Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Радионуклиды и их применение в народном хозяйстве

Разновидность атома с определенным числом протонов и нейтронов в ядре, характеризующаяся определенным атомным номером и атомной массой, называется нуклидом. Радионуклиды — это нуклиды, способные к радиоактивному распаду. Стабильные и радиоактивные нуклиды данного химического элемента называют его изотопами. В 1934 г. французскими учеными Фредериком Жолио и Ирэн Кюри было открыто явление искусственной радиоактивности, суть которого состоит в том, что помимо существующих в природе, т.н. естественных радионуклидов, в процессе ядерных реакций могут быть получены новые радионуклиды, в природе не встречающиеся.

Искусственные радионуклиды могут быть получены при бомбардировке ядер стабильных нуклидов потоками альфа-частиц, протонами, дейтронами и другими элементарными частицами. Наиболее эффективным методом получения искусственных радионуклидов является облучение стабильных нуклидов потоками тепловых нейтронов, которые, проникая в атомные ядра, образуют радионуклид того же химического элемента. Напр., в результате захвата нейтрона ядрами стабильных нуклидов фосфора-31, кобальта-59, иридия-191 образуются радионуклиды — фосфор-32, кобальт-60, иридий-192.

В настоящее время известно свыше тысячи искусственных радионуклидов, многие из которых широко применяются в науке, технике, медицине, промышленности и сельском хозяйстве. Основные области, в которых используются искусственные радионуклиды: лучевая терапия, неразрушающий контроль за качеством изделий, слежение за ходом технологических процессов, радиационная технология. Широко распространен также метод меченых атомов.

Метод меченых атомов

Этот метод существенно расширил возможности научных исследований и позволил установить новые закономерности в различных отраслях науки и техники. Сущность его заключается в следующем. Если к обычному стабильному элементу добавить небольшое количество радиоактивного изотопа того же элемента, они, обладая одинаковыми химическими свойствами, будут вступать в одни и те же химические соединения и одинаково распределяться в химических и биологических системах. Но радиоактивные изотопы являются источниками альфа-, бета- и гамма-излучения, которое легко обнаруживается. Поэтому на основании распределения радионуклида можно судить и о распределении стабильного нуклида в тех или иных процессах. Метод меченых атомов широко применяется в медицине. Напр., радиоактивный фосфор (фосфор-32) используется для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. С его помощью «метят» эритроциты крови, которые затем внутривенно вводят в организм и по степени их разноса оценивают количество циркулирующей в организме крови.

Радиоактивный йод (йод-131) применяется для определения функционального состояния щитовидной железы как при заболеваниях собственно железы, так и гипертонической болезни, пороках сердца и т. д. Радиоактивный йод (как и стабильный) при введении в организм преимущественно накапливается в клетках щитовидной железы, поэтому, определив количество накопившегося в ней радиоактивного йода, можно сделать вывод о ее функционировании. Он используется также и для диагностики метастазов рака щитовидной железы, при лечении повышенной функции щитовидной железы (базедова болезнь), его применение иногда позволяет избежать серьезного оперативного вмешательства. Радиоактивный йод используют и при диагностике заболеваний других органов — опухолей мозга, выделительной функции почек.

Радиоактивный натрнй (натрий-24) применяют для выявления сосудистых заболеваний. Для этого внутривенно в организм вводится физиологический раствор, с добавлением натрия-24. Клинический радиометр фиксирует время поступления натрия-24 с током крови в исследуемый орган, это позволяет локально определить скорость кровотока (что является важным показателем в диагностике сосудистых заболеваний) либо выявить наличие тромба. Натрий-24 используют также для изучения проницаемости сосудов и тканей, определения функционального состояния почек.

Коллоидный радиоактивный изотоп золота (золото-192) вводят в небольшом количестве в кровь больного для исследования функции почек. Метод меченых атомов используется для исследования процессов всасывания в желудке и кишечнике, пищеварения и других функций, а также при проверке состояния желудочно-кишечного тракта после тяжелых операций.

Радиоактивные изотопы могут быть введены в организм в терапевтических целях. Существуют злокачественные опухоли, малочувствительные к внешнему облучению, что делает применение гамма-терапии неэффективным. В этих случаях непосредственно в опухоль вводится радиоактивный изотоп того химического элемента, которому свойственно накапливаться именно в этом органе. Как правило, в этих целях используют чистые бета-излучатели, поэтому здоровые ткани не повреждаются (бета-частицы практически полностью поглощаются тканями самой опухоли).

С помощью метода меченых атомов было доказано, что кислород, выделяющийся во время биологической деятельности растений и фотосинтеза, образуется не из углекислоты, а из молекул воды, содержащихся в растении, которые разлагаются на водород и кислород под воздействием светового излучения (фотолиз воды). С помощью радиоактивного фосфора были изучены механизмы усвоения фосфора растениями, а также исследованы процессы нарушения фосфорного баланса в почве. Также были определены оптимальные сроки и способы внесения удобрений в почву, исследовано поведение микроэлементов в почве и их роль в развитии растений. Метод меченных атомов позволил впервые определить растворимость многих соединений, для которых ранее она не могла быть установлена в силу ее ничтожно малой величины.

Метод меченых атомов используется и в технике, напр, для обнаружения повреждений газопроводов. Если зафиксирована утечка газа на одном из отрезков, в газ, проходящий по трубам, добавляют смесь газа с небольшим количество радиоактивных веществ, затем проходят вдоль трубы с прибором, регистрирующим гамма-излучение, фиксируя место просачивания газа.

Лучевая терапия

Вскоре после открытия радиоактивности было установлено, что излучение, испускаемое при радиоактивном распаде, губительно действует на здоровые органы и ткани, а также организм в целом при воздействии в больших дозах. Вместе с тем оказалось, что лучи радия можно использовать для лечения некоторых кожных заболеваний и форм рака. Однако широкого развития применение радия не получило в связи с его опасностью.

Возможность получать в ядерных реакторах практически в неограниченном количестве радионуклиды любого химического элемента открыла новые перспективы перед лучевой терапией. Искусственные радионуклиды — кобальт-60, цезий-137, иридий-192 — не только заменили дорогостоящий радий, но и существенно расширили возможности лучевой терапии.

В 1952—1953 гг. в СССР были созданы два первых гамма-терапевтических аппарата, интенсивность излучения которых эквивалентна 20 и 400 г радия соответственно. Эти аппараты позволили сократить длительность сеансов лучевой терапии (до нескольких минут); появилась возможность длиннофокусной терапии, т.е. облучения глубоких опухолей (рак легкого, желудка и т. д.). В настоящее время в России используются гамма-терапевтические аппараты типов "Луч" и "Агат" с активностью источников ионизирующего излучения (кобальт-60) несколько тысяч кюри, соответственно длительность сеанса составляет 2—6 мин. Аппараты снабжены плавно регулируемыми диафрагмами для ограничения потока излучения, что способствует надежному предохранению здоровых тканей организма от облучения. Аппараты имеют дистанционное управление и снабжены лазерной наводкой.

С 1950-х гг. в дерматологии стали использовать фосфор-32 для лечения капиллярных ангиом, экземы, нейродермитов, псориаза и других кожных заболеваний.

Неразрушающий контроль за качеством изделий

С помощью рентгеновского или гамма-излучения (радиационная дефектоскопия) может быть осуществлен контроль за качеством изделий без разрушения изделия. Такой контроль начал интенсивно применяться вскоре после открытия рентгеновского излучения. До конца 1940-х гг. в радиационной дефектоскопии использовалось в основном рентгеновское излучение. Сравнительно невысокая энергия излучения, генерируемая на рентгеновских аппаратах (около 200 кэВ), ограничивала возможности радиационной дефектоскопии. Изделия и заготовки большой толщины (150—200 мм) были недоступны такому контролю (напр, толстые стальные слитки и прокатные листы для корабельных корпусов и магистральных трубопроводов). Особое значение приобрел контроль за качеством сварных швов. Использование с этой целью радия (гамма-излучатель) тормозилось из-за дороговизны и дефицита естественных радионуклидов. Пионером в становлении и развитии неразрушающего контроля за качеством изделий на основе искусственных радионуклидов стал Советский Союз, который первым в мире начал серийное производство гамма-дефектоскопов. С 1950 г. в СССР начали использовать гамма-излучение искусственного радионуклида кобальта-60 для неразрушающего контроля за качеством сварных швов и стальных плит при строительстве судов.

Использование искусственных радионуклидов, являющихся гамма-излучателями различного энергетического спектра, таких как цезий-137, иридий-192, европий-155, тулий-170, селен-75, церий-144, позволило значительно расширить диапазон доступных для контроля изделий большой толщины.

Около 10 тыс. различных модификаций гамма-дефектоскопов используется при строительстве магистральных газо- и нефтепроводов, на предприятиях судостроительной и авиационной промышленности, в машиностроении и других отраслях народного хозяйства России.

Слежение за ходом технологических процессов

Способность излучения, испускаемого при радиоактивном распаде, ионизировать воздух, создавая в нем электропроводимость, а также его способность в той или иной степени поглощаться определенными веществами (в зависимости от толщины и плотности поглотителя) позволяют использовать радионуклиды для контроля за технологическими процессами в различных отраслях народного хозяйства. Напр., по степени ослабления гамма- или бета-излучения легко контролировать толщину стальной ленты, бумаги, искусственной кожи и т.д. Портативный прибор (толщинометр) устанавливают радом с лентой, сматываемой в рулон, и он фиксирует все отклонения от заданного размера.

В различных отраслях промышленности применяют приборы для автоматического контроля и регулирования уровня и плотности жидких и сыпучих материалов. В частн., радиоактивные индикаторы уровня используют для автоматического управления процессом плавки каустика, бесконтактного измерения уровня шихты в доменной печи, а также для автоматической подачи сигнала, разрешающего загрузку печи при достижении уровня шихты, заданного программой. На некоторых металлургических заводах внедрены радионуклидные автоматические регуляторы уровня жидкого металла при непрерывной разливке стали.

Эффективность борьбы с пожарами во многом зависит от своевременного обнаружения места возгорания и сигнализации. Здесь также используются радионуклиды. Дымовая пожарная установка СДПУ-1 пред¬назначена для выявления мест возгорания при появлении дыма, подачи звукового и оптического сигналов тревоги и включения противопожарной автоматики.

Серьезной проблемой для текстильной, бумажной, полиграфической, фотокинопленочной и других отраслей промышленности является статическое электричество, т.е. накопление электрических зарядов на материалах вследствие их трения между собой или о детали станков, машин и т. д. Статическое электричество снижает качество продукции, а иногда является причиной пожаров. Для устранения статического электричества используются радионуклидные нейтрализаторы. Источник излучения (как правило, плутоний-239) помещают рядом с заряженной поверхностью, и за счет перехода на эту поверхность ионов противоположного знака, образованных в воздухе в результате ионизации его альфа-частицами, испускаемыми плутонием-239, происходит нейтрализация накопившегося электрического заряда.

Около 100 тыс. радионуклидных приборов технологического контроля различного назначения выпускает ежегодно промышленность России.

Радиационная технология

Мощные радионуклидные источники позволили в промышленных масштабах целенаправленно изменять свойства существующих материалов и соединений, ускорять протекание химических реакций. Появилась радиационно-химическая технология. Так, радиационная вулканизация каучуков позволяет повысить прочность, термостойкость и морозостойкость резинотехнических изделий. Разработан процесс радиационного получения термостойкой самослипающейся изоляционной ленты и резиностсклоткани.

Наиболее перспективным направлением в радиационной химии является радиационная полимеризация, позволяющая синтезировать новые химические материалы, которые невозможно получить другим путем. В части., в результате воздействия ионизирующего излучения получены новые сорта смазочных масел и присадок к ним, компоненты для производства моющих средств и т.д.

Радионуклидные источники электроэнергии

Радионуклиды начинают использовать и в космических исследованиях. Любой космический аппарат требует энергообеспечения для создания необходимого теплового режима, работы бортовой аппаратуры и т.д.

В этих целях используют малогабаритные атомные источники тепловой и электро - энергии на основе искусственных радионуклидов. Наиболее подходящими для этих целей являются полоний-210 (период полураспада 138 суток) и плутоний-238 (период полураспада 89,6 года). Наряду с этим созданы радионуклидные энергетические источники на основе бета-излучателей — стронция-90 и церия-144. Электрическая мощность радионуклидных генераторов составляет от единиц до нескольких сот ватт. Впервые подобный энергоисточник был применен на «Луноходе-1»; он представлял собой тепловой блок, состоящий из герметичных капсул с полонием-210 и теплообменников с газовым теплоносителем.

Радионуклидные источники тепло- и электроэнергии в настоящее время используются также для энергоснабжения радиометеорологических станций, маяков, электробуев, высокогорных станций по изучению космического излучения и т. д.

Активность радионуклидов, применяемых в источниках тепловой и электрической энергии, составляет от десятков до 150 тыс. Ки, что выдвигает новые технические проблемы, связанные с необходимостью исключения утечек радиоактивных веществ в окружающую среду при использовании в земных условиях и космических аппаратах.

 

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика