Nükleer Fizik II Ders Notları - 14.
Nükleer Uygulamalar
2012-2013 Bahar Dönemi
Nükleer Fizik II
Bölüm 14. Nükleer Uygulamalar
Prof.Dr. Ahmet BOZKURT
Harran Üni., Fen-Edebiyat Fak., Fizik Böl., Şanlıurfa
Email: [email protected]
Web: http://ahmetbozkurt69.wordpress.com/dersler/
Ders kitabı: Modern Nuclear Chemistry, Loveland, Morrıssey, Seaborg, Wiley, 2006
Kaynak kitap: Nükleer Fizik I&II, Kenneth S. Krane, Palme Yayıncılık, 2001
14.1 Radyoaktivite ile Bilimsel Analiz Teknikleri
Nükleer Manyetik Rezonans
Yöntem, 1946’da keşfedilmiştir. Tıpta ve adli bilimlerde geniş kullanıma
sahiptir. Farklı maddelerin analizinde yararlanılır. Manyetik alan içindeki bir
çekirdeğin rezonansı ya da titreşimine Nükleer Manyetik Rezonans adı
verilir. Tıptaki uygulaması manyetik resonans görüntüleme olarak bilinir.
Radyoaktivite ya da iyonize radyasyon içermez. Şiddetli bir manyetik alan
içerisine yerleştirilen ve üzerlerine belli frekansta radyo dalgaları gönderilen
çekirdekler, gelen radyo dalgalarının enerjisini soğurarak düşük enerjili bir
taban durumdan yüksek enerjili bir uyarılmış duruma geçiş yaparlar. Bu
durumdaki çekirdeğin rezonansa girdiği söylenir ve bu farklı enerji
durumları manyetik momentler olarak bilinir. Manyetik alan olmazsa,
çekirdeğin manyetik momenti olmaz, çekirdek farklı enerji durumlarında
bulunamaz, dolayısıyla radyo dalgalarının enerjisini soğuramaz.
Prof.Dr. Ahmet BOZKURT, Harran Üni.,
Fizik Böl.
1
Nükleer Fizik II Ders Notları - 14.
Nükleer Uygulamalar
2012-2013 Bahar Dönemi
NMR Spektroskopi
Moleküllerin yapılarını ve bağlarını
incelemeye yarar. Diğer atomlara
bağlanmamış serbest hidrojen atomları bir
manyetik alan içerisindeyken 42.58 MHz
frekanslı radyo dalgalarını soğurabilirler.
Bağlı hidrojen atomları için bu değer biraz farklıdır. Bu farktan
yararlanılarak bilinmeyen bir bileşik hakkına bilgi alınabilir.
İzleme ve Radyoizleyiciler
Radyoizotopların yaydığı enerjilere bakarak nereden yayınlandıkları
belirlenebilir. Bu yöntemle bir bileşiğin bir bitkinin ya da hayvanın
vücudunda nasıl kullanıldığına bakılabilir. Deneğe bir bileşik halinde verilen
radyoizotop, bünyede ilerlerken yayımlanan radyasyon izini bırakır ve
dedektörler yardımıyla bu radyoizotopun nasıl tüketildiğine dair bilgi elde
edilir. Bu amaçla kullanılabilecek radyoizotoplar: 3H, 11C, 14C, 32P, 33P,
35S, 123I, 125I
14.2 Radyasyon Gözlemleri
Çevresel radyoaktivite ölçümleri
Kişisel radyasyon ölçümleri
Gümrük kapıları
Prof.Dr. Ahmet BOZKURT, Harran Üni.,
Fizik Böl.
2
Nükleer Fizik II Ders Notları - 14.
Nükleer Uygulamalar
2012-2013 Bahar Dönemi
14.3 Reaktörler
Araştırma reaktörleri
Temelde nötron kaynağı olarak kullanılırlar. Güç reaktörlerine göre daha
küçük olduklarından daha az nükleer yakıt kullanırlar. Bu reaktörlerde
araştırma amaçlı deneyler gerçekleştirildiği gibi, tıptai tarımda ve
endüstride kullanılan radyoizotopların üretimi de yapılır. Dünyanın değişik
bölgelerinde faaliyet gösteren yüzlerce araştırma reaktörü vardır.
Türkiye’de üç tane araştırma reaktörü vardır:
Tesis
ITU-TRIGA
Termal Güç (kW) Türü
Durum
250 TRIGA MARK II Kapalı
TR-1
1000 Havuz
Kapalı
TR-2
5000 Havuz
Yakıt yükleniyor ???
Güç Reaktörleri
• Nükleer reaksiyonlardan açığa çıkan enerjiyi ısıya ve sonra elektrik üenerjisine
dönüştüren sistemlerdir. Kaynayan su buharlaşıp bir türbini döndürdüğünde
bağlı jeneratörde elektrik üretilmiş olur. Ölçek olarak büyük tesislerdir. 1000 MW
güce sahip bir santral her yıl birkaç top zenginleştirilmiş uranyumu yakıt olarak
kullanır. Kütle ve hacim olarak, bu yakıt termik sntrallerde kullanılan kömürden
çok çok azdır.
• Nükleer santrallerin ömrü 30 yıl kadardır. Tesisteki radyoaktivite birikiminden ve
yapısal bileşenlerden nötron radyasyonu ve ısıdan kaynaklanan aşınmalardan
dolayı bu sürenin sonunda kapatılırlar. Nükleer enerji, kullanılan yakıt kütlesinin
enerjiye oranı açısından diğer tüm enerji kaynaklarından daha verimlidir. Fosil
yakıtlar yörünge elektronlarındaki eV mertebesinde kimyasal enerjiden
faydalanırken, nükleer yakıt atomun çekirdeğindeki MeV mertebesinde enerjiyi
kullanır.
• Dünyadaki fosil yakıtlar hızla tükenmektedir. Bugün dünya elektrik üretiminin
%18’i nükleer kaynaklıdır. Bu miktarı termik santrallerde üretseydik, milyarlarca
ton kömür yakmamız gerekirdi.  Sera etkisi
• Nükleer enerji daha temiz bir enerji kaynağıdır. Ancak
nükleer reaktörün çalışmasıyla üretilen radyoaktif atıklar
sorun teşkil etmektedir.
• Yenilenebilir bir enerji kaynağı değildir, ancak ileri teknoloji
reaktörlerinde 238U’nun nötronlarla ışınlanması ve 239Pu
oluşturması yoluyla yeni nükleer yakıtlar üretilebilecektir.
Prof.Dr. Ahmet BOZKURT, Harran Üni.,
Fizik Böl.
3
Nükleer Fizik II Ders Notları - 14.
Nükleer Uygulamalar
2012-2013 Bahar Dönemi
14.4 Radyoaktivite ve Radyasyonun Tıptaki Uygulamaları
Radyoizotoplar ve Radyofarmasötikler (Nükleer Tıp)
Tıpta kullanılan radyoizotop içeren maddelere
radyofarmasötik adı verilir. Bir çok nükleer tıp
prosedüründe kullanılırlar. Vücutta bulunan sıradan
bir bileşiğe benzerler ancak radyoaktif bir atom
içerirler (etiketlenirler). Radyasyon dedektörleri
(gama kameraları) yardımı ile vücut içinde izlenebilirler.
Mannetik Rezonans Görüntüleme
Radyo dalgalarına mazruz kalan manyetik alan içindeki çekirdeklerin
titreşmeleri prensibine dayanır. Vücudun farklı bölgelerini (özellikle beyin)
taramada kullanılan ve BT’ye ve ultrasona kıyasla oldukça kesin görüntüler
sağlayan bir analiz yöntemidir (çözünürlük: 0.5-1 mm).
Radyoterapi
Belli bir dozun üzerindeki radyasyon alımı kansere
yolaçmasına rağmen, kanseri tedavi etmede de kullanılır.
Radyasyona maruz bırakılan dokudaki kanserli hücreler
ölürler veya çoğalma özelliklerini yitirirler. Ancak sağlıklı
dokuların bir kısmının da radyasyon alması kaçınılmazdır. Bunun sonucunda
hastada gözlenecek yan etkileri azaltmak için dar demetler tercih edilebilir. Ayrıca
demet hasta etrafında döndürebilir.
Emisyon Tomografi
SPECT: Tek foton yayılımı tomografisi, hastaya bir radyofarmasötik
verilmesi ve bir gama kamerayı hasta etrafında döndürerek
yayımlanan radyasyonu farklı açılardan dedekte etme prensibine
dayanır. Farklı açılardan yapılan ölçümler bilgisayarda birleştirilerek görüntü
oluşturulur.
PET: Pozitron yayılımı tomografisinde, 11C, 13 N veya 15O gibi pozitron yayan ve
incelenecek vücut bölgesinde toplanma özelliği olan radyofarmasötikler hastaya
verilir. Yayımlanan bir pozitron elektronla çarpışınca her ikisi yoklur ve zıt yönde
hareket eden bir çift gama fotonu yayımlanır. Hasta etrafına yerleştirilen dedektör
ringi gamaları dedekte eder ve bilgisayar kaydedilen gamaların arasındaki süre
farkını kaydederek yokolma reaksiyonunun nerede gerçekleştiğini hesaplar.
(Çözünürlük: 8 cm)
Prof.Dr. Ahmet BOZKURT, Harran Üni.,
Fizik Böl.
4
Nükleer Fizik II Ders Notları - 14.
Nükleer Uygulamalar
2012-2013 Bahar Dönemi
14.5 Gıda ve Tarımda Radyoaktivite Uygulamaları
Zirai İzleyiciler
• Tıpta kullanılan izleyicilere benzer izleyicilerden, bitkilerin gübre alımını
gözleme ve böylece gübre ve zirai ilaçların optimum kullanımını
sağlamada yararlanılır.
– Tasarruf ve kimyasal kirliliği azaltma
– 15N ve 32P
• Radyoizotoplardan yayımlanan iyonize radyasyon, kuraklığa ve
hastalıklara dayanıklı, yüksek verimli ve kısa sürede yetişebilen bitki
türleri elde etmede işe yarar.
Zararlı Kontrolü
• Bitki zararlıları, mahsüllerin %10’unu yoketmektedir. İyonize
radyasyonla kısırlaştırılmış böcek türlerini doğaya salarak, bitki
zararlılarının aşırı çoğalması engellenebilir.
• Kimyevi böcek öldürücülere göre bu yöntem daha güvenlidir., çünkü
böcekler zamanla kimyasal maddelere karşı direnç
geliştirebilmektedirler.
• Bu yöntem Birleşmiş Milletler Gıda ve Tarım Teşkilatı (FAO) ile Uluslar
arası Atom Enerjisi Ajansı tarafından desteklenmektedir.
Gıda Koruma
• Gıdaları iyonize radyasyon ile ışınlayarak dayanımlarını ve raf
ömürlerini arttırabiliriz.
• Gıdalar ışınlandığında içlerindeki bakteriler öldüğünden, bozulma ve
hastalık oluşumu gözlenmez. Böylece daha uzun süre dayanabilirler.
• Işınlama işlemi, hızlamdırılmış elektronlar veya Co60 ya da Cs137
kaynaklı gama ışınları ile gerçekleştirilebilir.
• Bu şekilde ışınlanan gıdaların radyoaktif hale gelmesi sözkonusu
değildir.
Prof.Dr. Ahmet BOZKURT, Harran Üni.,
Fizik Böl.
5
Nükleer Fizik II Ders Notları - 14.
Nükleer Uygulamalar
2012-2013 Bahar Dönemi
14.6 Endüstride Radyoaktivite Uygulamaları
Gama Radyografi
Uçak ekipmanları ve gaz/boru hatlarındaki
kaynaklarda çatlak ve benzeri hasarların oluşup
oluşmadığı düzenli bir şekilde izlenir. Bu işlem 192Ir
gibi radyoaktif kaynaklarla yapıldığında gama
radyografi adı verilir. Temelde kemiklerdeki çatlakları gözlemede kullanılan
röntgen çekimlerine benzer. Filmi çekilecek cihaz, radyasyon kaynağının
bir tarafına konur. Fotoğraf plakası da diğer tarafa yerleştirilir. Çatlaklardan
geçen radyasyon, fotoğrafda görünür hale gelir.
Ölçüm ve Endüstriyel Analizler
Radyoizotoplar, viskozite, yoğunluk ve kalınlık gibi niceliklerin
belirlenmesinde kullanılabilir. Radyasyon doğrudan temas
gerektirmediğinden, yüksek sıcaklık veya aşındırıcı
kimyasalların olduğu ortamlarda bu yöntem oldukça
yarayışlıdır. Radyasyonun intensitesinin maddeden geçtiğinde zayıflaması
prensibine dayanır. Dedektör ve kaynak arasındaki malzemenin miktarı,
gelen ve geçen radyasyon miktarı ile ilişkilendirilir. Seri üretimlerde kalite
kontrolü amaçlı olarakta işe yarar.
Güç Kaynakları
Küçük miktarlarda protatif güç gereksinimi durumlarında
meteoroloji balonları, işaret fenerleri gibi) radyoizotoplar
güç kaynağı olarak kullanılabilir. Pillere göre daha
çevre dostudurular.
Çevresel Gözlemler
Yer altı suları ve kayalardaki havadaki radyoaktivite miktarının belirlenmesi
yoluyla su kaynaklarının rezervleri ve ne kadar hızla tükenmekte oldukları
tespit edilebilir. Radyoaktivite analizleri yapılarak, okyanuslardaki kirliliğe
neyin sebep olduğu tespit edilebilir. Toprak aşınmasının hızı ve boyutunun
radyoizotop yöntemlerle belirlenmesi mümkündür.
Prof.Dr. Ahmet BOZKURT, Harran Üni.,
Fizik Böl.
6
Nükleer Fizik II Ders Notları - 14.
Nükleer Uygulamalar
2012-2013 Bahar Dönemi
14.7 Evlerde Radyoaktivite
Duman Dedektörleri
Am241 kaynaklı duman dedektörleri evlerde yangın durumunu belirlemede
kullanılır. Kaynak bir hava odacığının içerisinde yeralır. Yaydığı alfa
parçacıkları hava molekülleri ile çarpıştığında iyonizasyona yolaçar ve
böylece odacığın her bir tarafına yerleştirilmiş elektrotlar arasında bir
elektrik akımı oluşur. Odacığa duman girdiğinde ise iyonize moleküller
duman parçacıkların yapışacaklarından elektrik akımında düşme olur. Bağlı
bir elektrik devresi, akımda bu tür bir düşüş tespit ettiğinde alarm çalar.
Tipik aktivite 35kBq civarındadır.
http://library.thinkquest.org/C004606/applications/smokedetectorsim.html
14.8 Nükleer Silahlar
• Askeri hedefleri yoketmede, konvansiyonel silahlara göre binlerce kat
daha etkindirler. Konvansiyonel silahlarda kimyasal patlayıcılar kullanılır
Bu tür silahlar tahrip edici etkilerini atomun yörüngelerindeki elektronları
(eV mertebesinde bağlanma enerjisi) ilgilendiren kimyasal süreçlerden
alırlar. Nükleer silahlar ise atomun çekirdeğini ilgilendiren (MeV
mertebesinde bağ. enerjisi) nükleer reaskiyonları kullanırlar.
• İlk nükleer silahlar 2. Dünya Savaşı sırasında ABD’de Manhattan Projesi
kapsamında geliştirildiler. Gizli tutulan bu proje, New Mexico’daki Los
Alamos Ulusal Laboratuvarı’nda yürütülmekteydi.ABD tarafından
kullanılan ilk nükleer silahlar Japonya üzerine atıldı ve 150bin insanın
bir anda ölümüne yolaçacak güçteydi. Ancak daha fazla insan ise
bombanın radyasyon etkilerinden dolayı daha sonra ölmüştü.
• Nükleer silahsızlanma anlaşmaları
Prof.Dr. Ahmet BOZKURT, Harran Üni.,
Fizik Böl.
7
Download

Nükleer uygulamalar - Prof.Dr. Ahmet Bozkurt