راکتورهای تحقیقاتی به عنوان یکی از اصلی‌ترین چشمه‌های تولید نوترون و ذرات پر انرژی در جهان شناخته می‌شوند که دارای کاربردهای متنوع و فراوانی می‌باشند. از کاربردهای راکتورهای تحقیقاتی می‌توان به تولید رادیوایزوتوپ‌های پزشکی به منظور تشخیص و درمان بیماری‌های صعب العلاج، رادیوایزوتوپ‌های صنعتی، آموزش و تربیت نیروی متخصص، تصویربرداری نوترونی، درمان انواع تومورهای مغزی و سر و گردن به روش گیر اندازی نوترونی با داروهای حامل بورBNCT، آنالیز مواد به روش فعالسازی نوترونی NAA، استحاله مواد به روش هسته‌ای NTD جهت تولید انواع نیمه رساناهای پرکاربرد در صنعت الکترونیک، سلولهای خورشیدی و ترانزیستورهای پُر قدرت، رنگ آمیزی سنگ‌های قیمتی توسط نوترون و پرتوگاما، مطالعه پیشرفته ساختار مواد با استفاده از نوترون سرد، فیزیک نوترون، آنالیز مواد به روش پراش نوترونی و ... اشاره کرد.
راکتورهای تحقیقاتی دارای کانال‌های پرتودهی درون قلب با تنوع شار نوترون از مرتبه 1012 تا 1014 [n/cm2.s] می‌باشند. در این کانال‌های پرتودهی انواع رادیوداروهای پزشکی شامل ید-131 برای تشخیص و درمان تیروئید، فسفر-32، ساماریوم-153، رنیوم-186، ایتریوم-90، ایندیوم-111 و ... و همچنین رادیوایزوتوپ‌های صنعتی شامل چشمه‌های نقطه ای، میله‌ای و استاندارد کبالت-60، ایریدیوم-192 و سزیوم-137 و ... تولید میشود. مکان‌های ویژه پرتودهی درون قلب راکتور و یا درون مخزن بازتابنده آب سنگین با توجه به موقعیت و ویژگی‌های آنها جهت استحاله مواد به روش هسته‌ای به ویژه تقویت سیلیکون به منظور تولید انواع نیمه رساناهای نوع n و p مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد.
راکتورهای تحقیقاتی دارای بیم تیوب شعاعی مورب استوانه‌ای جهت کاربردهای از قبیل تصویر برداری نوترونی و پراش نوترونی قابل بهره‌برداری می‌باشد. بیم تیوب‌های مستقیم با ابعاد و اشکال متنوع، با شار نوترونی مناسب پتانسیل بهره‌برداری کاربردهای از قبیل رنگ آمیزی سنگ‌های قیمتی، پرتودهی و آنالیز مواد، و پرتودهی و تست سوخت‌های را دارا می‌باشد. بیم تیوب‌های مماسی با آلودگی کم پرتوگاما شرایط مناسب برای مطالعه فیزیک نوترون و رادیوگرافی را میتواند مهیا سازند. اتاق درمان در راکتورهای تحقیقاتی توانایی درمان انواع تومورهای سر و گردن و تومورهای مغزی به روش گیر اندازی نوترونی با داروهای حامل بور BNCT را دارا می‌باشد. سیستم پنیوماتیکی انتقال نمونه Rabbit جهت پرتودهی مواد و آنالیز مواد به روش فعالسازی نوترونی کاربرد دارد و مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. ستون حرارتی با استفاده از باکس‌های گرافیتی طیف نوترون سریع را به نوترون حرارتی تبدیل نموده و به منظور مطالعات فیزیک نوترون و تحقیقات آموزشی و پرتودهی مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد. اتاق پرتو گاما امکان استفاده از پرتوهای گامای گسیلی از سوخت‌های مصرف شده را جهت کاربردهای گوناگون پرتوگاما از جمله سترون‌سازی، پرتودهی مواد و آنالیز تجهیزات را فراهم و مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در این روش با پرتودهی سنگ های قیمتی و جواهرات خواص اپتیکی آنها ارتقا داده میشود. سطح بالای پرتودهی با ذرات یونیزان میتواند ساختار اتمی شبکه بلوری سنگ‌های قیمتی و جواهرات را تغییر دهد که به نوبه خود میتواند خواص اپتیکی آنها را بهبود ببخشد. این فرآیند که به طور گسترده در صنایع جواهر انجام می شود، در راکتورهای هسته ای با بمباران نوترون و پرتوگاما، شتاب دهنده ذرات با بمباران الکترون و یا یک گسیلنده گاما به عنوان مثال ایزوتوپ رادیو اکتیو کبالت 60 انجام می شود. پرتودهی، باعث ایجاد رنگ‌های در سنگ قیمتی می شود که در طبیعت وجود ندارد و یا بسیار نادر هستند که باعث افزایش ارزش افزوده سنگ‌های قیمتی می‌گردد. از جمله سنگ های قیمتی که با روش پرتودهی رنگ آمیزی می شوند شامل یاقوت، الماس، فلوریت، مروارید، کوارتز، توپاز، تورومالین یا کهربا و زیرکون می‌باشد.
تصویر برداری با استفاده از ذرات نوترون یا رادیوگرافی نوترونی Neutron Radiography قابلیت تصویر برداری غیر مخرب از تجهیزات حساس با رزولوشن بالا را مهیا می‌سازد که امروزه از آن برای مصارف گوناگون استفاده می شود. در مقایسه این روش با رادیوگرافی پرتو X قابل ذکر است که رادیو گرافی نوترون به عناصر سبک (عدد اتمی کم ) حساس بوده و تصویر مناسبی از نمونه های حاوی عناصر سبک تهیه می‌کند. حساسیت بالای نوترون نسبت به هیدروژن آن را به ابزار با ارزشی تبدیل کرده است. درحقیقت نوترون رادیوگرافی مکمل رادیوگرافی با پرتو ایکس است.
- آنالیز مواد به روش هسته‌ای
آنالیز به روش فعالسازی نوترونی NAA روشی است کمی و کیفی از یک نمونه‌ی ناشناخته که با پرتودهی نمونه و در نتیجه تولید هسته‌های پرتوزا از ایزوتوپ‌های پایدار یا ناپایدار موجود در آن به آنالیز دقیقی از عناصر موجود در نمونه می‌پردازد. هسته های پرتوزا را می توان از خواص تابش‌هایی که گسیل می‌دارند شناخت: 1- نوع تابش 2-انرژی تابش 3- شدت تابش 4- نیمه عمر
این روش اولین بار در سال توسط هوسی و لوی که مقداری دیسپرسیوم را در یک نمونه ی ایتریوم اندازه گرفتند، به کار گرفته شد. برای انجام این روش مراحل زیر باید انجام شود:
- انتخاب واکنش هسته ای بهینه
- آماده سازی نمونه برای پرتودهی
- پرتودهی نمونه
- شمارش نمونه ی پرتو دیده
- تحلیل نتیجه های شمارش
رادیو دارو ها هم در فرآیندهای مرتبط با تشخیص و پیشگیری از بیماری‌ها کاربرد گسترده‌ای دارند و هم در فرآیندهای درمان بیماری‌ها. به ویژه امروزه از رادیو دارو ها در تشخیص و درمان انواع سرطان استفاده بسیار گسترده‌ای میشود به طوری که نیمی از مبتلایان به سرطان در فرآیند درمان خود از این رادیو دارو ها استفاده می‌کنند. در یک تعریف ساده به هر دارویی که در ساختار آن یک رادیو ایزوتوپ موجود باشد رادیو دارو گفته میشود، رادیوایزوتوپ‌ها در واقع عناصر ناپایداری هستند که با توجه به ساختار اتمی‌شان از خود پرتو (Radiation) منتشر می‌کنند. این پرتوها که شامل پرتوهای آلفا (α)، بتا (β) و گاما (γ) هستند دارای طول موج و سطح انرژی متفاوتی هستند و بر همین اساس می‌توانند در فرآیندهای مختلف تشخیصی و درمانی به کار گرفته شوند. سودمندترین رادیو ایزوتوپ‌ها در پزشکی هسته‌ای رادیوایزوتوپ‌های تابش کننده پرتو گاما هستند، زیرا پرتوهایی که از این مواد در درونِ بدن تابش می‌شوند را می‌توان از بیرون بدن به سادگی تشخیص داد.
کارکردهای تشخیصی رادیوداروها
از رادیو دارو ها به دو روش برای تشخیص بهره‌گیری میشود که عبارتند از تشخیص زنده و تشخیص غیر زنده. روش‌های تشخیص زنده، آن روش‌هایی هستند که در آنها یک رادیودارو به درون بدن یک بیمار زنده وارد می‌گردد. از این رادیو دارو پرتو گاما منتشر میشود و همین پرتوها از بدن عبور کرده و خارج شده و سپس برای تامین اطلاعات مورد نظر از طریق گیرنده‌های پرتو، دریافت و مونیتور می‌شوند. روش‌های تشخیص غیر زنده آن کارهایی هستند که بر روی نمونه‌های برداشته شده از یک بیمار انجام می‌گیردو امروزه به طور گسترده‌ای در آزمایشگاه‌های پزشکی برای تعیین هورمون‌ها، داروها ، ویروس‌ها و دیگر گونه‌های آلی در سطح جهان به کار می‌رود.
کارکردهای درمانی رادیوداروها
کاربردهای درمانی رادیو داروها در مقایسه با کاربردهای تشخیص محدودتر هستند. در این موارد که در بیماران مبتلا به سرطان بسیار از آن بهره برده میشود از پرتوهای منتشر شده از رادیوداروها برای جلوگیری از تقسیم و انتشار سلولهای سرطانی و همچنین ضعیف کردن و نابودسازی آنها استفاده میشود. نابودی سلولهای سرطانی از طریق یونیزاسیون انجام میشود، بنابراین پرتوهایی که دارای یونیزاسیون مخصوص بالا بوده و نیز بردهای کوتاه دارند، برای این عمل مفید هستند، چرا که این رفتار منجر به مقدار زیاد نابودی نسوج در یک منطقه کوچک و محدود می‌گردد. بهترین ایزوتوپ‌ها برای مقاصد درمانی، آن‌هایی هستند که پرتوهای آلفا یا بتا با انرژی پایین منتشر می‌کنند.
پس از كشف راديواكتيويته توسط مادام كوري در سال 1898، براي نخستين بار در سال 1901 از چشمه راديوايزوتوپ طبيعي راديوم براي راديوگرافي در پزشكي استفاده شد. سپس از سال 1946 به بعد راديوايزوتوپ¬ها در سطح وسيعي و تقريباً در تمام رشته هاي صنعتي، پزشكي، كشاورزي و علوم براي اندازه گيري و كنترل مورد استفاده قرار گرفتند. به طوري كه در اكثر مراكز هسته اي كه داراي راكتور و دستگاه هاي مختلف شتاب دهنده هستند، تهيه و توليد اين مواد حتي تا سطح تجارتي مورد توجه قرار گرفته است. امروزه صنايع بزرگ و كوچك در كشورهاي پيشرفته در مقياس زيادي از سيستم هاي راديوايزوتوپي براي اندازه گيري و كنترل استفاده مي كنند. گسترش روزافزون موارد استعمال راديوايزوتوپ ها در رشته هاي مختلف علوم و صنعت، پژوهشگران را بر آن داشته است تا روز به روز در تهيه، توليد و كاربرد راديوايزوتوپ ها روش هاي عملي تر و دقيق تري را جستجو كنند. به طوري كه اكنون بسياري از كشورها مشغول تحقيق و بررسي در مورد استفاده بيشتر و كارايي بهتر راديو ايزوتوپ ها هستند.
صنايع زير سايه راديو ايزوتوپ ها
سيستم هاي راديوايزوتوپی كه در كارخانجات مورد استفاده قرار مي گيرند از يك چشمه راديواكتيو حفاظت شده، يك دتكتور يا آشكارساز و قسمت هاي الكترونيكي تشكيل شده اند. مهم ترين كاربردهاي اين سيستم ها در كارخانجات، عبارت است از: سترون‌سازی محصولات غذایی، تجهیزات پزشکی و آرایشی بهداشتی، كنترل سطح مايعات در قوطي هاي در بسته و يا ظروفي كه داخل آنها را نمي توان ديد، كنترل سطح مايعات در تانكرهاي بزرگ مخازن نفت، آب، موادشيميايي و...، كنترل سطح مواد جامد مانند خاك، پودر سنگ، سيمان و... در داخل بونكرهاي كارخانجات سيمان و يا واحدهاي صنعتي مشابه، كنترل سطح مواد مذاب در داخل كوره ها، كارخانجات شيشه سازي، ذوب آهن و...، اندازه گيري و كنترل غلظت تركيبات آلي، محلول هاي اسيدي و قليايي، اندازه گيري دانسيته گازها و مايعات در خطوط لوله، تشخيص نوع تركيبات نفتي در لوله هاي حامل اين مواد، تعيين ضخامت پلاستيك، كاغذ، ورقه هاي فلزي و شيشه به طور اتوماتيك در خط توليد. اما بايد راديوگرافي صنعتي را نيز به اين فهرست اضافه كرد. راديوگرافي صنعتي با استفاده از راديو ايزوتوپ ها انجام مي شود و مي تواند عيب ها و نقايص جوش هاي صنعتي را در تمامي موارد مشخص كند.
- درمان به روش نوترون تراپی با بور
امروزه درمان به روش گیراندازی نوترونی با داروهای حامل بور BNCT یکی از روش های امید بخش برای درمان انواع سرطان‌های سر و گردن و تومورهای مغزی به ویژه گلیوبلاستوما مولتی فرم می‌باشد. در این روش درمانی با تزریق دارو حامل بور و تجمع دارو در سلولهای سرطانی و با تابش نوترون طبق برهمکنش 7Li(n,α)10B تخلیه انرژی در ابعاد سلولی باعث نابودی سلولهای سرطانی و تومور می‌گردد. در حال حاضر در جهان 20 مرکز فعال درمان به روش گیر اندازی نوترون با بور وجود دارد و ایران به عنوان یکی از مراکز پویا در زمینه تحقیقات و گسترش این روش درمانی فعالیت می‌کند.
- استحاله مواد به روش هسته ای
یکی از کاربردهای راکتورهای تحقیقاتی هسته‌ای، استحاله مواد به روش هسته‌ای می‌باشد.استحاله هسته‌ای به معنی تغییر یک هسته به یک یا چندین هسته دیگر از طریق یک واکنش هسته‌ای می‌باشد. از این روش به منظور تولید انواع نیمه‌هادی‌های نوع-n و نوع-p استفاده میشود که نمونه‌های از مواد مختلف که برجسته‌ترین آنها شامل سیلیکون(Si)، ژرمانیوم(Ge)، گالیوم آرسنیک(GaAs)، گالیوم نیترات(GaN)، گالیوم فسفات(GaP)، ایندیوم فسفات(InP) و ... می‌باشد؛ در مکان ویژه پرتودهی در درون قلب راکتور قرار می‌گیرند و با برهمکنش هسته‌ای انواع نیمه رساناها تولید می‌گردد. راکتورهای تحقیقاتی هسته‌ای، BR2-بلژیک، JRR3-ژاپن، OPAL-استرالیا، HANARO-کره، FRM-II-آلمان و ... از معروفترین راکتورهای فعال در این زمینه می‌باشند. استحاله مواد نيمه هادي به روش هسته‌ای (NTD) روش مرسومي براي توليد زيرلايه هاي نيمه هادي با ناخالصي يكنواخت است. اين زيرلايه ها كاربرد فراواني در ساخت آشكارسازها و ادوات و مدارات مجتمع الكترونيك قدرت دارند.