核科学技术对人类社会发展的影响

核科学技术对人类社会发展的影响核科学技术对人类社会发展的影响 摘要摘要 这篇论文我将首先就核科学技术的发展做一个简要介绍 厘清它的发展 脉络 之后根据整理的资料尽量完整的介绍核科学技术在人类社会中的应用 探讨其对人类社会发展的影响并试图做出如下结论 即核科学技术对人类社会 的发展是不可或缺的 它对人类的社会的很多方面都产生了积极的影响 但也 对人类的安全 环境等构成一定的威胁 一 一 核科学技术的发展历史核科学技术的发展历史 1896 年贝克勒尔发现铀的天然放射性 从此诞生了一门新的科学 原子核 科学技术 1919 年卢瑟福利用天然 射线轰击各种原子 确立了原子的核结 构 随后又首次用人工方法实现了核反应 1938 年 德国科学家奥托 哈恩和 他的助手发现了核裂变现象 1942 年在美国芝加哥大学诞生人类第一座核反应 堆 1945 年原子弹诞生 人类开始将核能运用于军事 能源 工业 航天等领 域 美国 俄罗斯 英国 法国 中国 日本 以色列等国相继展开对核能应 用前景的研究 由自然科学与技术科学交叉形成的核科学技术始于 20 世纪前半叶 它是国 家科技水平和综合国力的标志 20 世纪 40 年代实现由辐照后燃料中提取裂变 物质及建成大规模分离铀同位素的工厂以来 世界上的有核国家在此领域发展 很快 粒子加速器和核探测技术是研究核科学 发展核技术的重要手段 多种 大型加速器和同步辐射光源的建成 医用和工业加速器的成批生产 同位素的 应用 射线探测技术 核电子学与计算机的发展 使核技术广泛应用到理 工 农 医 生物 地质等各个领域 二 二 核科学技术在人类生活中的应用核科学技术在人类生活中的应用 一 在工业中的应用 核技术的工业应用始于 20 世纪 50 年代兴起的辐射加工 辐射加工利用 60Co 源产生的 射线或电子加速器产生的电子束照射物料 可引起高分子材 料的聚合 交联和降解 并可引起生物体的辐射损伤和遗传变异 辐射加工已 被广泛用于制备优质电线电缆 热收缩材料 发泡材料 超细粉末 人造皮肤 高效电池隔膜 隐形眼镜等 以及木材与磁带磁盘的涂层固化 橡胶硫化 纺 织品改性等领域 近年来食品辐射保鲜灭菌和医疗器具辐射灭菌也得到迅速发 展 此外 随着同步辐射技术的发展 又出现了同步辐射光刻机和同步辐射精 密加工技术 可以制造微型齿轮等微型零件 离子束加工技术在工业中也有重要应用 离子注入半导体自 70 年代起已成 为集成电路制造的关键技术之一 离子注入金属材料可提高其耐磨 抗腐蚀 抗氧化性能并增加硬度 离子注入陶瓷材料可提高其耐磨 导电等性能并克服 其脆性 离子注入光学晶体可改变其折射率 制造光波导 变频器等集成光学 器件 离子注入聚合物可用于制造微电子器件掩膜 其分辨率好于光束和电子 束 还可以用于人工关节等生物医学工程材料的改性 提高其耐磨性和生物相 容性 近些年又发展了离子束沉积技术 离子束混合技术 离子束成膜技术 高能离子注入和极低能离子注入技术 强流离子注入和强脉冲离子注入技术等 其应用范围更为广泛 离子束技术在辐照损伤模拟 微电子器件抗辐射加固等 研究中也有重要应用 在无损检测技术中核技术占了很大比例并有显著优势 早期的射线探伤是 用加速器产生的电子束打靶产生的 X 射线照射工件形成平面图像 70 年代医用 X CT 诞生后 80 年代即出现了工业 CT 并很快应用到热轧无缝钢管的在线测 试 发动机检测 以至大型火箭的整体测试中 无损检测的一个成功例子是集 装箱检查 我国已成功地研制出了基于加速器的和基于 60Co 源的集装箱检测系 统 为海关缉私提供了强有力的工具 另一种重要的无损检测是中子照相 用 其检测火药 继电器 发动机叶片等有很高的灵敏度和分辨率 在航天与航空 工业和国防上有重要应用 此外 工业核仪表如厚度计 密度计 料位计 核子称 火灾报警器等可 在高温 高压 酸碱腐蚀等环境中工作 可以不接触 不破坏被测对象 这是 其它仪表所不及的 世界上石油勘探中有三分之一是核测井完成的 二 在医学中的应用 射线和粒子束技术在医学中主要有两个方面的应用 一个是核医学成像 另 一个是肿瘤的放射治疗 核医学成像技术包括单光子发射断层成像 ECT 和正电 子断层成像 PET 根据统计学方法的研究结果 SPECT 可以比 X CT 提前三个 月诊断出癌症 PET 一般比 SPECT 还要早三个月诊断出癌症 核医学成像技术不同于 X 射线断层成像 CT 磁共振成像 MRI 和超声波成像 在显像之前必须注射相应的放射性药物作为显像剂 其影像反映的是显像剂及 其代谢产物的时间和空间分布 核医学成像技术是目前唯一能在体外获得活体 中发生的生物化学反应 器官的生理学和病理学变化以及细胞活动信息的方法 可为疾病诊断提供分子水平的信息 在分子水平实现人体成像已成为当前发展 的新热点 从医学成像的角度看 如何更好地在三维空间内实时地显示人体内 部发生的病变在今天仍然具有挑战性 当前的任务是要进一步提高图像数据的 采集速度 图像的空间分辨率和对比度 例如 消除影像和剂量计算中的噪声 以及由这些噪声引起的伪影 提高图像质量和治疗时的定位误差 SPECT 和 PET 成像的优点是特异性好 能够用于早期诊断 其缺点是空间分辨率差 病理和周 围组织的相互关系很难准确定位 把核医学成像叠加在诸如 X CT 成像 MRI 高 分辨率结构图像上进行定位是目前比较流行的方法 故图像的配准 分割和融 合在医学成像中的应用是这个领域内一个重要的方面 肿瘤的放射治疗是目前肿瘤临床治疗的三大技术之一 目前的放疗技术从 使用的射线束看 可分为低 LET 传能线密度 放疗和高 LET 放疗 前者包括 X 射线 射线以及质子放疗 后者则包括中子和重离子放疗 放疗的主要装置 是粒子加速器和 60Co 源 放疗的一个重要问题是如何在准确地杀死癌细胞的同 时 保护正常组织不受或者少受伤害 对于形状不规则的肿瘤 如神经胶质瘤 硼中子俘获治疗 BNCT 可达到较好的效果 放疗物理在世界当前的发展方向是 发展用于放疗的各种新的装置 使得这些装置能够在临床上实现对肿瘤病人的 实形调强放疗 IMRT 其中最为突出的是电子直线加速器和螺旋 CT 结合形成的 断层放疗 Tomotherapy 技术 为了保证放疗的治疗质量 保护病人的安全 加 强对放疗设备的质量控制是一个重要发展趋势 同时 发展放疗计划软件 利 用医学影像对治疗情况进行监督 在放疗后对病人接受的剂量场分布进行重建 并和治疗计划进行比较等工作都是十分重要的 三 在农业和环境保护中的应用 辐射诱变育种技术是核技术农业应用的主要领域 业已取得了巨大的经济效 益 据 2000 年统计 全世界育成新品种已超过 2000 个 自 20 世纪 80 年代以 来 传统的 射线辐照育种已逐渐被中子和离子束辐射育种所取代 辐射加工 技术可用于农产品的保存 如谷物杀虫和抑制发芽等 昆虫辐射不育防治技术 是现代生物防治害虫方法中唯一有可能灭绝害虫的有效手段 在防治农作物病 虫害方面已开始发挥作用 在环境保护方面 辐照技术是三废处理的有力手段 发电厂和供热锅炉排 入大气的 SO2 和 NOx 是环境污染的主要原因之一 在待排放的烟道气中喷入氨 水并进行电子束辐照 脱 SO2 率可达 95 脱 NOx 率可达 80 且其副产品可做 化肥 进一步的研究表明 电子束辐照烟气还可以达到减排 CO2 的效果 对污水进行辐照处理不但可以消毒 还可以同时清除聚合物杂质 降低有 机氯含量 辐射技术还可用于处理活性污泥和医院废物 此外 核分析技术在 环境检测评价中也有重要应用 四 在能源供应方面的应用 在发达国家 核电已有几十年的发展历史 核电已成为一 种成熟的能源 中国的核工业已也已有 40 多年发展历史 建立了从地质勘察 采矿到元件加工 后处理等相当完整 的核燃料循环体系 已建成多种类型的核反应堆并有多年 的安全管理和运行经验 拥有一支专业齐全 技术过硬的队伍 核电站的建设 和运行是一项复杂的技术 中国已经能够设计 建造和运行自己的核电站 秦 山核电站就是由中国自己研究设计建造的 日本的核电站数量是 55 座 核电比 例为 30 计划到 2030 年将核电比例提高到 41 印度有 20 座 俄罗斯有 31 座 欧盟有 16 国拥有核电站 核电站总数 158 个 法国 59 座 英国在 30 座以 上 美国最多 达 104 座 就发电比例而言 目前全世界 400 多座核电站 年发电量占全世界总发电 量的 17 其中 法国核电装机占总装机的 78 日本核电装机占总装机的 36 美国核电装机占总装机的 20 韩国核电装机占总装机的 42 而在中国 大陆仅占 1 6 五 在军事中的应用 目前核技术在军事中的应用主要集中于两个方面 一是核武器的研制与升 级 二是将利用核反应堆为军事载具提供强大动力 核武器是指包括氢弹 原子弹 中子弹 三相弹 反物质弹等在内的与核 反应有关的巨大杀伤性武器 核武器爆炸时释放的能量 比只装化学炸药的常 规武器要大得多 例如 1 千克铀全部裂变释放的能量约 8 10 13 焦耳 比 1 千克 TNT 炸药爆炸释放的能量 4 19 10 6 焦耳约大 2000 万倍 因此 核武器 爆炸释放的总能量 即其威力的大小 常用释放相同能量的 TNT 炸药量来表示 称为 TNT 当量 美 俄等国装备的各种核武器的 TNT 当量 小的仅 1000 吨 甚 至更低 已有微型核武器 爆炸当量在几十吨 大的达 1000 万吨 前苏联曾试 爆过 5000 万吨当量的氢弹 核武器爆炸 不仅释放的能量巨大 而且核反应过 程非常迅速 微秒级的时间内即可完成 因此 在核武器爆炸周围不大的范围 内形成极高的温度 加热并压缩周围空气使之急速膨胀 产生高压冲击波 地 面和空中核爆炸 还会在周围空气中形成火球 发出很强的光辐射 核反应还 产生各种射线和放射性物质碎片 向外辐射的强脉冲射线与周围物质相互作用 造成电流的增长和消失过程 其结果又产生电磁脉冲 这些不同于化学炸药爆 炸的特征 使核武器具备特有的强冲击波 光辐射 早期核辐射 放射性沾染 和核电磁脉冲等杀伤破坏作用 核武器的出现 对现代战争的战略战术产生了 重大影响 核动力是利用可控核反应来获取能量 从而得到动力 热量和电能 世界 各国军队中的大部分潜艇及航空母舰都以核能为动力 采用核动力为驱动力的 武装载具例如潜艇 航母等 相比常规动力的潜艇 航母拥有更高的续航力以 及动力 三 三 对于核科学技术发展的忧虑对于核科学技术发展的忧虑 通过上述对核科学在现实社会中的应用的介绍 相信读者对核科学对人类 社会的发展带来的巨大助力已经有了一定的认识 但是任何事物都有正反两个 方面 核科学技术也是如此 首先 虽然核电属于清洁能源但是这并不代表核电站的建设就一定会带来 环境的改善不会造成环境污染 近者日本福岛核电站的核泄漏事故依然在警醒 世人核电站的安全问题 另外 核反应堆的另一个缺点就是它面临着核事故和 恐怖分子袭击的威胁 这样的话大量平民都会受到辐射线的照射 其次 核武器由于其极其巨大的威力依然是对世界及人类社会的最大威胁 目前 世界上有 5 万多个核弹头 约达 200 亿吨 TNT 当量的核武器 为了预防 核武器的扩散 国际原子能机构在 1968 年通过并实施了防止核武器扩散条约 NPT 条约规定签约国对于核技术必须采取保护措施 签约国被要求向国际原 子能机构报告它们拥有的核材料的种类和位置 签约国还同意 为了能进入国 际核市场 它们允许国际原子能机构派出调查员和监督员来确认它们关于核材 料的报告 并且对它们的核材料进行检查 有些国家以前没有签署这项条约 并且有能力使用国际间援助的核技术 经常为民用 来发展核武器 印度 巴基斯坦 以色列和南非 南非后来也 成为了防止核武器扩散条约的签约国 它是世界上唯一已知发展了核武器并被 证实将其销毁了的国家 在那些签署了这项条约并通过海运收到了一些零星的 核材料的国家中 许多国家已经宣称或已被指责尝试着使用应为民用的核电站 来发展武器 比如说伊朗和朝鲜 有些种类的核反应堆比其它种类更容易被用 来制造核武器 而且国际上的一些关于核武器扩散的争论已经聚焦到了具有发 展核武器的野心的国家中某些具体的反应堆型号上 朝鲜拥有核武器 朝鲜半 岛的平衡将被打破 除此以外 南亚是另外一处核战争的火药桶 印度 巴基 斯坦双方事实上存在 安全两难 困境 使得南亚地区仍可能因为对抗失控 引发核战争 四 四 结语结语 综上所述 我们看到了核