Jadrová energia - Zabudnuté dedičstvo.
Americké jadrové reaktory postavené pôvodne na výrobu atómových bômb boli neskôr využívané aj na mierové vedecké použitie.
V dnešných dňoch sú často v novinách a časopisoch články o prvej skúške atómovej bomby, či jadrovom programe Manhattan, ktorý pomohol USA presvedčiť Japonsko aby kapitulovalo, čo znamenalo koniec II. Svetovej vojny. Aj ja som tu podobný článok minulý týždeň napísal. Reakcie a diskusné poznámky sú na tieto články sú v drvivej väčšine odmietavé a komentujúce nezmyselnosť vojny a odmietanie zbraní hromadného ničenia. A tak je to aj správne.....
Na druhej strane, keď sa pozrieme do dejín ľudstva, nájdeme tam presvedčivé dôkazy, že prakticky skoro úplne všetky nové vynálezy a vylepšenia boli vždy najprv použité vo vojenskej oblasti, a až potom, neskôr (ak vôbec) boli z nich ako „vedľajší produkt“ veľmi často až prekvapujúco úspešne použité veci pre podnikanie, ochranu života, skrátka pre mierumilovné účely.
Keby sme hľadali, našli by sme stovky takýchto príkladov, a jeden z takých známych je napríklad softwarová aplikácia MS Project Management, ktorá bola vlastne pôvodne vyvinutá Američanmi pre vojenský program „Star Wars“.
Podobne to bolo a aj je aj v oblasti jadrovej energie.
Dnes už pravdepodobne nikoho ani nenapadne, že napríklad také skenovanie, či genetické testy predstavujú prvky zabudnutého dedičstva práve „Projektu Manhattan“. To čo ich spája, sú izotopy, ktoré boli nasadené vo vedeckých laboratóriách a nemocniciach už pred druhou svetovou vojnou a počas nej.
Čo sú to izotopy?
Izotopy (z gréčtiny „Izos“ - „rovnaké“, „identické“ a „topos“ - „miesto“) – sú vlastne „odrody“ atómov (a jadier) každého chemického prvku, ktoré majú rovnaké atómové (poradové) číslo, ale zároveň rôzne čísla hmotnosti. Názov je spôsobený skutočnosťou, že všetky izotopy jedného atómu sú umiestnené na rovnakom mieste (v jednej bunke) periodickej tabuľky. Chemické vlastnosti atómu závisia od štruktúry elektrónového obalu, ktorý je zase určený hlavne nábojom jadra „Z“ (t.j. počtom protónov v ňom) a je takmer nezávislý od jeho hmotnostného čísla „A“ (t.j. od celkového počtu protónov Z a neutrónov N).
Všetky izotopy jedného prvku majú rovnaký jadrový náboj, líšia sa iba počtom neutrónov. Typicky je izotop označený symbolom chemického prvku, ktorého sa týka, s pridaním horného ľavého indexu označujúceho hmotnostné číslo (napríklad 12C, 222Rn). Názov prvku sa tiež často píše aj pridaním čísla hmotnosti cez spojovník (napríklad uhlík-12, radón-222). Niektoré izotopy majú tradičné vlastné názvy (napríklad deutérium, aktinón). V princípe existujú stabilné (stabilné) a rádioaktívne (nestabilné) izotopy. K marcu 2017 bolo doteraz známych až 3437 izotopov všetkých prvkov.
Samozrejme že izotopy nie sú ničím novým.
Existenciu izotopov ako prvý predpokladal v roku 1913 rádio-chemik Frederick Soddy na základe štúdií rádioaktívnych rozpadových reťazcov, ktoré mu naznačovali, že medzi uránom a olovom je asi 40 rôznych druhov označovaných ako rádio-elementy (tj rádioaktívne prvky), hoci periodická tabuľka počítala medzi olovom a uránom iba s 11 prvkami. S prvým dôkazom o viacerých izotopoch stabilného (nerádioaktívneho) prvku prišiel J. J. Thomson v roku 1912 ako súčasť svojho výskumu zloženia tzv. katódových lúčov (pozitívnych iónov). Niektoré izotopy sú stabilné, ktoré existujú už celé veky, zatiaľ čo iné sú nestabilné alebo rádioaktívne. Tieto takzvané rádioizotopy sa nakoniec rozpadajú na nejaký iný prvok alebo izotop, pričom v procese emitujú žiarenie vo forme častice alebo energetického gama lúča, a práve táto vlastnosť z nich robí unikátneho pomocníka pre človeka!
Na izotopoch je úžasné práve to, že sú fyzikálne detekovateľné, ale chemicky identické!
Rovnaká chémia, odlišná fyzika
Vedci overovali existenciu atómu a zisťovali jeho tri hlavné časti - elektróny, protóny a neutróny - a samozrejme taktiež, ako spolu zapadajú. Nakoniec zistili, že atómy môžu mať rovnaký počet protónov, ale v ich jadre môže byť iný počet neutrónov. Dalo by sa zjednodušene povedať, že tieto varianty, nazývané izotopy, majú „rôzne príchute“ toho istého prvku. Napríklad taký Uhlík. Používanie označenia uhlíka „C“ - je kombinácia s číslom, ktoré označuje počet protónov plus neutrónov. Napríklad „C-14“ sa používa pre Uhlík so 6 protónmi a 8 neutrónmi, zatiaľ čo „C-12“ sa používa pre bežnejšiu formu uhlíka, ktorá má 6 protónov a 6 neutrónov.
Pred druhou svetovou vojnou sa izotopy mohli oddeliť od prírodných látok alebo sa mohli umelo vygenerovať zrýchlených nabitých častíc na cyklotróne na cieľový materiál. To znamenalo, že vedci mohli nahradiť obyčajný atóm izotopovým „bratrancom“ a potom ho sledovať chemickými alebo biologickými procesmi. Vedci a lekári nasadili izotopy v širokom spektre experimentov už v 30. rokoch 20. storočia, ale ich všeobecný nedostatok udržiaval a limitoval skupinu možných užívateľov za pomerne exkluzívnu!
Až doslova frenetický tlak na vybudovanie atómovej bomby vyprodukoval niečo, čo mohlo vytvoriť oveľa väčšie množstvo a širšiu škálu izotopov – teda jadrový reaktor – čo výrazne zmenilo výskum, a taktiež možnosť aplikácie izotopov a to doslova až v masovom merítku!
Izotopy vyrobené v pôvodných reaktoroch Projektu Manhattan potom nasadzovali desaťročia do výskumu a aplikácií, z čoho dokonca vzišlo aj niekoľko Nobelových cien. Takže sa dá doslova povedať, že mnohé povojnové pokroky v biológii a medicíne, (ktoré sa neskôr považovali za samozrejmé), vďačia v mnohom za politiku, a dosiahnuté výsledky a materiály, ktoré boli pôvodne súčasťou americkej stratégie zostrojenia atómovej bomby, a neskôr aj tzv. studenej vojny.
Využitie izotopov.
Rádioaktívne a stabilné izotopy sa používajú na celom svete a v mnohých odvetviach vrátane medicíny, priemyslu, poľnohospodárstva a výskumu. V mnohých aplikáciách nemajú izotopy žiadnu náhradu a vo väčšine ostatných sú účinnejšie a lacnejšie ako alternatívne techniky alebo klasické procesy.
Každý deň sa vykonáva množstvo lekárskych zákrokov, pri ktorých sa používajú izotopy (ročne vyše 40 miliónov).
Izotopový obchod strýčka Sama
V roku 1943 americká armáda postavila prvý priemyselný jadrový reaktor v meste Oak Ridge, (štát Tennessee). Slúžil ako pilotná projekt pre ešte väčšie jadrové reaktory, ktoré boli nakoniec postavené v Hanforde (štát Washington). Samozrejme že hlavnou úlohou týchto jadrových reaktorov vo vojnovom úsilí bolo vyrobiť izotop Plutónium-239, o ktorom vedci dospeli k záveru, že môže tvoriť výbušné jadro jedného z dvoch typov atómových bômb, ktoré navrhovali. Plutónium-239 bolo tiež izotopom, produktom jadrových reťazových reakcií šíriacich sa cez palivové články jadrových reaktorov, ktoré v tom čase a v týchto reaktoroch boli ako malé valčeky uránu (niekedy ich nazývali „slimáčiky“ zapuzdrené do hliníka, a ručne zatláčané do jadrového reaktora. Plutónium potom, keď ožiarené „slimáčiky“ vytiahli z reaktora, extrahovali chemickým spracovaním. Ale Plutónium nebolo jediným izotopom, ktorý reaktory vyrobili; v izotopoch paliva sa našli aj ďalšie izotopy „vedľajších produktov“. Vedci teda mohli vyrobiť aj izotopy „na mieru“ tak, že do reaktora vložili materiály, ktoré boli bombardované neutrónmi, ktoré rovnako ako nabité častice v cyklotróne mohli transformovať atómy, s ktorými sa stretli (na potrebné izotopy). Je zrejmé, že tieto izotopy vyrobené v jadrovom reaktore boli rádioaktívne. Už počas vojny využívali jadrový reaktor v Oak Ridge na výrobu izotopu - rádioaktívneho Fosforu-32 na nevojenské využitie.
Po vojne mnohí vedci z Projektu Manhattan prišli s názorom, a presadzovali aby jadrový reaktor v Oak Ridge začať vedcom a lekárom pravidelne vyrábať a dodávať izotopy pre svoj výskum a liečbu.
V tom čase už mali jadrové reaktory oproti cyklotrónom určité výhody: - Mohli by vyrobiť väčšie množstvo a väčšiu rozmanitosť izotopov. Vedci sa navyše snažili získať kontrolu nad jadrovou technológiou z armády tým, že jej poskytli aplikáciu pre mierové využitie.
V roku 1946 bola v Oak Ridge zriadená sekcia pôvodného Projektu Manhattan na výrobu a dodávanie izotopov, ktorá dohliadala na všetky potrebné požiadavky. A v júni toho istého roku už článok v populárnom časopise pre vedu „Science“ propagoval dostupnosť približne 100 rôznych izotopov.
Za niekoľko rokov táto sekcia izotopov (neskôr už premenovaná na divíziu izotopov) nielen že uspokojovala dopyt vedcov po izotopoch, ale ju aj spoluvytvárala. Prostredníctvom americkej Komisii pre atómovú energiu – čo bol civilný nástupca Projektu Manhattan - propagovala program, znížila ceny niektorých z najpoužívanejších izotopov až na zníženie na úroveň výrobných nákladov a poskytovala vedcom aj tréning a školenia o tom, ako správne zaobchádzať s rádioaktívnymi materiálmi.
Je nesporné, že tento prístup (propagácia, nízka cena a bezplatné školenia a tréning) zohrali mimoriadne pozitívnu úlohu v americkej spoločnosti, aby boli rádioizotopy používané tak často, a v takom širokom rozsahu!
Jadrový reaktor [v Oak Ridge] postavila vláda ako súčasť Projektu Manhattan. Za túto infraštruktúru nikto z tých kto dostával rádioizotopy už potom navyše neplatil!
A dokonca aj výrobné a prepravné náklady boli americkou vládou dotované.
Do roku 1950 sa zásielky izotopov z Oak Ridge priblížili k počtu 20 000 (!).
Stále viac prenikali do oblastí medicíny do biochémie.
Izotopy boli prvým(!) - a viac ako 10 rokov - jediným významným civilným využitím jadrových reaktorov! Jadrové agentúry ich často ponúkali ako príklady prospešnej a mierovej stránky jadrovej technológie a desaťročia boli kľúčovými hráčmi v dodávateľskom reťazci aj iných národných vlád - vrátane hlavných spolupracovníkov Projektu Manhattanu – teda okrem USA aj Kanady a Spojeného Kráľovstva.
Alvin Weinberg, (v rokoch 1955 – 1973) riaditeľ Národného laboratória Oak Ridge, kedysi s pátosom skonštatoval: „Ak by sa nejaký nebeský anjel mal pýtať, čo urobilo laboratórium v horách East Tennessee s cieľom zlepšiť život človeka, odvážim sa povedať, že práve výroba rádioizotopov pre vedecký výskum a lekárske ošetrenie by bola kandidátom na prvé miesto!“
Nový spôsob videnia
12. augusta 1945, necelý týždeň po bombových útokoch na Hirošimu a Nagasaki, bola v novinách Dallas Morning News zverejnená politická karikatúra znázorňujúca rakovinu, zosobnenú ako ľudská kostra, ktorá vychádzala zo silných lúčov atómovej energie. Aj keď karikatúra môže už dnes vyzerať naivne pre naše moderné oči, ukazovala v tom čase optimizmus, že by sa nové jadrové technológie mohli premeniť na zázračnú pomoc, aby lekárom poskytli nové silné nástroje na boj proti chorobám.
V roku 1948 americká Komisia pre atómovú energiu oficiálne spustila program ponúkajúci izotopy na diagnostiku, liečbu a výskum rakoviny v podstate zadarmo. Príjemcovia museli platiť len za prepravu.
Najprv sa predpokladalo, že rádioaktívne izotopy môžu napadnúť rakovinu sústredením sa v určitých častiach tela a ožiarením nádorov zvnútra. Žiaľ , vo všeobecnosti tento prístup nefungoval tak, ako sa očakávalo. V 50-tych rokoch sa lekári otočili skôr na izotopy Kobaltu-60 a Cézia-137, ktoré poskytovali externé zdroje žiarenia na liečbu rakoviny. Iné izotopy (s kratšou životnosťou) sa stali dôležitými nástrojmi diagnostického zobrazovania na odhalenie vnútornej anatómie pacientov. V súčasnosti lekári na celom svete vykonávajú ročne asi 40 miliónov diagnostických postupov s najbežnejšie používaným lekárskym izotopom: Technécium-99.
Nukleárna medicína je pravdepodobne najzreteľnejšou aplikáciou izotopov v našich mierových životoch!
Pri použití v diagnostických testoch izotopy ukazujú lekárom skryté štruktúry vo vnútri tela. Všeobecnejšie povedané, sila izotopov odhaliť nevidené je pravdepodobne ich najtrvalejším dedičstvom a túto silu nevyužili iba lekári.
Izotopy môžu pôsobiť ako malé atómové majáky, ktoré sa dajú sledovať po pridaní do systému, ako je bunka, celý organizmus alebo dokonca atmosféra celej planéty.
Monitorovanie ekosystémov.
Ako indikátorové látky môžu slúžiť stabilné aj rádioaktívne izotopy, ale na konci druhej svetovej vojny mali rádioaktívne izotopy určité výrazné výhody pre použitie vo veľkom meradle, a to nielen preto, že vlády vytvorili nástroje, ktoré by ich mohli produkovať vo veľkom množstve. Vedci dokázali zistiť rádioizotopy pomocou relatívne jednoduchého vybavenia, ako sú Geigerove počítadlá alebo röntgenové filmy. Keby boli k dispozícii iba stabilné izotopy, stupeň odbornosti a potrebné prístrojové vybavenie by pravdepodobne obmedzili použitie izotopov na užšiu skupinu oblastí aplikácie. Vedci ich čoraz častejšie využívajú na objavovanie doteraz nepoznaných oblastí prírody. Jedna z nich je fotosyntéza - procesné rastliny používajú na premenu slnečného svetla, vzduchu a vody na cukor. Dokonca už v roku 1944 bola táto informácia hodnotená na seriózny vedecký výskum pomocou izotopov vyrobených v reaktore. Bolo to uvedené aj v správa vedcov z Manhattanu o potenciálnom povojnovom využití vládnych zariadení.
V roku 1945, chemik Melvin Calvin z Kalifornskej univerzity, v Berkeley študovať fotosyntézu s použitím Uhlíka-14 produkovaného v cyklotróne v Berkeley. Čoskoro potom začal C-14 odoberať od spoločnosti v Oak Ridge. Jeho vedecký tím vystavil fotosyntézu zelených rias oxidom uhličitým (s C-14). Potom riasy po rôznom čase usmrtili a analyzovali chemické zlúčeniny, ktoré rastliny produkovali „horúcim“ uhlíkom.
V roku 1958 Calvin a jeho kolegovia, ktorí až do roku 1954 úzko spolupracovali s Andrewom Bensononom, prišli na to ako funguje táto zložitá chemická cesta, ktorá sa teraz nazýva cyklus Calvin-Benson, ktorý väčšina zelených rastlín používa na premenu oxidu uhličitého vo vzduchu na sacharidy. V roku 1961 získal za to Calvin Nobelovu cenu za chémiu.
Jedným z hlavných príspevkov k úspechu vedcov bolo použitie papierovej chromatografie na oddelenie rôznych zložiek v riasach. Keď držali papier na lekárskom röntgenovom filme, nad zlúčeninami, ktoré obsahovali rádioaktívne uhlie, sa vytvorili škvrny.
Fyzik Freeman Dyson sa nad touto technikou po tom, čo sa zúčastnil prednášky Calvina v roku 1948 nadchol tak, že v liste domov to opisoval nasledovne: „Tí, ktorí vidia ďaleko dopredu tvrdili, že keď sa na scénu prvýkrát objaví jadrová energia, bude jej aplikácia na biologický výskum dôležitejšia, ako aplikácia pre energetiku. Pochybujem však, že by bol niekto očakával, že sa veci skutočne pohnú tak rýchlo, ako majú. “
Komisia pre atómovú energiu odhadovala, že by jadrový reaktor v Oak Ridge mohol produkovať rovnaké množstvo rádioaktívneho Uhlíka-14, čo by bolo potrebné na výrobu tisíc cyklotrónov, a to by ešte navyše jadrový reaktor mohol vyrobiť za asi jednu desaťtisícinu ceny.
Život z hľadiska atómu
Fotosyntéza Calvina a Bensona bola v popredí toho, čo sa neskôr stalo záplavou výskumu pomocou izotopov na odhalenie toho, ako život funguje na molekulárnej úrovni. Kým experimenty C-14 odhalili neuveriteľné množstvo metabolických ciest v živých organizmoch, rádioaktívny Fosfor-32 umožnil výskumníkom skúmať vlastnosti DNA.
V roku 1952 Alfred Hershey a Martha Chase v časti svojej práce použili fosfor z Oak Ridge, aby ukázali, že DNA, skôr ako proteín, je látka, ktorá vytvára gény. Aj keď Hershey a Chase neboli prvými so svojimi experimentami, ktoré naznačovali, že DNA je nositeľom dedičných informácií, presvedčili väčšinu vedeckej komunity. Hershey bol neskôr spoločným laureátom Nobelovej ceny za fyziológiu alebo medicínu z roku 1969.
V nasledujúcich desaťročiach sa rádioizotopy stali základnými nástrojmi v genetickom výskume, pretože vedci pokračovali v objavovaní toho, ako DNA slúži ako recept na výrobu proteínov, ako ľudia a zvieratá zdieľajú obrovské stopy genetického kódu, ako sú určité choroby spojené s genetickými mutáciami a oveľa viac.
Allan Spradling, vývojový biológ v Carnegieho inštitúcii pre vedu v Baltimore v Marylande hovorí, že „Rádioizotopy mali obrovský vplyv na biológiu,“ „Boli jedným z kľúčových nástrojov prechodu od abstraktného pohľadu na genetiku k skutočným molekulám a špecifickým procesom v bunkách. Je ťažké myslieť na [objav], ktorý by bol založený iba na rádioizotopových technikách, ale obrovské množstvo našich vedomostí z biológie má od nich prinajmenšom veľmi silný prínos. “
Použitie na monitorovanie ekosystémov.
Vedci popri štúdiách genetiky a metabolizmu vedci sledovali aj výživné látky a hormóny v ľudskom tele, čo objasňuje úlohy týchto životne dôležitých atómov a molekúl.
Schopnosť izotopov testovať molekulárne procesy sa nezastavila ani na hranici živých organizmov. V oblasti rádio-ekológie, ktorá výrazne vzrástla po druhej svetovej vojne, vedci skúmali, ako sa atómy pohybujú cez celé ekosystémy.
V polovici štyridsiatych rokov ekológ G. Evelyn Hutchinson, skorý osvojiteľ izotopových techník, pustil stopové množstvá rádioaktívneho Fosforu-32 do povrchových vôd Linsley Pond v Connecticute, aby študoval, ako živina cykluje vodou, bahnom, riasami a pomedzi rastliny v priebehu niekoľkých týždňov. Začal experimenty s rádioaktívnym fosforom z Yale, ale neskôr pokračoval dodávkami z Oak Ridge. Spoľahlivosť a množstvo izotopov vyrobených v reaktore mu umožnilo zhromažďovať lepšie údaje. Experimenty odhalili, ako riasy rýchlo prijímali pridaný fosfor. Riasy rástli a často ich rýchlo jedli drobné zvieratá nazývané zoo-planktón. Keď riasy a zoo-planktón uhynuli, klesli na dno rybníka a vzali so sebou časť fosforu. Sezónne zmeny teplôt a vetra pomohli rozvíriť vodný stĺpec a privádzať výživnú látku späť na povrch, čím sa cyklus dokončil. Jedným z dôsledkov zistení bolo, že príliš veľa fosforu by mohlo vyhodiť celý systém z rovnováhy, čo by viedlo k škodlivému bujneniu (kvitnutiu) toxických rias a foto-syntetizujúcich organizmov nazývaných cyanobaktérie.
Iní ekológovia študovali, ako izotopy uvoľňované do životného prostredia ním prešli počas výroby a testovania jadrových zbraní. Jeden obzvlášť vplyvný nález, založený predovšetkým na štúdiách v blízkosti jadrových reaktorov v Hanford (štát Washington), odhalil, ako sa môžu rádioaktívne kontaminanty sústrediť na zvieratá a rastliny. Ekológ Eugene Odum zhrnul dôsledky vo svojej knihe „Základy ekológie“: „Môže sa stať aj to, že by sme dali prírode zjavne neškodné množstvo rádioaktivity a nechať ju, aby nám ju sama vrátila, ale v smrteľnom obale.“ Tento koncept bio-akumulácie sa neskôr uplatnil na ďalšie znečisťujúce látky, ako sú chemické pesticídy. A. Covich, ekológ na George univerzite v amerických Aténach tvrdí, že „Použitie rádioizotopov umožnilo zmerať množstvo druhov rôznych ekologických procesov. Najmä P-32 a C-14 boli prelomové.“
Dedičstvo pokračuje
Príbeh o tom, ako spoločnosť formuje vedu - a ako veda formuje spoločnosť - obsahuje veľa zvratov. Krátko po tom, ako Calvin oznámil svoj rovnomenný cyklus, publikoval článok v ktorom predpovedal, že tento objav povedie k „obrovskému zvýšeniu svetovej ponuky potravín v priebehu budúceho roka“. Ale celkom tak to nefungovalo. Nedávno však vedci dosiahli určité predbežné úspechy vylepšujúce fotosyntézu s cieľom zvýšiť úrodu. Úsilie, ktoré zvlášť teraz nadobúda vzrastajúci význam, keď rastliny čelia stresu zo otepľovacieho sveta. Vedci používajú nástroje, ako je vysoko výkonné počítačové modelovanie a genetické inžinierstvo, ktoré až do posledných desaťročí neexistovalo. Genetický výskum explodoval s aplikáciami do každodenného života. Vedci si v polovici storočia nemohli ani len predstaviť dnešný rozsah vedomostí v molekulárnej biológii. A aj keď nie je možné vybrať jedinú najlepšiu techniku zodpovednú za aplikácie v genetickom testovaní, vďaka leží hlavne na včasnom použití rádioizotopov.
Inými spôsobmi, história, ako sa hovorí, sa opakuje.
Poznatky o tom, ako môže fosfor v rybníkoch a jazerách spôsobiť kvitnutie rias a odumieranie rýb, pomohli v 60. a 70. rokoch viesť k činnostiam zameraným na obmedzenie fosforu v pracích prostriedkoch.
Je ťažké predpovedať, ako sa budú vedecké reťazové reakcie, ktoré sa dotknú izotopov z Programu Manhattan šíriť v priebehu nasledujúcich rokoch. Pri spätnom pohľade (75 rokov dozadu) sa však vedci a historici zhodujú na tom, že doterajšie účinky boli mimoriadne hlboké.
Rádioizotopy rozširujú dedičstvo Projektu Manhattan do ríše každodenného života, bez toho aby sme si uvedomovali, že žijeme aj s atómovými bombami denno- denne.
Ukazujú nám, ako fyzika a inžinierstvo súvisia s biológiou a medicínou, ako veda súvisí s politikou a ako obyčajný deň bežného človeka súvisí s ťarchou ľudskej histórie.
V tomto zmysle izotopy - tieto atómové indikátory odhaľujú nielen to, ako sa organické molekuly transformujú, alebo ako krv prúdi srdcom pacienta; ale odhaľujú aj vnútornosti našej samotnej ľudskej spoločnosti.
