Jadrová energia – Neutrónmi do handry z kozmickej lode.

Využívanie neutrónovej aktivačnej analýzy nám dáva obrovské možnosti.

Písmo: A- | A+
Diskusia  (1)

Neutrónová aktivačná analýza (Neutron activation analysis - NAA) je jadrový proces používaný na určenie koncentrácií prvkov v obrovskom množstve materiálov. NAA sa spolieha na excitáciu neutrónmi, takže upravená vzorka vyžaruje gama žiarenie. Umožňuje presnú identifikáciu a kvantifikáciu prvkov, predovšetkým stopových prvkov vo vzorke. NAA má aplikácie v chémii, ale aj v iných oblastiach výskumu, ako je geológia, archeológia, medicína, monitorovanie životného prostredia a dokonca aj vo forenznej vede.

SkryťVypnúť reklamu
Článok pokračuje pod video reklamou

Metóda je založená na aktivácii neutrónov, a preto vyžaduje zdroj neutrónov. Vzorka je bombardovaná neutrónmi, čo spôsobuje, že prvky vytvárajú rádioaktívne izotopy. Rádioaktívne emisie a dráhy rádioaktívneho rozpadu každého prvku sú dobre známe. Pomocou týchto informácií je možné študovať spektrá emisií rádioaktívnej vzorky a určiť koncentrácie prvkov v nej. Zvláštnou výhodou tejto techniky je, že neničí vzorku, a preto sa používa na analýzu umeleckých diel a historických artefaktov.

Neutrónová aktivačná analýza je veľmi citlivá, a preto sa používa na analýzu minoritných prvkov, ktoré sú prítomné vo veľmi nízkych koncentráciách. Metóda je užitočná najmä na analýzu stopových prvkov, napr. vo vysoko čistých látkach, a preto je dôležitý v polovodičových technikách. Môže sa použiť aj na detekciu stopových prvkov vo vode, biologickom materiáli a mineráloch. V archeológii môže NAA poskytnúť užitočné informácie o pôvode nálezov podľa takzvaného „odtlačku prsta“ zloženia jednotlivých prvkov v ich surovinách. Zvyčajne sa používa ako dôležitá referencia pre iné analytické metódy.

SkryťVypnúť reklamu

NAA dokáže detegovať až 74 prvkov v závislosti od experimentálneho postupu s minimálnymi detekčnými limitmi v rozmedzí od 10-7 do 10-15 g/g, v závislosti od prvkov a materiálov matrice.

Niektoré jadrá môžu zachytiť množstvo neutrónov a zostať relatívne stabilné, pričom neprechádzajú transmutáciou alebo rozpadom po mnoho mesiacov alebo dokonca rokov.

Rôzne jadrá majú rôzne prierezy a polčasy rozpadu a tiež sa môžu meniť intenzity emitovaného gama žiarenia – preto sú limity detekcie dosť variabilné. Prvky vzácnych zemín (REE) majú veľmi vysoké prierezy tepelných neutrónov a NAA je zvyčajne prvou voľbou na stanovenie REE v analýze stopových prvkov.

SkryťVypnúť reklamu

 Ako to funguje?

Obrázok blogu

Neutrónová aktivačná analýza je metóda na kvalitatívne a kvantitatívne stanovenie prvkov založená na meraní parametrov žiarenia emitovaného pri rozpade rádioaktívnych jadier vznikajúcich pri ožarovaní materiálov neutrónmi. Zdrojom neutrónov môže byť v tomto prípade výskumný alebo energetický reaktor.

Vzorka je bombardovaná neutrónmi, po ktorých sa jadrá dostanú do excitovaného stavu a potom sa vrátia do základného stavu, pričom vyžarujú gama lúče. Registrácia intenzity a energie žiarenia gama, ako aj polčasov rozpadov rádioaktívnych jadier umožňuje získať spektrum žiarenia a určiť zloženie vzorky. Súčasne so vzorkou, o ktorú majú vedci záujem, sa ožarujú aj štandardné vzorky, ktorých zloženie je dobre známe. Porovnaním výsledkov je možné zistiť nielen prítomnosť určitého prvku vo vzorke, ale aj jeho množstvo. Keďže aktivačná analýza je založená na jadrových procesoch, jej výsledky nezávisia od tvaru prvku a umožňujú určiť jeho celkový obsah. Vzorka nie je zničená. Spočiatku bola aktivačná analýza technikou na analýzu geologických vzoriek; postupom času sa začala využívať v biológii, archeológii a iných vedných odboroch.

SkryťVypnúť reklamu

Vedci v súčasnosti napríklad navrhujú novú metódu transformácie popola z klasických elektrární na materiály, ktoré by sa dali použiť na spracovanie jadrového odpadu alebo na sanáciu pôdy. 

Handra z kozmickej lode (či špinavý uterák z ISS)

Obrázok blogu

Aj Spoločný ústav pre jadrový výskum v Dubne (v Rusku) je jedným z mála miest vo svete, kde sa používa metóda analýzy aktiváciou neutrónov.

Medzinárodná medzivládna organizácia – SÚJV v Dubne bol založený 26. marca 1956, podpísaním dohody 11-ich členských štátov v Moskve, vrátane bývalého Československa. Slovenská republika je riadnym členom SÚJV od 1. januára 1993. V súčasnej dobe má SÚJV cca 3 500 zamestnancov a skladá sa zo siedmich laboratórií:

-       Veksler-Baldinovo Laboratórium fyziky vysokých energií (VBLFVE)

-       Bogoliubovo Laboratórium teoretrickej fyziky (BLTF)

-       Dželepovo Laboratórium jadrových problémov (DLJP)

-       Flerovovo Laboratórium jadrových reakcií (FLJR)

-       Frankovo Laboratórium neutrónovej fyziky (FLNF)

-       Laboratórium informačných technológií (LIT)

-       Laboratórium radiačnej biológie (LRB)

V rámci SÚJV od roku 1993 existuje Univerzitné centrum (UC), poskytujúce vzdelávanie študentov z členských a asociovaných štátov SÚJV.

 V rámci kozmického experimentu „Test“ skúmali v Spoločnom ústave pre jadrový výskum v Dubne handru (rolku bavlnenej látky) umiestnenú astronautmi na MKS – ISS.

Obrázok blogu

 Technická poznámka: Medzinárodná vesmírna stanica (International Space Station; skratka: ISS;  resp. МКС – MKS) je v súčasnosti (rok 2022) jedna z dvoch trvalo obývaných vesmírnych staníc na obežnej dráhe Zeme (ďalšou je Čínska vesmírna stanica). ISS sa skladá z viacerých modulov. Jej výstavba začala vypustením prvého modulu Zarja 20. novembra 1998 a prvá stála posádka na ňu vstúpila 2. novembra 2000 a odvtedy sa približne každých 6 mesiacov posádky menia. Vesmírna stanica ISS je na obežnej dráhe okolo Zeme vo výške okolo 420 km, a tento typ dráhy sa zvyčajne nazýva „nízka obežná dráha“. Zem obehne raz za približne 90 minút, čo je cca 15,5-krát za jeden deň. Na orbite ju udržujú manévre pomocou motorov modulu Zvezda alebo práve prítomných kozmických lodí. V súčasnosti predstavuje najväčšie umelé teleso na obežnej dráhe viditeľné voľným okom. ISS slúži ako výskumné stredisko s vlastnou mikrogravitáciou a vesmírnym prostredím, v ktorom posádka vykonáva experimenty z biológie, fyziky, astronómie a iných oblastí. Stanica je pripravená na testovanie vybavenia a vesmírnych plavidiel potrebných pre misie na Mesiac a Mars.

 Tú handru kozmonauti 10. marca 2009 pripevnili na vonkajší povrch ISS a o desať rokov (v roku 2019) ju odtiaľ odstránili a bola privezená na Zem.

 Na určenie elementárneho zloženia tkaniva použili dva fragmenty (jednu čistú – kontrolnú handru, ktorá nebola vo vesmíre a druhú – tú originálnu, ktorá bola na MKS – ISS kontaminovaná).

Úlohou bolo určiť prvky, ktoré sa za tento čas usadili na materiáli.

Faktom je, že časom sa povrch kozmickej lode kontaminuje sedimentom neznámeho pôvodu.

Zaujímavosťou však je, že povrch ISS je znečistený len z jednej strany – ako keby sa prach pohyboval v prúde nasmerovanom k ​​stanici.

Na Zemi by takéto znečistenie nerobilo problémy, no vo vesmíre spôsobuje prehrievanie povrchov, tepelnú deformáciu a ďalšie problémy vedúce k poškodeniu kozmických lodí.

Navyše, malé častice pohybujúce sa vesmírnou rýchlosťou sú schopné interagovať s hliníkovými krytmi modulov staníc a prenikať do povrchových vrstiev kovu, čo vedie k zhoršeniu jeho vlastností.

Pre plánovanie budúcich vesmírnych letov je preto veľmi dôležité vedieť, o aký druh sedimentu ide, z čoho pozostáva a ako ovplyvňuje konštrukčné materiály.

 Špecialisti Spoločného ústavu pre jadrový výskum v Dubne po vykonaní analýzy neutrónovej aktivácie tkaniva našli v kontaminovanom fragmente 39 prvkov ale v čistom fragmente len 19.

Napríklad našli irídium - to sú fragmenty prachu z komét a asteroidov.

Našli horčík, kremík, železo, urán a tórium – ktoré mali tiež kozmický pôvod. Ďalším zdrojom znečistenia je samotná ISS.

Stanica je postavená prevažne z hliníka, zatiaľ čo potrubia sú vyrobené z nehrdzavejúcej ocele a zliatin titánu.

Našli aj rénium, ktoré sa na stanicu dostalo zo Zeme spolu so sopečným popolom.

Tieto častice (vyvrhované vulkánmi) dosahujú niekedy až výšku obežnej dráhy v dôsledku zložitého procesu elektro-termálnej difúzie, ktorá môže zdvihnúť častice až tak vysoko nahor.

 Výsledky tejto práce boli publikované a dopad sa hneď prejavil. Vedenie ruského Roskosmosu im hneď po analýze fragmentov z kozmickej handry dalo objednávku na analýzu asi 50 vzoriek meteoritov, vrátane toho veľmi známeho „Čeľjabinského“.

Len tak mimochodom - George de Hevesy

Neutrónovú aktivačnú analýzu prvýkrát použil (vytvoril) náš hrdina z predošlého príbehu o rozpustení zlatých medailí Nobelovej ceny.

Obrázok blogu

George de Hevesy (tiež neskorší laureát Nobelovej ceny) to urobil počas spolupráce s Hilde Levi (1909 – 2003) na Inštitúte teoretickej fyziky Nielsa Bohra v Kodani a informácia o NAA prvýkrát bola publikovaná v roku 1936 (de Hevesy a Levi, 1936a, b).

Obrázok blogu

Hilde Levi (9. mája 1909 – 26. júla 2003) bola nemecko-dánska fyzička. Bola priekopníčkou využívania rádioaktívnych izotopov v biológii a medicíne, najmä techník rádiokarbónového datovania a autorádiografie. Neskôr sa stala vedeckou historičkou a vydala biografiu Georgea de Hevesyho. Hilde Levi získala doktorát z fyziky a chémie na univerzite v Berlíne v roku 1934, čo bolo počas ranej fázy Hitlerovej diktatúry. Kvôli svojmu židovskému pôvodu odišla z Nemecka a získala pomoc od dánskej pobočky Medzinárodnej federácie univerzitných žien, ktorá jej zabezpečila spojenie s Dánskom a zamestnanie v Inštitúte Nielsa Bohra. Tam sa stala spolupracovníčkou vo výskume s Georgeom de Hevesy v čase jeho priekopníckej práce na aplikácii izotopových indikátorov v biologickom výskume. V biografii o Georgovi de Hevesym, ktorú napísala Hilde Levi (1985), uviedla svoje spomienky na tento historický objav takto:

Najdôležitejším objavom z tohto krátkeho obdobia výskumu bol základný vývoj neutrónovej aktivačnej analýzy. .....separácia a čistenie rôznych prvkov v rámci skupiny vzácnych zemín bolo mimoriadne zložité. Chemici v mnohých krajinách stále riešili tento problém pomocou klasických metód analytickej chémie. Hevesy navrhol, aby sme ako prostriedok identifikácie využili charakteristickú dobu rozpadu každého z týchto prvkov a ich relatívnej intenzity aktivácie po bombardovaní neutrónmi. Týmto spôsobom by sa dala určiť ich prítomnosť v akejkoľvek neznámej zmesi. V ranej fáze tejto práce sme pozorovali, že s dostupnými zdrojmi neutrónov bola najsilnejšia aktivita indukovaná v prvku vzácnych zemín dysprosium. Preto bolo ľahké detegovať čo i len nepatrné množstvo zlúčeniny dysprosia prítomnej ako nečistota v soli akéhokoľvek iného prvku vzácnych zemín. Toto zistenie bolo publikované v roku 1936.

Ako hovorí staré múdre porekadlo – „Aj to čo je zabalené iba v handre - môže byť nakoniec aj zlato“!

Marian Nanias

Marian Nanias

Bloger 
Populárny bloger
  • Počet článkov:  212
  •  | 
  • Páči sa:  210x

Jadrovy inzinier ktory prezil cely svoj profesionalny zivot v jadrovej energetike na roznych pracovnych postoch, od prevadzkovania jadrovej elektrarne az po ovplyvnovanie energetickej politiky na urovni EU. Zoznam autorových rubrík:  NezaradenéSúkromné

Prémioví blogeri

Lucia Šicková

Lucia Šicková

4 články
Pavol Koprda

Pavol Koprda

9 článkov
Matúš Sarvaš

Matúš Sarvaš

2 články
Martina Hilbertová

Martina Hilbertová

47 článkov
Zmudri.sk

Zmudri.sk

3 články
SkryťZatvoriť reklamu