Тема 6 (частина 1). Використання радіонуклідів та джерел іонізуючого опромінення в промисловості та сільському господарстві.

Питання теми та основні терміни

Ø Процеси ядерного енергетичного циклу.

Ø Використання радіонуклідів в промисловості.

Ø Використання радіонуклідів в хімії.

Ø Застосування радіонуклідів у медицині та біології.

Ø Радіонукліди в сільському господарстві.

Ø Радіаційна обробка продуктів харчування.

Основні терміни теми: радіонукліди, нейтрони, реактор, радіаційна безпека, радіаційне опромінення, використання, застосування, радіаційна обробка.

Інформаційні матеріали теми

Використання радіонуклідів та джерел іонізуючого опромінення в промисловості та сільському господарстві

Проблемна ситуація. Технологічний прогрес, новітні технології дуже часто, якщо не завжди мали певний ризик у використанні.

На сьогоднішній день ми не дивуємось використанню радіаційного випромінювання в ядерній енергетиці, промисловості, сільському господарстві, хімії, медицині, харчовій промисловості тощо. Але, разом з тим, не зник ризик опромінення людей понад допустимі (порогові) дози, а тільки підвищився.

Тому, як і де використовуються технології із застосуванням радіаційного опромінення потрібно чітко знати і гарантовано контролювати.

1. н.п. Процеси ядерного енергетичного циклу

АЕС - тільки частина паливно-енергетичного комплексу. Це тільки підприємство, де виробляється кінцевий продукт - електроєнергія. А в комплекс входять: видобування, транспортування, збагачення тощо.

Джерелом енергії в ядерному реакторі є ланцюгова реакція розпаду ядер під дією нейтронів, з утворенням двох уламків та 2-3 нейтронів. Повне енерговиділення до 200 МеВ - величезна теплотворна здатність. Здатність ділитися і приймати участь у ланцюговій реакції мають такі радіонукліди  , , ,  Тільки  зустрічається в природі, причому його вміст в природному урані складає 0,7 %, інше приходиться на ізотоп  (99,3%).

При взаємодії нейтронів з ядрами  реакція захвату нейтронів без ділення переважає над реакцією ділення. Для здійснення реакції поділу необхідно або збагачувати природний уран (збільшувати до 7%), або забезпечувати в зоні реакції процес уповільнення нейтронів до теплових швидкостей. Перший спосіб використовується в реакторах на швидких нейтронах, другий - в реакторах на теплових нейтронах, в активній зоні яких встановлюється уповільнювач. Паливом для останнього служить уран, збагачений до 1,8-4,4%.

Природний уран  підлягає таким видам перероблення:

1) його збагачують  на заводі по розділенню ізотопів;

2) переводять у відповідну фіз.-хім. форму на заводі по виготовленню палива  (перетворюють в порошок UO  і спікають у паливні пігулки);

У процесі збагачення утворюються дві фракції:

- відвальний, чи збіднений уран;

- збагачений уран.

Тип реакторів.

У відповідності з двома способами здійснення ланцюгової реакції усі реактори поділяють на дві категорії:

1) реактори на теплових нейтронах;

2) реактори на швидких нейтронах (швидкі реактори).

Основна частина реактору – активна зона, що утворюється завантаженим ядерним паливом у вигляді ТВЕЛів (тепловиділяючих елементів). У ній відбувається ланцюгова реакція. Важлива частина реактору - система управління і захисту реактора (СУЗ), яка здійснює управління роботою реактора, в т.ч. запуск і відключення ( аварійне). До СУЗ також відносяться стрижні, які містять речовини, що поглинають нейтрони (бор, кадмій тощо). Введення цих елементів в канал СУЗ активної зони призводить до розриву ланцюгової реакції розпаду. Особливістю реактора на теплових нейтронах є наявність уповільнювача в активній зоні  (важка вода, графіт, звичайна вода).

Більше використовуються реактори на теплових нейтронах із слабо збагаченим, або природнім ураном двох типів:

- водо-водяний енергетичний реактор (ВВЕР), в якому вода одночасно є і уповільнювачем і теплоносієм.

- канальний енергетичний реактор, з графітовим уповільнювачем і водою в якості тепло носія РБМК (реактор великої потужності) - чорнобильського типу.

Активна зона ВВЕР складається з тепловиділяючих зборок (ТВЗ) і каналів СУЗ. У ТВЗ розташований пучок ТВЕЛів - герметичні порожні циліндри з цирконієвого сплаву (1=2,5-3m;d=1cm),  заповнені пігулками з UO . В зоні може знаходитись до 48 тис. ТВЕЛів.

Двоконтурна система - передачі тепла: вода в першому контурі подається під тиском до 15 МПа в реактор, де нагрівається, проходячи через активне зону, за рахунок тепловиділення ТВЕЛів і надходить в парогенератор. Проходячи крізь нього вода нагріває воду другого контуру до кінця, і знов йде в реактор. Пар, що утворився в парогенераторі поступає в турбогенератор.

РБМК - розміщують в бетонній шахті. Кожух утворює герметичну порожнину - реакторний простір, в ньому знаходиться графітова кладка (уповільнювач нейтронів) з циліндричними отворами в яких розташовані технологічні канали і канали СУЗ. В кожному технологічному каналі встановлені паливні зборки із ТВЕЛами. Графітна кладка продувається азотно-гелієвою сумішшю. Для передачі тепла використовується одноконтурна система: вода, проходячи крізь ТК нагрівається до кипіння. В барабані-сепараторі пар виділяється від води і подається на турбогенератор. Після охолодження пар конденсується у воду і повертається. Вихід пару можливий крізь мікротріщини.

Реактор типу ВВЕР утворює щорічно біля 40000 Ки газоподібних радіоактивних відходів, реактор РБМК - на порядок вище. Чорнобильська хмара двічі обійшла земну кулю. В результаті було викинуто 3 % палива (біля 5 т), яке містить 20 кг плутонію. При рівномірному розподілі цього вистачить для практично вічного ( =23-24 тис. років) забруднення в 20 тис. км  (територія Ізраїля). Частина плутонію може перетворитися в америцій – потужне джерело g опромінення.

 

Рис. 1. Схема ядерного технічного циклу.

Кожна із стадій ядерно-енергетичного комплексу характеризується утворення того чи іншого виду забруднення. При видобуванні уранових руд  виникають такі види відходів, як шахтні води, рудні відвали, рудничне повітря. Вміст урану у водах досягає 0,3 – 10 мг/л. Об’єм шахтних вод може складати до 2 тис. м3 за добу і більше. Рудні відвали у вигляді хвостів грохочення.

2. н.п. Використання радіонуклідів в промисловості

Застосовуються для визначення товщини прокату чорних і кольорових металів, паперу, пластмас, гуми, тощо. Переваги: вимірювання проводять безконтактним методом  (без порушення поверхні). При проходженні g випромінень крізь шар об’єкту, що контролюється, інтенсивність пучку зменшується за експоненційним законом.

При вимірюванні невеликої товщини використовують джерело b опромінення (з невеликою енергією). Для великої товщини-джерело g опромінення (більш високої енергії ( )). Для вимірювання товщини покриття одного матеріалу іншим

 

Рис. 2. Схема використання джерела радіаційного випромінення

1-джерело іонізуючого опромінення; 2-захисний контейнер; 3-обєкт контролю; 4-детектор опромінення; 5-випромінювальний пристрій; 6-самописець; 7-валки.

Використовується залежність відбиття b-опромінення від товщини покриття. Число відбитих b частинок залежить від товщини шару нанесеного матеріалу на його склад.

Даний вид дозволяє автоматизувати процес і більш точно вимірювати. При контролі зварних швів використовують просвічування g - променями (т. з. g - дефектоскопи).

3. н.п. Використання радіонуклідів в хімії

Широке використання отримав метод мічених атомів (або метод радіоактивних індикаторів). До стабільного ізотопу додається радіонуклід, що дозволяє прослідкувати поведінку в системі стабільного ізотопу через радіоактивну мітку.

Цей метод застосовується також для отримання:

1) чистих металів, наприклад, рідкоземельних, благородних;

2) визначають хімічну формулу;

3) визначають чистоту металу;

4) хід хімічних реакцій;

5) широко використовується для вимірювання висоти рівня рідини, кульки, сипучих матеріалів в закритих резервуарах (високотоксичні, агресивні, легко горючі, з великою температурою). Такі рівнеміри називають радіоізотопними (стаціонарні, переносні);

6) за поглинанням g-випромінення можна безконтактно визначити щільність і густину матеріалів (можна застосовувати і нейтронне опромінення);

7) у радіаційній хімії при використанні іонізуючого опромінення змінюють властивості матеріалів (міцність, кислотостійкість, температуростійкість, змочуваність, здатність до фарбування а ін.);

8) Визначають вміст речовин до  г (нейтронне опромінення, що викликає перехід речовини у радіоактивний стан; за інтенсивністю р-та g-опромінення визначають концентрацію).

4. н.п. Застосування радіонуклідів у медицині та біології

- діагностика та лікування злоякісних пухлин, максимально швидке пригнічення пухлинного росту ( променева операція). В якості джерела g- опромінення використовують  . Випускаються стаціонарні установки, в яких вузький пучок g-квантів можна сконцентрувати у патологічному осередку, розташованому на різні глибині в організмі. Перспективне використання важких частинок оскільки в них max енергія виділяється в кінці пробігу.

- в дерматології для лікування шкірних захворювань, на хворе місце накладають аплікатор. У наслідок малої проникаючої здатності b частинок їх дії підлягають тільки верхні шари тканини.

- радіодіагнастика (порушення функції легенів, пороки серця, печінки, щитової залози).

- в нейрохірургії ( хворі клітини накопичують радіонукліди, здорові-ні).

Якщо пацієнт випиває воду, в якій міститься  , можна визначити швидкість накопичення його щитовидною залозою.

5. н.п. Радіонукліди в сільському господарстві

У сільському господарстві радіонукліди використовуються в наступних сферах:

- радіаційна генетика (нові сорти);

- дозволяє оцінити ефективність добрив (метод міченого атому);

- втрата здатності до проростання насіння;

- іонізуюче опромінення призводить до статевої стерилізації шкідників на елеваторах.

6. н.п. Радіаційна обробка продуктів харчування

Досліди було розпочато з 1943 р. (в Англії-Кембридж). У 1986 р. – в 55 країнах. На сьогодні дозволено в 33 країнах для 40 продуктів. Доза – не більше, ніж 10 кГр (10000 Дж/кг.). На устаткування повинна бути ліцензія.

Поглинену дозу неможливо перевірити на продукті, оскільки не розроблений метод індикації опромінених продуктів. Ці продукти перевозять у спеціальних контейнерах. Маркування-опроміненні продукти. Ці продукти можна переробляти в інші (чіпси, сухі порошки, пластівці).

У грудні 1988 р. на міжнародній конференції було зроблено такі висновки:

-  опромінення збільшує термін зберігання (стійкість);

-  визначення споживачами радіаційної обробки є вирішальним фактором.

При 10 кГр виділяється температура -2,4 .

  пастеризація – 50-60 ,

  стерилізація - 120  .

Жири після опромінення окисляються швидше.

Для затримування пророщування картоплі і цибулі –0,1кГр, плодів - 0,3, дезинфекція - 0.6, знищення комах-паразитів - 0,5-5кГр. Джерелом є  . При дії жорсткого опромінення можливе утворення вторинної радіоактивності: при електронному і фотонному опроміненні.

Узагальнення. Достатньо давно почався період використання радіонуклідів та джерел іонізуючого опромінення в промисловості, сільському господарстві, а також в хімії, медицині, харчовій промисловості і дуже широко – в енергетиці.

На даний час неможливо відказатися від послу, які дають нам радіоактивні джерела, і особливо ті, що використовуються в ядерній енергетиці.

Знаючи ці великі переваги у використанні, ризик радіонуклідів не зменшився. Навпаки, людина все більше і більше отримує середньорічну дозу опромінення. Задача екологів – перешкодити зростанню такого несанкціонованого опромінення, забрудненню довкілля радіонуклідами.

Література для самоосвіти: 4, 14.

Питання для самоконтролю:

1. Дати характеристику ядерно-енергетичного комплексу.

2. Які типи ядерних реакторів експлуатуються на Україні та в чому їх відмінність?

3. Охарактеризувати схему ядерного технічного циклу.

4. Як використовуються радіонукліди в промисловості, чи існує небезпека опромінення населення?

5. В чому полягає застосування “метода мічених атомів” в хімії?

6. Які радіонукліди використовуються в медицині?

7. У чому полягає ефективність застосування радіонуклідів у сільському господарстві?

8. Що дає споживачу радіаційна обробка продуктів харчування?