Активность радиоактивного вещества. Применение радиоактивных изотопов. Явление радиоактивности и его использование в отраслях науки, промышленности и в медицине. Радиоактивность-способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра

Введение……………………………………………………………………3

Применение радиоактивных источников в различных

сферах деятельности человека………………………………………………………….3

Химическая промышленность

Городское хозяйство

Медицинская промышленность

Радиационная стерилизация изделий и материалов

Производство радиоизотопных электрокардиостимуляторов

Предпосевное облучение семян и клубней

Радиоизотопная диагностика (введение в организм радиоактивного препарата)

Радиоактивные отходы, проблемы их захоронения…………………..8

Неразработанность метода……………………………………………………………....12

Давление внешних обстоятельств……………………………………………………....13

Принятие решений и технологическая сложность проблемы………………………...13

Неопределённость концепции…………………………………………………………...14

Список литературы……………………………………………………….16

Введение

В настоящее время трудно найти отрасль науки, техники, промышленности, сельского хозяйства и медицины, где бы не применялись источники радиоактивности (радиоактивные изотопы). Искусственные и естественные радиоактивные изотопы – мощный и тонкий инструмент для создания чувствительных способов анализа и контроля в промышленности, уникальное средство для медицинской диагностики и лечения злокачественных опухолевых заболеваний, эффективное средство воздействия на различные вещества, в том числе органические. Наиболее важные результаты получены при использовании изотопов как источников излучения. Создание установок с мощными источниками радиоактивного излучения позволило использовать его для контроля и управления технологическими процессами; технической диагностики; терапии заболеваний человека; получения новых свойств веществ; преобразования энергии распада радиоактивных веществ в тепловую и электрическую и др. Наиболее часто для этих целей используются такие изотопы как ⁶⁰CO, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs и изотопы плутония. Для недопущения разгерметизации источников к ним предъявляются жёсткие требования по механической, термической и коррозийной устойчивости. Это обеспечивает гарантию сохранения герметичности в течение всего периода эксплуатации источника.

Применение радиоактивных источников в различных сферах деятельности человека.

Химическая промышленность

Радиационно-химическое модифицирование полиамидного полотна для придания ему гидрофильных и антистатических свойств.

Модифицирование текстильных материалов для получения шерстоподобных свойств.

Получение хлопчатобумажных тканей с антимикробными свойствами.

Радиационное модифицирование хрусталя для получения хрустальных изделий различного цвета.

Радиационная вулканизация резинотканевых материалов.

Радиационное модифицирование полиэтиленовых труб для повышения термостойкости и стойкости к агрессивным средам.

Отвердение лакокрасочных покрытий на различных поверхностях.

Деревообрабатывающая промышленность

В результате облучения мягкое дерево приобретает значительно низкую способность сорбировать воду, высокую стабильность геометрических размеров и более высокую твёрдость (изготовление мозаичного паркета).

Городское хозяйство

Радиационная очистка и обеззараживание сточных вод.

Медицинская промышленность

Радиационная стерилизация изделий и материалов

Номенклатура радиационно-стерилизуемой продукции включает свыше тысячи наименований, в том числе шприцы одноразового пользования, системы службы крови, медицинский инструментарий, шовные и перевязочные материалы, различные протезы, применяемые в сердечно-сосудистой хирургии, травматологии и ортопедии. Основное преимущество радиационной стерилизации состоит в том, что она может осуществляться непрерывно с большой производительностью. Пригодна для стерилизации готовой продукции, упакованной в транспортную тару или вторичную упаковку, а также применима для стерилизации термолабильных изделий и материалов.

Производство радиоизотопных электрокардиостимуляторов с источниками питания на основе ²³⁸Pu. Имплантируемые в организм человека, они применяются для лечения различных нарушений ритма сердца, не поддающихся медикаментозному воздействию. Применение радиоизотопного источника питания повышает их надёжность, увеличивает срок службы до 20-ти лет, возвращает больных к нормальной жизнедеятельности за счёт сокращения числа повторных операций по вживлению электрокардиостимулятора.

Сельское хозяйство и пищевая промышленность

Сельское хозяйство – важная область применения ионизирующих излучений. К настоящему времени в практике сельского хозяйства и научных исследованиях сельскохозяйственного профиля можно выделить следующие основные направления использования радиоизотопов:

Облучение с/х объектов (в первую очередь – растений) малой дозой в целях стимуляции их роста и развития;

Применение ионизирующих излучений для радиационного мутагенеза и селекции растений;

Использование метода лучевой стерилизации для борьбы с насекомыми – вредителями с/х растений.

Предпосевное облучение семян и клубней (пшеница, ячмень, кукуруза, картофель, свекла, морковь) приводит к улучшению посевных качеств семян и клубней, ускорению процессов развития растений (скороспелость), повышает устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды.

В области селекции проводятся исследования по мутагенезу. Целью является отбор макромутаций для выведения высокоурожайных сортов. Представляющие интерес радиационные мутанты уже получены для более чем 50-ти культур.

Применение ионизирующих излучений для стерилизации насекомых-вредителей на элеваторах и в зернохранилищах позволяет уменьшить потери урожая до 20%.

Известно , что ионизирующие γ-излучения предупреждают прорастание картофеля и лука, используются для дезинсекции сушёных фруктов, пищевых концентратов, замедляют микробиологическую порчу и продлевают сроки хранения плодов, овощей, мяса, рыбы. Выявлена возможность ускорения процессов старения вин и коньяка, изменение скорости созревания плодов, удаления неприятного запаха лечебных вод. В консервной промышленности (рыбной, мясомолочной, овощной и фруктовой) широкое применение имеет стерилизация консервов. Следует заметить, что исследование облучённых продуктов питания показало, что γ -облученные продукты безвредны.

Мы рассмотрели применение радиоизотопов, специфическое для отдельных отраслей промышленности. Кроме того, повсеместно в промышленности применяются радиоизотопы для следующих целей:

Измерение уровней жидкостей расплавов;

Измерение плотностей жидкостей и пульп;

Счёт предметов на контейнере;

Измерение толщины материалов;

Измерение толщины льда на летательных и других аппаратах;

Измерение плотности и влажности почво-грунтов;

Неразрушающая γ -дефектоскопия материалов изделий.

Непосредственно в медицинской практике нашло клиническое применение радиоизотопных терапевтических аппаратов, а также клиническая радиоизотопная диагностика.

Освоены γ -терапевтические аппараты для наружного γ -облучения. Эти аппараты значительно расширили возможности дистанционной γ -терапии опухолей за счёт использования вариантов статического и подвижного облучения.

К отдельным локализациям опухолей используются различные варианты и способы лучевого лечения. Стойкие пятилетние излечения при 1, 2 и 3 стадиях получены соответственно у

90-95, 75-85 и 55-60% больных. Хорошо известна также положительная роль лучевой терапии в лечении рака молочной железы, лёгкого, пищевода, полости рта, гортани, мочевого пузыря и других органов.

Радиоизотопная диагностика (введение в организм радиоактивного препарата) стала неотъемлемой частью диагностического процесса на всех этапах развития заболевания или оценки функционального состояния здорового организма. Радиоизотопные диагностические исследования могут быть сведены к следующим основным разделам:

Определение радиоактивности всего тела, его частей, отдельных органов в целях выявления патологического состояния органа;

Определение скорости передвижения радиоактивного препарата по отдельным участкам сердечно-сосудистой системы;

Изучение пространственного распределения радиоактивного препарата в теле человека для визуализации органов, патологических образований и др.

К числу наиболее важных аспектов диагностики относятся патологические изменения сердечно-сосудистой системы, своевременное обнаружение злокачественных новообразований, оценка состояния костной, кроветворной и лимфатической систем организма, которые представляют собой труднодоступные объекты для исследования традиционными клинико-интрументальными методами.

В клинической практике внедрены Nay, меченный ¹³y для диагностики заболеваний щитовидной железы; NaCe, меченный ²⁴Na для изучения местного и общего кровотока;

Na₃PO₄, меченный ³³P для изучения процессов накопления его в пигментных образованиях кожи и других опухолевых образованиях.

Ведущее значение получил метод диагностики в неврологии и нейрохирургии с использованием изотопов ⁴⁴Tc, ¹³³Xeи ¹⁶⁹Y. Он необходим для уточненного диагноза заболеваний головного мозга, а также заболеваний сердечно-сосудистой системы. В нефрологии и урологии применяются радиоактивные препараты, содержащие ¹³¹Y, ¹⁹⁷Hg,

¹⁶⁹Yb, ⁵¹Cr и ¹¹³Yn. Благодяря внедрению радиоизотопных методов обследования улучшилась ранняя заболеваемость почек и других органов.

Научно-прикладное применение р/изотопов очень широко. Остановимся на некоторых:

Практический интерес представляет использование радиоизотопных энергетических установок (РЭУ) электрической мощностью от нескольких единиц до сотен Ватт. Наибольшее пратическое применение нашли радиоизотопные термоэлектрические генераторы, в которых преобразование энергии р/а распада в электрическую осуществляется с использованием термоэлектрических преобразователей, такие энергоустановки отличаются полной автономностью, возможностью работы в любых климатических условиях, большим сроком службы и надёжностью в работе.

Радиоизотопные источники питания обеспечивают работу в системах автоматических метеорологических станций; в системах навигационного оборудования в отдалённых и необжитых районах (эл. питание маяков, створных знаков, навигационных огней).

Благодаря положительному опыту применения их в условиях низкой температуры, стало возможным использование их в Антарктиде.

Известно также, что на аппаратах, перемещавшихся по поверхности Луны (луноходах) были использованы изотопные энергетические установки с ²¹ºPo.

Применение р/а изотопов в научных исследованиях невозможно переоценить, так как все практикующие методы вытекают из положительных результатов в исследованиях.

Кроме того, следует упомянуть и такие совсем узкие специализации как борьба с вредителями в старинных предметах искусства, а также применение естественных р/а изотопов в радоновых ваннах и грязях при санаторно-курортном лечении.

По окончании срока эксплуатации р/а источники в установленном порядке должны быть доставлены на специальные комбинаты для переработки (кондиционирования) с последующим захоронением как радиоактивные отходы.

Радиоактивные отходы, проблемы их захоронения

Проблема радиоактивных отходов является частным случаем общей проблемы загрязнения окружающей среды отходами человеческой деятельности. Но в то же время резко выраженная специфика РАО требует применения специфичных методов обеспечения безопасности для человека и биосферы.

Исторический опыт обращения с производственными и бытовыми отходами сформировался в условиях, когда осознание опасности отходов и программ её нейтрализации опиралось на непосредственные ощущения. Возможности последних обеспечивали адекватность осознания связей непосредственно воспринимаемых органами чувств воздействий с наступающими последствиями. Уровень знаний позволял представить логику механизмов воздействия отходов на человека и биосферу, достаточно точно соответствующую реальным процессам. К практически выработанным традиционным представлениям о методах обезвреживания отходов исторически присоединились и разработанные с открытием микроорганизмов качественно иные подходы, образовав не только эмпирически, но и научно обоснованное методическое обеспечение безопасности человека и среды его обитания. В медицине и системах управления обществом были сформированы соответствующие подотрасли, например, санитарно-эпидемиологическое дело, коммунальная гигиена и т.п.

С бурным развитием химии и химических производств в производственных и бытовых отходах в массовых количествах появились новые, ранее не попадавшие в них элементы и химические соединения, в том числе не существующие в природе. По масштабам это явление стало сопоставимо с естественными геохимическими процессами. Человечество оказалось перед необходимостью выйти на другой уровень оценки проблемы, где должны учитываться, например, аккумулятивные и отложенные эффекты, методы выявления дозировок воздействий, необходимость применения новых методов и специальной высокочувствительной аппаратуры для обнаружения опасности и т.п.

Качественно иную опасность, хотя и сходную с химической по некоторым из признаков, принесла человеку «радиоактивность» , как явление, не воспринимаемое органами чувств человека непосредственно, не уничтожаемое известными человечеству способами и пока ещё в целом недостаточно изученное: нельзя исключить обнаружение новых свойств, воздействий и последствий этого явления. Поэтому при формировании общих и конкретных научных и практических задач «по ликвидации опасности РАО» и, в особенности, при решении этих задач возникают постоянные затруднения, показывающие, что традиционная постановка недостаточно точно отражает реальный, объективный характер «проблемы РАО». Тем не менее, идеология такой постановки широко распространена в правовых и не правовых документах общегосударственного и межгосударственного характера, которые, как можно предположить, охватывают широкий спектр современных научных воззрений, направлений, исследований и практических мероприятий; учитывают разработки всех известных отечественных и иностранных организаций, занимающихся «проблемой РАО».

Постановлением Правительства РФ от 23.10.1995 г. № 1030 утверждена Федеральная целевая Программа «Обращение с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными материалами, их утилизация и захоронение на 1996-2005 годы».

Радиоактивные отходы рассматриваются в ней «как не подлежащие дальнейшему использованию вещества (в любом агрегатном состоянии), материалы, изделия, оборудования, объекты биологического происхождения, в которых содержание радионуклидов превышает уровни, установленные нормативными актами. В Программе выделен специальный раздел «Состояние проблемы», содержащий описание конкретных объектов и общественных сфер, где происходит «обращение с радиоактивными отходами», а также общие количественные характеристики «проблемы РАО» в России.

«Большое количество накопленных некондиционированных радиоактивных отходов, недостаточность технических средств для обеспечения безопасного обращения с этими отходами и отработавшим ядерным топливом, отсутствие надёжных хранилищ для их длительного хранения и (или) захоронения повышают риск возникновения радиационных аварий и создают реальную угрозу радиоактивного загрязнения окружающей среды, переоблучения населения и персонала организаций и предприятий, деятельность которых связана с использованием атомной энергии и радиоактивных материалов».

Основные источники радиоактивных отходов (РАО) высокого уровня активности – атомная энергетика (отработанное ядерное топливо) и военные программы (плутоний ядерных боеголовок, отработанное топливо транспортных реакторов атомных подводных лодок, жидкие отходы радиохимических комбинатов и др.).

Возникает вопрос: следует ли рассматривать РАО просто как отходы или как потенциальный источник энергии? От ответа на этот вопрос зависит, хотим ли мы их хранить (в доступном виде) или захоранивать (т.е. делать недоступными). Общепринятый ответ в настоящее время состоит в том, что РАО – это действительно отходы, за исключением, может быть, плутония. Плутоний теоретически может служить источником энергии, хотя технология получения энергии их него сложна и довольно опасна. Многие страны, в том числе Россия и США, находятся теперь на распутье: «запускать» плутониевую технологию, используя плутоний, высвобождаемый при разоружении , или захоранивать этот плутоний? Недавно правительство России и Минатом объявили, что они хотят перерабатывать оружейный плутоний совместно с США; это означает возможность развития плутониевой энергетики.

В течение 40 лет учёные сравнивали варианты избавления от РАО. Главная идея – их надо поместить в такое место, чтобы они не могли попасть в окружающую среду и нанести вред человеку. Эту способность вредить РАО сохраняют в течение десятков и сотен тысяч лет. Облучённое ядерное топливо, которое мы извлекаем из реактора, содержит радиоизотопы с периодами полураспада от нескольких часов до миллиона лет (период полураспада – это время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается вдвое, причём в ряде случаев возникают новые радиоактивные вещества). Но общая радиоактивность отходов значительно снижается со временем. Для радия период полураспада составляет 1620 лет, и нетрудно подсчитать, что через 10 тысяч лет останется около 1/50 первоначального количества радия. Нормативы большинства стран предусматривают обеспечение безопасности отходов на срок 10 тысяч лет. Конечно, это не значит, что по истечении этого времени РАО более не будут опасны: мы попросту перелагаем дальнейшую ответственность за РАО на отдалённое потомство. Для этого надо, чтобы места и форма захоронения этих отходов были известны потомству. Заметим, что вся письменная история человечества меньше 10 тысяч лет. Задачи, возникающие при захоронении РАО, беспрецедентны в истории техники: люди никогда не ставили себе таких долговременных целей.

Интересный аспект проблемы состоит в том, что надо не только защищать человека от отходов, но одновременно защищать отходы от человека. За срок, отводимый на их захоронение, сменятся многие социально-экономические формации. Нельзя исключить, что в определённой ситуации РАО могут стать желанным объектом для террористов, мишенями для удара при военном конфликте и т.п. Понятно, что, рассуждая о тысячелетиях, мы не можем полагаться, скажем, на правительственный контроль и охрану – невозможно предвидеть, какие изменения могут произойти. Может быть, лучше всего сделать отходы физически недоступными для человека, хотя, с другой стороны, это затруднило бы нашим потомкам дальнейшие меры безопасности.

Понятно, что ни одно техническое решение, ни один искусственный материал не может «работать» в течение тысячелетий. Очевидный вывод: изолировать отходы должна сама природная среда. Рассматривались варианты: захоронить РАО в глубоких океанических впадинах, в донных осадках океанов, в полярных шапках; отправлять их в космос ; закладывать их в глубокие слои земной коры. В настоящее время общепринято, что оптимальный путь – захоронение отходов в глубоких геологических формациях.

Понятно, что РАО в твёрдой форме менее склонны к проникновению в окружающую среду (миграции), чем жидкие РАО. Поэтому предполагается, что жидкие РАО будут вначале переводиться в твёрдую форму (остекловываться, превращаться в керамику и т.п.). Тем не менее, в России всё ещё практикуется закачка жидких высокоактивных РАО в глубокие подземные горизонты (Красноярск, Томск, Димитровград).

В настоящее время принята так называемая «многобарьерная» или «глубоко эшелонированная» концепция захоронения. Отходы сперва сдерживаются матрицей (стекло, керамика, топливные таблетки), затем многоцелевым контейнером (используемым для транспортировки и для захоронения), затем сорбирующей (поглощающей) отсыпкой вокруг контейнеров и, наконец, геологической средой.

Итак, мы попытаемся захоранивать РАО в глубокие геологические фракции. При этом нам поставлено условие: показать, что наше захоронение будет работать, как мы это планируем, на протяжении 10 тысяч лет. Посмотрим теперь, какие проблемы мы встретим на этом пути.

Первые проблемы встречаются на этапе выбора участков для изучения.

В США, например, ни один штат не хочет. Чтобы общегосударственное захоронение размещалось на его территории. Это привело к тому, что усилиями политиков многие потенциально подходящие площади были вычеркнуты из списка, причём не на основании научного подхода, а вследствии политических игр.

Как это выглядит в России? В настоящее время в России всё ещё можно изучать площади, не ощущая значительного давления местных властей (если не предполагать при этом захоронение вблизи городов!). Полагаю, что по мере усиления реальной независимости регионов и субъектов Федерации ситуация будет смещаться в сторону ситуации США. Уже сейчас ощущается склонность Минатома переместить свою активность на военные объекты, над которыми практически нет контроля: например, для создания захоронения предполагается архипелаг Новая Земля (российский полигон № 1), хотя по геологическим параметрам это далеко не лучшее место, о чём ещё будет речь дальше.

Но предположим, что первый этап позади и площадка выбрана. Надо её изучить и дать прогноз функционирования захоронения на 10 тысяч лет. Тут появляется новая проблема.

Неразработанность метода.

Геология – описательная наука. Отдельные разделы геологии занимаются предсказаниями (например, инженерная геология предсказывает поведение грунтов при строительстве и т.п.), но никогда ещё перед геологией не ставилась задача предсказать поведение геологических систем на десятки тысяч лет. Из многолетних исследований в разных странах возникли даже сомнения, возможен ли вообще более или менее надёжный прогноз на такие сроки.

Представим всё же, что нам удалось выработать разумный план изучения площадки. Понятно, что для осуществления этого плана понадобится много лет: например, гора Яка в штате Невада изучается уже более 15 лет, но заключение о пригодности или непригодности этой горы будет сделано не ранее чем через 5 лет. При этом программа захоронения будет испытывать всё возрастающее давление.

Давление внешних обстоятельств.

В годы холодной войны на отходы не обращали внимания; они накапливались, хранились во временных контейнерах, терялись и т.п. Пример – военный объект Хэнфорд (аналог нашего «Маяка»), где находится несколько сот гигантских баков с жидкими отходами, причём для многих из них не известно, что находится внутри. Одна проба стоит 1 миллион долларов! Там же, в Хэнфорде, примерно раз в месяц обнаруживаются закопанные и «забытые» бочки или ящики с отходами.

В целом, за годы развития ядерных технологий, отходов скопилось очень много. Временные хранилища на многих атомных станциях близки к заполнению, а на военных комплексах они часто находятся на грани выхода из строя «по старости» или даже за этой гранью.

Итак, проблема захоронения требует срочного решения. Осознание этой срочности становится всё более острым, тем более что 430 энергетических реакторов, сотни исследовательских реакторов, сотни транспортных реакторов атомных подводных лодок, крейсеров и ледоколов продолжают непрерывно накапливать РАО. Но у людей, прижатых к стенке, не обязательно возникают лучшие технические решения, и возрастает вероятность ошибок. Между тем в решениях, связанных с ядерной технологией, ошибки могут очень дорого стоить.

Предположим, наконец, что мы истратили 10-20 миллиардов долларов и 15-20 лет на изучение потенциальной площадки. Пришло время принимать решение. Очевидно, идеальных мест на Земле не существует, и любое место будет иметь с точки зрения захоронения положительные и отрицательные свойства. Очевидно, придётся решить, перевешивают ли положительные свойства отрицательные, и обеспечивают ли эти положительные свойства достаточную безопасность.

Принятие решений и технологическая сложность проблемы

Проблема захоронения технически чрезвычайно сложна. Поэтому очень важно иметь, во-первых, науку высокого качества, а во-вторых, эффективное взаимодействие (как говорят в Америке – «интерфейс») между наукой и политиками, принимающими решения.

Российская концепция подземной изоляции РАО и отработанного ядерного топлива в многолетнемёрзлых породах разработана в Институте промышленной технологии Минатома России (ВНИПИП). Она была одобрена Государственной экологической экспертизой Министерства экологии и природных ресурсов РФ, Минздравом РФ и Госатомнадзором РФ. Научная поддержка концепции проводится кафедрой мерзлотоведения Московского государственного университета. Следует заметить, что эта концепция уникальна. Ни в одной стране мира, насколько мне известно, вопрос о захоронении РАО в мерзлоте не рассматривается.

Основная идея такова. Помещаем тепловыделяющие отходы в мерзлоту и отделяем их от пород непроницаемым инженерным барьером. За счёт тепловыделения мерзлота вокруг захоронения начинает подтаивать, но через какое-то время, когда тепловыделение снизится (вследствие распада короткоживущих изотопов), породы снова промёрзнут. Поэтому достаточно обеспечить непроницаемость инженерных барьеров на то время, когда мерзлота будет протаивать; после промерзания миграция радионуклидов становится невозможной.

Неопределённость концепции

С этой концепцией связано, по меньшей мере, две серьёзных проблемы.

Во-первых, концепция предполагает, что промёрзшие породы непроницаемы для радионуклидов. На первый взгляд это кажется разумным: вся вода замёрзшая, лёд обычно неподвижен и не растворяет радионуклиды. Но если внимательно поработать с литературой, то оказывается, что многие химические элементы довольно активно мигрируют в промёрзших породах. Даже при температурах – 10-12ºC в породах присутствует незамерзающая, так называемая плёночная, вода. Что особенно важно, свойства радиоактивных элементов, составляющих РАО, с точки зрения их возможной миграции в мерзлоте совершенно не изучены. Поэтому предположение о непроницаемости мёрзлых пород для радионуклидов лишено всяких оснований.

Во-вторых, если даже окажется, что мерзлота действительно хороший изолятор РАО, то невозможно доказать, что сама мерзлота просуществует достаточно долго: напомним, что нормативы предусматривают захоронение на срок в 10 тысяч лет. Известно, что состояние мерзлоты определяется климатом, причём двумя наиболее важными параметрами – температурой воздуха и количеством атмосферных осадков. Как вы знаете, температура воздуха повышается в связи с глобальным изменением климата. Наивысший темп потепления приходится как раз на средние и высокие широты северного полушария. Ясно, что такое потепление должно привести к протаиванию льда и сокращению мерзлоты.

Как показывают расчёты, активное протаивание может начаться уже через 80-100 лет, и темп протаивания может достичь 50 метров в столетие. Таким образом, мёрзлые породы Новой Земли могут полностью исчезнуть за 600-700 лет, а это всего 6-7% от времени, требуемого для изоляции отходов. Без мерзлоты карбонатные породы Новой Земли обладают весьма низкими изолирующими свойствами по отношению к радионуклидам.

Проблема хранения и захоронения радиоактивных отходов (РАО) – важнейшая и нерешённая проблема ядерной энергетики.

Никто в мире пока не знает, где и как хранить высокоактивные РАО, хотя работы в данном направлении ведутся. Пока речь идёт о перспективных, а отнюдь не промышленных технологиях заключения высоко активных РАО в тугоплавкое стекло или керамические соединения. Однако неясно, как это материалы поведут себя под воздействием заключённых в них РАО в течение миллионов лет. Столь длительный срок хранения обусловлен огромным периодом полураспада ряда радиоактивных элементов. Ясно, что выход их наружу неизбежен, ибо материал контейнера, в котором они будут заключены столько не «живёт».

Все технологии обработки и хранения РАО условны и сомнительны. А если атомщики будут по своему обыкновению, оспаривать этот факт, то уместно будет спросить их: «Где гарантия, что все существующие хранилища и могильники уже сейчас не являются носителями радиоактивного заражения, так как все наблюдения за ними скрываются от общественности?».

В нашей стране существуют несколько могильников, хотя об их существовании стараются умолчать. Наиболее крупный расположен в районе Красноярска под Енисеем, где происходит захоронение отходов большинства российских атомных электростанций и ядерные отходы ряда европейских государств. При проведении научно-изыскательских работ по данному хранилищу результаты оказались положительными, но в последнее время наблюдения показывают нарушение экосистемы реки Енисей, что появились рыбы-мутанты, изменилась структура воды в определённых районах, хотя данные научных экспертиз тщательно скрываются.

В мире захоронения высокоактивных РАО ещё не осуществляется, имеется опыт лишь временного их сохранения.

Список литературы

1. Вершинин Н. В. Санитарно-технические требования к закрытым радиационным источникам.

В кн. «Труды симпозиума». М., Атомиздат, 1976 г.

2. Фрумкин М. Л. и др. Технологические основы радиационной обработки пищевых продуктов. М., Пищевая промышленность, 1973 г.

3. Брегер А. Х. Радиоактивные изотопы – источники излучений в радиационно-химической технологии. Изотопы в СССР, 1975 г., № 44 с 23-29.

4. Перцовский Е. С., Сахаров Э. В. Радиоизотопные приборы в пищевой, лёгкой и целлюлозно-бумажной промышленности. М., Атомиздат, 1972 г.

5. Воробьёв Е. И., Побединский М. Н. Очерки развития отечественной радиационной медицины. М., Медицина, 1972 г.

6. Выбор площадки для строительства хранилища радиоактивных отходов. Э. И. М., ЦНИИатоминформ, 1985 г., № 20.

7. Современное состояние проблемы захоронения радиоактивных отходов в США. Атомная техника за рубежом, 1988 г., № 9.

8. Хейнонен Дис, Дисера Ф. Захоронение ядерных отходов: процессы, происходящие в подземных хранилищах: Бюллетень МАГАТЭ, Вена, 1985 г., т. 27, № 2.

9. Геологические исследования площадок для окончательного удаления радиоактивных отходов: Э. И. М.: ЦНИИатоминформ, 1987 г., № 38.

10. Брызгалова Р. В., Рогозин Ю. М., Синицына Г. С. и др. Оценка некоторых радиохимических и геохимических факторов, определяющих локализацию радионуклидов при захоронении радиоактивных отходов в геологические формации. Материалы 6 симпозиума СЭВ, т. 2, 1985 г.

радиация частица облучение радон

Люди научились применять радиацию в мирных целях, с высоким уровнем безопасности, что позволило поднять практически все отрасли на новый уровень.

Получение энергии с помощью АЭС. Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности - все это требует затрат энергии. Эта отрасль является одной из самых быстроразвивающихся. За 30 лет общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт.

Мало у кого вызывает сомнения то, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе человечества.

Рассмотрим применение радиации в дефектоскопии. Рентгеновская и гамма-дефектоскопия - одно из наиболее распространенных применений излучения в промышленности, позволяющее контролировать качество материалов. Рентгеновский метод является неразрушающим, так что проверяемый материал может затем использоваться по назначению. И рентгеновская, и гамма-дефектоскопия основаны на проникающей способности рентгеновского излучения и особенностях его поглощения в материалах.

Гамма-излучение применяется для химических превращений, например, в процессах полимеризации.

Пожалуй, одной из самых главных развивающихся отраслей является ядерная медицина. Ядерная медицина - раздел медицины, связанный с использованием достижений ядерной физики, в частности, радиоизотопов, и т. д.

На сегодняшний день ядерная медицина позволяет исследовать практически все системы органов человека и находит применение в неврологии, кардиологии, онкологии, эндокринологии, пульмонологии и других разделах медицины.

С помощью методов ядерной медицины изучают кровоснабжение органов, метаболизм желчи, функцию почек, мочевого пузыря, щитовидной железы.

Возможно не только получение статических изображений, но и наложение изображений, полученных в разные моменты времени, для изучения динамики. Такая техника применяется, например, при оценке работы сердца.

В России уже активно применяются два типа диагностики с использованием радиоизотопов - сцинтиграфия и позитронно-эмиссионная томография. Они позволяют создать полные модели работы органов.

Медики считают, что при малых дозах радиация оказывает стимулирующее воздействие, тренируя систему биологической защиты человека.

На многих курортах используются радоновые ванны, где уровень радиации немного выше чем в природных условиях.

Было замечено, что у принимающих эти ванны улучшается работоспособность, успокаивается нервная система, быстрее заживают травмы.

Исследования иностранных учёных говорят о том, что частота и смертность от всех видов рака ниже в областях с более высоким естественным радиационным фоном (к таковым можно отнести большинство солнечных стран).

Явление радиоактивности и его использование в отраслях науки, промышленности и в медицине

Подготовил: учащийся

школы № 26 г. Владимир

Хруполов К.

Еще одна загадка природы

Конец 19 и начало 20 веков были исключительно богаты головокружительными открытиями и изобретениями, о которых люди могли только мечтать. Идея о возможности получения неисчерпаемой энергии, заключенной в ничтожно малом количестве вещества жила в тайниках человеческой мысли.

Известным ученым того времени был Беккерель, который поставил перед собой цель разгадать природу таинственного свечения некоторых веществ под влиянием солнечного излучения. Беккерель собирает огромную коллекцию светящихся химических веществ и природных минералов.

Цель работы

• Изучение понятия радиоактивности, ее открытие.

• Выяснить, как применяются радиоактивные изотопы в науке, промышленности и медицине.

• Определить ценность явления радиоактивности в мире.

Явление радиоактивности

Радиоактивность-способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Как же использовать явление радиоактивности?

Применение радиоактивности в медицине

Радиотерапия-использование сильного излучения для уничтожения раковых клеток.

Радиоактивный йод накапливается в щитовидной

железе, определяет нарушения функций и

применяется при лечении базедовой болезни.

Меченый по натрию физиологический раствор измеряет скорость кровообращения, определяет проходимость кровеносных сосудов конечностей.

Радиоактивный фосфор измеряет объем крови, лечит от эритремии.

Применение радиоактивности в промышленности

Одним из примеров этого может служить следующий способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

Применение радиоактивности в сельском хозяйстве

Облучение семян растений небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором Р. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

Открытие явления радиоактивности.

Открытие явления радиоактивности можно отнести к числу наиболее выдающихся открытий современной науки. Именно благодаря ему человек смог значительно углубить свои познания в области структуры и свойств материи, понять закономерности многих процессов во Вселенной, решить проблему овладения ядерной энергией.

Потенциал великой науки

До момента открытия радиоактивности ученые считали,что им были известны все физические явления и открывать нечего.

Есть ли вероятность,что в мире есть что-то еще,не известное человечеству?

Какое именно ядро в радиоактивном веществе распадется первым, какое — следующим, какое — последним? Физики утверждают, что узнать это невозможно: распад того или иного ядра радионуклида — событие случайное. Вместе с тем поведение радиоактивного вещества в целом подчиняется четким закономерностям.

Узнаём о периоде полураспада

Если взять закрытую стеклянную колбу, содержащую некоторое количество Радона-220, окажется, что примерно через 56 с количество атомов Радона в колбе уменьшится в два раза, в течение следующих 56 с — еще в два раза и т. д. Таким образом, понятно, почему интервал времени 56 с называют периодом полураспада Радона-220.

период полураспада T 1/2 — это физическая величина, которая характеризует радионуклид и равна времени, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида.

Период полураспада некоторых радионуклидов

Единица периода полураспада в СИ — секунда:

У каждого радионуклида — свой период полураспада (см. таблицу).

Образец содержит 6,4 · 10 20 атомов Йода-131. Сколько атомов Йода-131 будет в образце через 16 суток?

Даём определение активности радиоактивного источника

И Уран-238, и Радий-226 являются α-радиоактивными (их ядра могут спонтанно распадаться на α-частицу и соответствующее дочернее ядро).

Из какого образца за 1 с вылетит больше α-частиц, если число атомов Урана-238 и Радия-226 одинаково?

Надеемся, вы правильно ответили на вопрос и, учитывая, что периоды полураспада данных радионуклидов отличаются почти в 3 млн раз, установили, что за одно и то же время в образце радия произойдет намного больше α-распадов, чем в образце урана.

Физическую величину, численно равную количеству распадов, происходящих в радиоактивном источнике за единицу времени, называют активностью радиоактивного источника.

Активность радиоактивного источника обозначают символом A. Единица активности в СИ — беккерель.

Рис. 24.1. График зависимости активности Радия-226 от времени. Период полураспада Радия-226 — 1600 лет

История открытия искусственных радиоактивных изотопов

Первый искусственный радиоактивный изотоп (15P) был получен в 1934 г. супругами Фредерикоми Ирен Жолио-Кюри. Облучая α-частицами алюминий, они наблюдали излучение нейтронов, то есть происходила следующая ядерная реакция:

Итальянский физик Энрико Фермиизвестен несколькими достижениями, но свою высшую награду — Нобелевскую премию — он получил за открытие искусственной радиоактивности, вызванной облучением вещества медленными нейтронами. Сейчас метод облучения нейтронами широко применяют в промышленности для получения радиоактивных изотопов.

1 Бк — это активность такого радиоактивного источника, в котором за 1 с происходит 1 акт распада:

1 Бк — это очень малая активность, поэтому используют внесистемную единицу активности — кюри (Ки):

В честь каких ученых названы указанные единицы? Какие открытия они сделали?

Если образец содержит атомы только одного радионуклида, то активность этого образца можно определить по формуле:

где N — число атомов радионуклида в образце на данный момент времени; λ — постоянная радиоактивного распада радионуклида (физическая величина, являющаяся характеристикой радионуклида и связанная с периодом полураспада соотношением:

Со временем количество нераспавшихся ядер радионуклидов в радиоактивном образце уменьшается, поэтому уменьшается и активность образца (рис. 24.1).

Узнаём о применении радиоактивных изотопов

Наличие в объекте радионуклидов можно выявить по излучению. Вы уже выяснили, что интенсивность излучения зависит от вида радионуклида и его количества, которое со временем уменьшается. Все это положено в основу использования радиоактивных изотопов, которые физики научились получать искусственно. Сейчас для каждого химического элемента, встречающегося в природе, получены искусственные радиоактивные изотопы.

Можно выделить два направления использования радиоактивных изотопов.

Рис. 24.2. Чтобы выяснить, как растения усваивают фосфорные удобрения, в эти удобрения добавляют радиоактивный изотоп Фосфора, затем исследуют растения на радиоактивность и определяют количество усвоенного фосфора

Рис. 24.3. Использование γ-излучения для лечения онкозаболеваний. Чтобы γ-лучи не уничтожали здоровые клетки, используют несколько слабых пучков γ-лучей, которые фокусируются на опухоли

1. Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно определить наличие элемента, проследить за поведением элемента во время физических и биологических процессов и т. д. (см., например, рис. 24.2).

2. Использование радиоактивных изотопов как источников γ-излучения (см., например, рис. 24.3).

Рассмотрим несколько примеров.

Выясняем, как используют радиоактивные изотопы для диагностики заболеваний

Организм человека имеет свойство накапливать в своих тканях определенные химические вещества. Известно, например, что щитовидная железа накапливает йод, костная ткань — фосфор, кальций и стронций, печень — некоторые красители и т. д. Скорость накопления веществ зависит от состояния здоровья органа. Например, при базедовой болезни активность щитовидной железы резко возрастает.

За количеством йода в щитовидной железе удобно следить при помощи его γ-радиоактивного изотопа. Химические свойства радиоактивного и стабильного йода не отличаются, поэтому радиоактивный Йод-131 будет накапливаться так же, как и его стабильный изотоп. Если щитовидная железа в норме, то через некоторое время после введения в организм Йода-131 γ-излучение от него будет иметь определенную оптимальную интенсивность. А вот если щитовидная железа функционирует с отклонением от нормы, то интенсивность γ-излучения будет аномально высокой или, наоборот, низкой. Аналогичный метод применяют для исследования обмена веществ в организме, выявления опухолей и др.

Понятно, что, используя указанные методы диагностики, необходимо тщательно дозировать количество радиоактивного препарата, чтобы внутреннее облучение оказывало минимальное негативное воздействие на организм человека.

Определяем возраст древних предметов

Рис. 24.4. Полученный из молодого дерева 1 г углерода имеет активность 14-15 Бк (излучает 14-15 β-частиц в секунду). Через 5700 лет после гибели дерева количество β-распадов в секунду уменьшается вдвое

Рис. 24.5. Самую распространенную медицинскую продукцию: шприцы, системы переливания крови и т. п. — перед отправкой потребителю тщательно стерилизуют с использованием γ-излучения

В атмосфере Земли всегда имеется некоторое количество β-радиоактивного Карбона-14 (^C), который образуется из Нитрогена в результате ядерной реакции с нейтронами. В составе углекислого газа этот изотоп поглощается растениями, а через них — животными. Пока животное или растение живы, содержание радиоактивного Карбона в них остается неизменным. После прекращения жизнедеятельности количество радиоактивного Карбона в организме начинает уменьшаться, уменьшается и активность β-излучения. Зная, что период полураспада Карбона-14 составляет 5700 лет, можно определить возраст археологических находок (рис. 24.4).

Применяем γ-излучение в технике

Особое значение в технике имеют гамма-дефектоскопы, с помощью которых проверяют, например, качество сваренных соединений. Если мастер, приваривая петли к воротам, допустил брак, через некоторое время петли отвалятся. Это неприятно, но ситуация поправима. А вот если брак случился при сварке элементов конструкции моста или ядерного реактора, трагедия неминуема. Благодаря тому что γ-лучи по-разному поглощаются массивной сталью и сталью с пустотами, гамма-дефектоскоп «видит» трещины внутри металла, а следовательно, выявляет брак еще на стадии изготовления конструкции.

Уничтожаем микробы с помощью радиации

Известно, что определенная доза облучения убивает организмы. Но ведь не все организмы полезны человеку. Так, медики постоянно работают над тем, чтобы избавиться от болезнетворных микробов. Вспомните: в больницах моют пол со специальными растворами, облучают помещение ультрафиолетом, обрабатывают медицинские инструменты и т. д. Такие процедуры называют дезинфекцией и стерилизацией.

Поставить процесс стерилизации на промышленную основу позволили особенности γ-излучения (рис. 24.5). Такая стерилизация осуществляется в специальных установках

с надежной защитой от проникающей радиации. В качестве источника γ-лучей используют искусственно созданные изотопы Кобальта и Цезия

Учимся решать задачи

Задача. Определите массу Радия-226, если его активность составляет 5 Ки. Постоянная радиоактивного распада Радия-226 равна 1,37 · 10 11 с 1 .

Анализ физической проблемы, поиск математической модели

Для решения задачи воспользуемся формулой для определения активности: A = AN. Зная активность, выясним количество N атомов Радия. Массу вещества можно определить, умножив число атомов на массу одного атома: m = N ■ m 0 .

Из курса химии вы знаете:

1 моль вещества содержит N A = 6,02 10 атомов;

молярная масса вещества (масса 1 моль).

Масса атома

Подводим итоги

Время, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида, называют периодом полураспада Т 1/2 . Период полураспада является характеристикой данного радионуклида. Физическую величину, которая численно равна количеству распадов, происходящих в данном радиоактивном источнике за единицу времени, называют активностью радиоактивного источника. Если источник содержит атомы только одного радионуклида, активность A источника можно определить по формуле A = AN, где N — количество атомов радионуклида в образце; λ — постоянная радиоактивного распада радионуклида. Единица активности в СИ — беккерель (Бк).

Со временем активность радиоактивного образца уменьшается, и это используют для определения возраста археологических находок.

Искусственные изотопы применяют для стерилизации медицинских изделий, диагностики и лечения заболеваний, выявления дефектов в металлах и др.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение периода полураспада. Что характеризует эта физическая величина? 2. Что такое активность радиоактивного источника? 3. Какова единица активности в СИ? 4. Как активность радионуклида связана с его постоянной радиоактивного распада? 5. Изменяется ли со временем активность радионуклидного образца? Если изменяется, то почему и как? 6. Приведите примеры использования радиоактивных изотопов.

Упражнение № 24

1. Имеется одинаковое количество ядер Йода-131, Радона-220 и Урана-235. Какой радионуклид имеет наибольший период полураспада? Активность какого образца на данный момент времени наибольшая? Поясните ответ.

2. В образце содержится 2 · 10 20 атомов Йода-131. Определите, сколько ядер Йода в образце распадется в течение часа. Активность Йода-131 на протяжении этого времени считайте неизменной. Постоянная радиоактивного распада Йода-131 равна 9,98 · 10 -7 с -1 .

3. Период полураспада радиоактивного Карбона-14 составляет 5700 лет. Во сколько раз уменьшилось количество атомов Карбона-14 в сосне, срубленной 17 100 лет назад?

4. Определите период полураспада радионуклида, если за интервал времени 1,2 с количество распавшихся ядер составило 75 % их начального количества.

5. На данный момент в радиоактивном образце содержится 0,05 моль Радона-220. Определите активность Радона-220 в образце.

6. На сегодня одними из самых важных считаются исследования обмена веществ в организме человека с помощью радиоактивных изотопов. В частности, выяснилось, что за сравнительно небольшое время организм почти полностью восстанавливается. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте об этих исследованиях больше.

Физика и техника в Украине

Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»

(ХФТИ) — всемирно известный научный центр. Основан в 1928 г. по инициативе академика А. Ф. Иоффе как Украинский физико-технический институт с целью исследований в области ядерной физики и физики твердого тела.

Уже в 1932 г. в институте был достигнут выдающийся результат — осуществлено расщепление ядра атома Лития. Позднее в лабораторных условиях получены жидкие водород и гелий, построен первый трехкоординатный радиолокатор, проведены первые исследования высоковакуумной техники, что послужило толчком к развитию нового физико-технологического направления — вакуумной металлургии. Ученые института сыграли важную роль в решении проблем использования атомной энергии.

В разные годы в ННЦ ХФТИ работали выдающиеся физики: И. В. Обреимов, Л. Д. Ландау, И. В. Курчатов, К. Д. Синельников, Л. В. Шубников, А. И. Лейпунский, Е. М. Лифшиц, И. М. Лифшиц, А. К. Вальтер, Б. Г. Лазарев, Д. Д. Иваненко, А. И. Ахиезер, В. Е. Иванов, Я. Б. Файнберг, Д. В. Волков и др. В институте были созданы научные школы, известные во всем мире.

В ННЦ ХФТИ расположены крупнейший в СНГ линейный ускоритель электронов и совокупность термоядерных комплексов «Ураган».

Генеральный директор центра — известный украинский физик, академик НАНУ Николай Федорович Шульга.

Это материал учебника

1. Биологические действия. Радиоактивные излучения гибельно действуют на живые клетки. Механизм этого действия связан с ионизацией атомов и разложением молекул внутри клеток при прохождении быстрых заряженных частиц. Особенно чувствительны к воздействию излучений клетки, находящиеся в состоянии быстрого роста и размножения. Это обстоятельство используется для лечения раковых опухолей.

Для целей терапии употребляют радиоактивные препараты, испускающие излучение, так как последние без заметного ослабления проникают внутрь организма. При не слишком больших дозах облучения раковые клетки гибнут, тогда как организму больного не причиняется существенного ущерба. Следует отметить, что радиотерапия рака, так же как и рентгенотерапия, отнюдь не является универсальным средством, всегда приводящим к излечению.

Чрезмерно большие дозы радиоактивных излучений вызывают тяжелые заболевания животных и человека (так называемая лучевая болезнь) и могут привести к смерти. В очень малых дозах радиоактивные излучения, главным образом излучение, оказывают, напротив, стимулирующее действие на организм. С этим связан целебный эффект радиоактивных минеральных вод, содержащих небольшие количества радия или радона.

2. Светящиеся составы. Люминесцирующие вещества светятся под действием радиоактивных излучений (ср. §213). Прибавляя к люминесцирующему веществу (например, сернистому цинку) очень небольшое количество соли радия, приготовляют постоянно светящиеся краски. Эти краски, будучи нанесены на циферблаты и стрелки часов, прицельные приспособления и т.п., делают их видимыми в темноте.

3. Определение возраста Земли. Атомная масса обыкновенного свинца, добываемого из руд, не содержащих радиоактивных элементов, составляет . Как видно из рис. 389, атомная масса свинца, образующегося в результате распада урана, равна . Атомная масса свинца, содержащегося в некоторых урановых минералах, оказывается очень близкой к . Отсюда следует, что эти минералы в момент образования (кристаллизации из расплава или раствора) не содержали свинца; весь наличный в таких минералах свинец накопился в результате распада урана. Используя закон радиоактивного распада, можно по отношению количеств свинца и урана в минерале определить его возраст (см. упражнение 32 в конце главы).

Определенный таким методом возраст минералов различного происхождения, содержащих уран, измеряется сотнями миллионов лет. Возраст древнейших минералов превышает 1,5 миллиарда лет.