittaamalla runsas määrä annihilaatiossa syntyviä fotoneja voidaan muodostaa kuva näistä kudoksista, esimerkiksi syöpäkasvaimesta. Tämä tieto voidaan yhdistää TT-kuvasta saatavaan dataan tarkimman tiedon saamiseksi.

PET-kuvausta käytetään myös aivotoiminnan tutkimiseen. Kun β-aktiivinen aine liitetään sokerimolekyyliin, kulkeutuu se aivoissa niihin alueisiin, jotka ovat aktiivisia. Näin saadaan tietoa eri tilanteissa aktivoituvista aivojen alueista, mikä auttaa sekä aivojen rakenteen tutkimuksessa, että esimerkiksi Alzheimerin taudin tunnistamisessa.

TT- ja PET-kuvauksissa käytettävän ionisoivan säteilyn käyttöä voidaan välttää käyttämällä magneettikuvausta (lyhenne MRI suomeksi ja englanniksi). Magneettikuva saadaan aikaan radioaaltojen taajuudella olevalla säteilyllä, joten se on ihmiselle vaaraton kuvantamismenetelmä.

Eri kuvantamismenetelmät antavat tietenkin hieman erilaisia kuvia, joten magneettikuvaus ei sovellu esimerkiksi kaikkeen siihen, mitä PET-kuvauksella voidaan tehdä.

Kuvauksessa käytetään hyväksi atomiydinten niin kutsuttua ydinmagneettista resonanssia. Tämä viittaa atomiydinten pieneen magneettisuuteen, johon voidaan vaikuttaa voimakkaalla ulkoisella magneettikentällä. Mielikuvan tasolla voit ajatella, että ulkoisella kentällä atomiydin saadaan ”magneettiseen viritystilaan”. Viritystilan purkautuessa vapautuu radioaaltoja, jotka voidaan mitata. Eri atomiytimillä on erilaiset magneettiset momentit, joten virittämällä esimerkiksi vety-ytimiä saadaan tietoa siitä, missä kohtaa kudosta on runsaasti vettä tai muita runsaasti vetyä sisältäviä molekyylejä.

Samaa ilmiötä käytetään esimerkiksi proteiinien rakenteen tutkimiseen käytettävässä ydinmagneettisessa resonanssispektroskopiassa, eli NMR-spektroskopiassa. Sekä NMR-tutkimuksissa, että kehon magneettikuvauksessa tarvittavat magneettikentät ovat erittäin voimakkaita, NMR-kuvauksissa jopa yli 30 teslaa. Näin voimakkaiden magneettikenttien luomiseen käytetään sähkömagneetteja, joissa riittävän suuren sähkövirran aikaansaamiseksi käytetään suprajohteita, jotka puolestaan edellyttävät noin T = 4 K lämpötilaa ja nestemäisen heliumin käyttöä.

Aloita suprajohteisiin tutustuminen vaikkapa täältä:

home.cern/science/engineering/superconductivity

Syöpähoidot

Ionisoivan säteilyn DNA:lle tuhoisia vaikutuksia osataan käyttää myös hyväksi, sillä kaikki solut eivät ole toivottuja. Gammasäteilyä käytetään esimerkiksi esineiden sterilointiin ja elintarvikkeiden säteilytykseen, jonka tarkoituksena on tappaa niissä olevia taudinaiheuttajia.

Paikallisten syöpäkasvainten hoitoon käytetyssä sädehoidossa gammasäteilyllä tuhotaan syöpäsoluja joko kasvainleikkauksen jälkeen tai pienempien kasvainten kohdalla ilman leikkausta. Gammasäteilyn vaikutukset terveelle kudokselle minimoidaan käyttämällä tarkoin kohdennettuja kapeita eri suunnista tulevia säteitä. Näin vain yhteen pisteeseen tulee halutuksi ajaksi riittävä säteilyannos solujen tappamiseen ja terve kudos säästyy mahdollisimman vähillä vaurioilla. Koko kehoon levinneen syövän hoitoon sädehoito ei sovellu.

Sädehoitoonkin toki liittyy merkittäviä sivuvaikutuksia, joten sen käyttö harkitaan tarkkaan tapauskohtaisesti. Syöpähoito on aina potilaskohtainen kokonaisuus, jossa sädehoidon rinnalla käytetään yleensä myös lääkehoitona niin kutsuttuja solunsalpaajia.

Fotonien sijaan syöpäkasvainten säteilytykseen voidaan käyttää myös varattuja hiukkasia, kuten protoneita sekä boori-, hiili- tai neonioneita. Protoniterapian perusajatus on sama kuin gammasäteilyn käytössä, mutta siinä on kaksi etua kehon terveelle kudokselle.

Ensinnäkin protonisäteet saadaan ohuemmiksi, jolloin hoidettava alue saadaan paremmin rajattua. Lisäksi toisin kuin fotonit, vuorovaikuttaessaan aineen kanssa varatut hiukkaset menettävät suurimman osan energiastaan juuri ennen pysähtymistään. Säätämällä protonien energia sopivaksi saadaan protonit pysähtymään ja vuorovaikuttamaan juuri halutulla syvyydellä. Näin minimoidaan terveelle kudokselle koituvat vauriot.

Protonin vuorovaikutusta kudoksen kanssa kuvataan Braggin piikillä:

www.bnl.gov/nsrl/userguide/bragg-curves-and-peaks.php

Tehtävät

Klikkaa tehtävää nähdäksesi vastaukset.

47. Laske energian määrä, jonka U-235 fissio tuottaa, kun uraania on 3,0 kg ja keskimääräinen reaktio tuottaa 200 MeV energiaa. Olettaen, että jokainen U-235 atomi hajoaa. m235U = 235,04393 g/mol.

1,537 · 10²⁷ MeV

48. Ohessa on kaksi mahdollista fissioreaktiota uraanin isotoopille U-235. Ratkaise, kumpi niistä tuottaa enemmän energiaa.

Moolimassat:

mU = 235,0439299 u, mBa = 139,910605 u, mKr = 92,93127 u, mSr = 89,90773 u, mXe = 143,93851 u

Jälkimmäinen.

Katso malliratkaisut.

49. Ydinvoimalan energiatuotto on 840 MW ja sen hyötysuhde 28 % muuntaessa ydinenergiaa sähköenergiaksi. Kuinka suuri massa uraanin isotooppia U-235 fissioituu vuodessa, kun keskimääräinen reaktioenergia on 200 MeV. Tehtävässä voi olettaa että kaikki energia on peräisin kyseisestä reaktiosta.

1152 kg

50. Fuusiovoimalan polttoaineena käytettävää deuteriumia saadaan merivedestä, jossa sitä on luonnostaan 0.015 % vedystä. Kuinka monta kuutiometriä merivettä tarvitset jos haluat eristää 300 mol deuteriumia? Laskeeko merenpinta huomattavasti?

18 m³

51. Yksi fuusiovoimaloihin liittyvistä haasteista on vedyn radioaktiivisen isotoopin, tritiumin, keräänyminen reaktorin seinämämateriaaleihin. Olettaen, että tritiumia on kertynyt seinämään 5 g reaktorin toiminnan aikana. Ratkaise, kuinka monta vuotta kestää ennenkuin seinämän aktiivisuus on saman verran kuin turvallisena ehdotettu raja litran juomaveden tritium-pitoisuudelle 20 Bq¹. Tritiumin puoliintumisaika on 12.3 vuotta.

¹ Human Health and the Biological Effects of Tritium in Drinking Water: Prudent Policy Through Science – Addressing the ODWAC New Recommendation. ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3057633

570 a

52. Vetypommin polttoaineena käytetään litiumia, joka fuusioituu deuteriumin kanssa tuottaen kaksi helium atomia. Kuinka monta kiloa polttoainetta tarvitset, jotta pommista vapautuu saman verran energiaa kuin tonnista TNT:tä ETNT = 4,184 GJ.

1,59 · 10⁻⁵ kg

53. Kuvassa on esitettymä säteilyn intensiteetin vaimeneminen kolmessa eri materiaalissa. Ratkaise kuvaajasta materiaalien puoliintumispaksuus.

1. Materiaali: 3,5 cm

2. Materiaali: 1 cm

3. Materiaali: 8,5 cm

54. Röntgenkuvauksesta aiheutuvaa säteilyrasitusta minimoidaan käyttämällä lyijysuojia. Kuinka paksu suojan tulee olla, jotta se vaimentaisi röntgensäteilystä 90 %. Lyijyn vaimennuskerroin on 165 1/cm .

0,014 cm

55. Ratkaise betonin vaimennuskerroin, kun säteilyn intensiteetti puolittuu 7 cm matkalla.

0,1 1/cm

56. Ratkaise, kuinka paksu alumiinisuoja tarvitaan, jotta se vaimentaisi 99.9 % röntgensäteilystä kuvantamisen aikana. Alumiinin vaimennuskerroin on 3.02 1/cm . Miksi alumiinia ei käytetä röntgensuojana, vaikka se on lyijyä halvempaa?

2,3 cm

57. Poronliha sisälätää cesium-137 isotooppia ja 500 g:n annos lihaa aiheuttaa 0,004 mSv efektiivisen annoksen². Kuinka monta kiloa poroa pitää syödä, jotta efektiivinen säteilyannos on samansuuruinen kuin 7 tunnin lennolla. Lennolla annosnopeus on 5 µSv/h.

² Säteilyturvakeskus, stuk.fi/aiheet/mita-sateily-on/ionisoiva-sateily

4,375 kg

58. Kuinka kauan voit oleskella Tšernobylin reaktorin kontrollihuoneessa katastrofin aikaan, jotta saat saman efektiivisen säteilyannoksen kuin koko elinikäsi aikana Suomessa? Suomessa efektiivinen annos on 3.2 µSv/vuosi ja Tšernobylin kontrollihuoneessa annosnopeus oli 300 Sv/h.

3,1 s

59. Porakaivojen veden radonpitoisuudesta aiheutuva aktiivisuus on keskimäärin 500 Bq/litra. Juot aamulla litran porakaivon vettä, ja 12 h myöhemmin illalla toisen litran. Mikä on kehosi aktiivisuus 7 tunnin päästä jälkimmäisen litran juomisesta? Oleta, että aktiivisuuden vähenemiseen vaikutattaa vain fysikaalinen puoliintumisaika. Radonin puoliintumisaika on 3,8 päivää.

906,9 Bq

60. Kuinka montaa tuntia lentokoneessa vastaavat seuraavat kuvaustoimenpiteet. Lentokoneessa annosnopeus 5 µSv/h.

a) PET-TT koko kehon tutkimus, jossa efektiivinen säteilyannos on 5.9 mSv.

b) Röntgenkuvauksessa keuhkokuvaus, jossa efektiivinen säteilyannos on 0.03 mSv.

c) Tietokonetomografia vatsakuvaus, jossa efektiivinen säteilyannos on 7 mSv.

a) 1180 h

b) 6h

c) 1400 h