Techniki jądrowe są obecne w wielu aspektach życia m.in. w przemyśle.
Krzem domieszkowany neutronami – jak to działa?
Komputery, turbiny wiatrowe, panele fotowoltaiczne, szybkie pociągi, samochody hybrydowe: we wszystkich tych zastosowaniach w obwodach elektronicznych wykorzystuje się domieszkowany krzem. Krzem występuje naturalnie w glebie, ale czysty krzem jest izolatorem, który nie przepuszcza prądu elektrycznego z powodu brak wolnych elektronów.
Krzem staje się idealnym półprzewodnikiem w elektronice dzięki tzw. domieszkom czyli celowemu dodawaniu do kryształów specjalnych nieczystości, które poprawiają ich własciwości elektryczne. Domieszkowanie kryształów krzemu można przeprowadzać w badawczych reaktorach jądrowych dzięki neutronom, które powodują przekształcanie izotopu krzemu-31 w fosfor-31. Wytworzony w wyniku reakcji stabilny izotop fosforu stanowi domieszkę w sieci krystalicznej krzemu modyykując monokryształ na półprzewodnik typu n. W podobny sposób modyfikować można m.in azotki galu.
Badania nad nowymi generacjami akumulatorów
Baterie litowo-jonowe są obecnie stosowane w wielu urządzeniach przenośnych jak np.: telefony komórkowe, latarki, aparaty cyfrowe i laptopy. Są one również stosowane w samochodach elektrycznych oraz służą konstrukcji magazynów energii elektrycznej.
Badania właściwości strukturalnych i dynamicznych materiałów na poziomie atomowym i molekularnym, są kluczowe dla zrozumienia zachowania materiałów stosowanych w urządzeniach magazynujących energię, takich jak baterie i ogniwa paliwowe. Rozpraszanie neutronów zapewnia wgląd w zmiany strukturalne zachodzące w materiałach elektrod podczas cykli ładowania i rozładowywania, w różny sposób stabilizowane stany starzenia i różne konstrukcje ogniw, pomagając w ten sposób badaczom projektować bardziej wydajne i trwałe materiały na akumulatory. Badania tego typu można wykonywać online, na pracujących, testowanych urządzeniach.Wodór jako przyszłe źródło energii
Potencjalnym przyszłym nośnikiem energii jest wodór. By był bezemisyjny trzeba go wytwarzać przy pomocy czystej energii jaką zapewnia atom oraz odnawialne źródła energii.
Atom może słuzyć nie tylko jako źródło elektryczności do elektrolizy, ale także wspomóc badania naukowe nad wodorem. W przypadku materiałów do magazynowania wodoru rozpraszanie neutronów jest bezcenne w badaniu interakcji między wodorem a materiałem magazynującym, tworząc niezbędną podstawę do projektowania materiałów, które mogą skuteczniej magazynować i uwalniać wodór, przyczyniając się do postępu w magazynowaniu energii w oparciu o wodór. Rozpraszanie neutronów jest szczególnie przydatne do badania procesów dyfuzji w materiałach energetycznych. W przypadku magazynowania energii dyfuzja jonów lub cząsteczek w elektrodach lub elektrolitach jest krytycznym czynnikiem wpływającym na wydajność akumulatorów i innych systemów magazynowania.
Rozwijanie produktów przyjaznych dla środowiska
Większość środków czyszczących do farb i klejów w budownictwie składa się z lotnych rozpuszczalników organicznych, które uwalniają składniki szkodliwe dla środowiska i zdrowia. Badania przeprowadzone na Politechnice w Monachium z wykorzystaniem badawczego reaktora jądrowego zakończyły się opracowaniem zamiennika, który pozwala na znaczną redukcję lub całkowitą rezygnację z tych szkodliwych substancji. Po raz pierwszy stworzono rozpuszczalnik do farb, który usuwa silnie rozpuszczalne pozostałości farb i lakierów oraz sadzę, smołę i kleje przy niewielkiej ilości środka powierzchniowo czynnego i bez dodatku rozpuszczalników organicznych.
Wspieranie badań w zakresie sztuki i historii
Za pomocą neutronów i fotonów obiekty historyczne można badać bardzo delikatnie i nieniszcząco (rysunki 3 i 4). Dlatego część historyków sztuki i archeologów zwraca się do instytutów badań jądrowych, aby zbadać zabytki znajdujące się w ich zbiorach, a informacje można ujawnić za pomocą skanu neutronowego.
Przykładowo przez długi czas nie było jasne, czy obraz „Armida porywa eutanazję Rinaldo” jest oryginałem francuskiego malarza Nicolasa Poussina (1594–1665). Badania w Instytucie Helmholtza w Berlinie wykazały, że zamalowano wstępnie naszkicowane drzewa tego samego gatunku i przy użyciu identycznych barwników, co dla historyków sztuki jest pewnym znakiem, że jest to oryginał. Korzystanie z obrazowania neutronowego pokazało również różne malowidła pod istniejącymi (rysunki 2 i 3). Podobne badania w przeszłości wykonywano w Polsce w ramach kooperacji Muzeum Narodowego, Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej oraz Instytutu Energii Atomowej. Badania wykazały, że „Portret weneckiego admirała” pędzla Jacopo Tintoretto (1518–1594) skrywa pod powierzchnią wizerunek innej postaci.
Poprawa jakości produktów
Czułe, dokładne i niezawodne układy pomiarowe są niezbędne w przemyśle. Izotopowe układy pomiarowe – przyrządy wykorzystujące źródło promieniowania do pomiaru jakości materiałów i produktów. Są niezwykle czułe i często znajdują zastosowanie, gdzie inne metody zawodzą. Mogą słuzyć m.in. pomiarowi wilgotności, gęstości czy kontroli jakości spawów czy powłoki. Są także nieinwazyjne – nie jest wymagany fizyczny kontakt czujnika z materiałem – dzięki temu kontrolę jakości można przeprowadzać on-line podczas produkcji. Układy pomiarowe tego typu działają na zasadzie pomiaru rozproszenia lub pochłonięcia promieniowania jonizującego o znanej wielkości.
Badania nieniszczące
Wiele materiałów, produktów i konstrukcji musi być badana w czasie ich życia za pomocą technik, które nie wpływają na ich wytrzymałość i właściwości. Techniki tego typu nazywamy badaniami nieniszczącymi (NDT). Niektóre z tych technik wykorzystują radioizotopy. Promieniowanie przenikliwe wytwarzane przez te materiały wykorzystuje się na różne sposoby w celu uzyskania wymaganych informacji. W radiografii NDT promienie gamma z zamkniętego źródła lub promienie rentgenowskie są kierowane przez obiekt, a wyniki są pokazywane na kliszy lub innym nośniku. Niedoskonałości uwidaczniają się wraz ze zmianą gęstości – tak jak prześwietlenie ciała ujawnia złamania kości. Najnowszym osiągnięciem jest radiografia w czasie rzeczywistym, która umożliwia ocenę usterek na ekranie komputera w celu kontroli linii montażowej i rozwiązywania problemów.
