Ydinreaktioiden ja säteilyn sovelluksia

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.

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%.

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.

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

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

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.

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

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.

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

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.

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.

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 positroniemissiotomografia (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.

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.

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.