Использование радиоактивных веществ в мирных целях

Введение

Радиоактивность представляет собой свойство некоторых веществ к самопроизвольному распаду ядра, который сопровождается мощным излучением. В настоящее время данное свойство используется в различных отраслях народного хозяйства: в теплоэнергетике, в медицине, в машиностроении и т.д.
В связи с активным использованием радиоактивных веществ образуется большое количество радиоактивных отходов, которые являются основным источником опасности. Также как и риск возникновения ЧС на объектах, использующих радиоактивные вещества. В мировой практике известны несколько таких случаев: авария на предприятии «Маяк», авария на Чернобыльской АЭС, авария на АЭС г. Фукусима, что обуславливает актуальность данной темы.
Целью данной работы является изучение направлений использования радиоактивных веществ в мирных целях. Для достижения поставленной цели был определен ряд задач:
- изучить физические основы и свойства радиоактивных веществ;
- изучить направления использования радиоактивных веществ в различных отраслях народного хозяйства;
- проанализировать мероприятия по защите от действия радиоактивных веществ.

1. Характеристика и свойства радиоактивных материалов
Как известно, любое вещество состоит из молекул, молекулы из атомов. В структуру атома входит ядро и электронное облако. Атомное ядро представлено двумя типами частиц – протонами и нейтронами, которые имеют общее название нуклон.
Заряд ядра соответствует порядковому номеру элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева и определяется количеством протонов.
Массовое число А соответствует общему количеству нуклонов – протонов Z и нейтронов N:
A=Z+N
Нуклиды, которые имеют одинаковое количество протонов (Z=const), называются изотопами. Они отличаются массовым числом (А), а следовательно, и количеством нейтронов. В связи с этим все изотопы являются одним и тем же химическим элементом.
Атом, который образовался в следствие радиоактивного превращения, обладает собственным специфическим излучением и может сам оказаться радиоактивным со своим периодом полураспада. Данное явление среди всех естественных радиоактивных веществ является относительно распространенным.
Радиоактивность как явление представляет собой самопроизвольный распад ядра со строго установленной вероятностью, который сопровождается ядерным излучением.
Для большинства нуклидов (ядра всех изотопов химических элементов) характерна нестабильность и постоянное превращение в другие нуклиды. Цепочка превращений сопровождается следующими видами излучений:
- в упрощенном виде, испускание ядром двух протонов и двух нейтронов (альфа–частицы) называют альфа–излучением, альфа–частицы: относительно тяжелые, положительно заряженные частицы, представляющие собой ядра гелия.
- испускание электрона представляет собой бета–излучение, причем оба этих процесса сопровождаются выделением большого количества энергии, бета–частицы – это электроны и позитроны.
В некоторых случаях дополнительно осуществляется выброс чистой энергии, который называется гамма–излучением.
Радиоактивное загрязнение природных сред, в частности, компонентов окружающей среды на территории Российской Федерации в настоящее время может быть обусловлено следующими источниками:
- глобальным распределением долгоживущих радиоактивных изотопов
– продуктов испытаний ядерного оружия, проводившихся в атмосфере и под землёй;
- выбросом радиоактивных веществ из 4-го блока Чернобыльской АЭС в апреле – мае 1986 года;
- выбросами радиоактивных веществ в окружающую среду от предприятий атомной промышленности (плановыми или аварийными);
- выбросами в атмосферу и сбросами в водные системы радиоактивных веществ с действующих АЭС в процессе их нормальной эксплуатации;
- привнесенной радиоактивностью (твёрдые радиоактивные отходы и радиоактивные источники).

2. Использование радиоактивных веществ
2.1 Топливная промышленность
Ядерное топливо (ЯТ) – это материал, служащий для получения энергии в ядерных реакторах.
Ядерное топливо производится (изготавливается) с использованием двух видов ядерного горючего:
– природного уранового, содержащего делящиеся ядра U-235, а также сырье U-238, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний Pu-239;
– вторичного, которого не встречается в природе. Для изготовления ядерного топлива используют уран двух видов – уран, полученный и обогащенный из урановой руды, и уран, выделенный в результате переработки ОЯТ (рециклированный). Свежее топливо поступает на АЭС в виде тепловыделяющих сборок (ТВС).
Существует так же МОКС топливо, это ядерное топливо, состоящее из смеси диоксидов урана и плутония. МОКС-топливо используется в реакторах на тепловых нейтронах более 30 лет. В настоящее время во всем мире МОКСтопливо используется на 33 тепловых реакторах.
Топливная промышленность для реакторов представлена четырьмя ведущими группами, которые обеспечивают 85% потребностей в топливе: Toshiba-Westinghouse, AREVA NP-MHI, ТК «ТВЭЛ» и Hitachi General Electric.
В России топливо для ядерных реакторов производится на предприятиях топливной компании «ТВЭЛ».
В состав ТК «ТВЭЛ» входят три основных завода по фабрикации топлива: ОАО «Машиностроительный завод» (Электросталь, Московская обл.), ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» (Новосибирск, Новосибирская обл.) и ОАО «Чепецкий механический завод» (Глазов, Удмуртия), на котором изготавливаются циркониевые изделия и урановая продукция. [1]
Ядерная (атомная) энергетика является рентабельной и очень перспективной отраслью, которая на сегодняшний день обеспечивает почти 3% всей потребляемой человеком энергии. Особенно важное экономическое значение ядерный сектор энергетики имеет в странах, испытывающих недостаток в природных энергоресурсах, однако и в России развитию данной отрасли уделяется все больше внимания.
Плюсы атомной энергетики человечество научилось использовать не только для получения энергии на АЭС. Радиоактивные изотопы нашли свое применение также в качестве топлива на атомных подводных лодках и ледоколах, активно ведутся разработки экономичных и мощных ядерных двигателей для ракет и других космических летательных аппаратов.
Сторонники применения радиации в энергетике приводят множество доводов в пользу такого способа получения энергии:
значительная экономия природных ресурсов;
низкая итоговая себестоимость энергии;
большие мощности;
надежность поставок энергии;
практически неисчерпаемые (если брать в расчет современные объемы потребления) запасы урана в земной коре;
отсутствие большого количества вредных выбросов в атмосферу.
Учитывая все эти преимущества, можно полагать, что в будущем человечество будет продолжать выявлять и использовать в полезных для себя целях новые возможности атомной энергии, которая при осторожном обращении не представляет практически никакой опасности для экологической ситуации на планете [2].

2.2 Медицина
В настоящее время применение радиоактивных изотопов в клинике происходит в двух направлениях:
- первый путь связан с применением радиоактивных изотопов для диагностики различных патологических состояний;
- второй путь касается применения радиоактивных изотопов с лечебными целями.
Это лечение облучением всего организма, которое применяется, в частности в терапии злокачественных опухолей щитовидной железы. Такая методика основана на уникальной способности клеток этого органа вытягивать йод из организма подобно магниту. Они делают это даже тогда, когда вместо обычного йода им «подсовывают» его радиоактивный изотоп. Сей невидимый «лекарь» находит и уничтожает больные клетки щитовидной железы, в том числе и распространившиеся по всему организму. Предварительно пораженную щитовидку удаляют.
Радиоактивный йод, используемый для лечения облучением, упаковывают специальным образом – по принципу «матрешки»

. Он находится в небольшом флаконе, который помещается в свинцовую капсулу, ее же, в свою очередь, упаковывают в металлическую банку. Чтобы добыть лекарство, техник вскрывает банку консервным ножом и открывает капсулу, затем переливает радиоактивный йод в стакан – делать это можно только за стеклом с помощью специальных приспособлений. Приготовленный раствор передается пациенту, который должен выпить его до дна. Сразу после этого облученный радиацией человек прикрывает рот салфеткой, чтобы не допустить попадания опасных паров в воздух, и отправляется в палату. Он проводит в изоляции 3-4 дня, пока уровень радиации не снизится до безопасного. Такие палаты отрезаны от внешнего мира: в них нет плинтусов, всегда плотно закрыты окна, а вода из крана течет не в канализацию, а в специальную накопительную емкость с установленными в ней фильтрами. Эти меры помогают предотвратить проникновение частиц радиоактивного йода за пределы палаты.
Лечение внутренним облучением (брахитерапия). Метод основан на облучении пораженного органа изнутри с помощью радиоактивных веществ, которые находятся в имплантатах, имеющих вид трубки, капсулы или тонкого провода. Эти элементы вводят вручную или с помощью медицинского оборудования непосредственно в опухоль либо рядом с ней.
Брахитерапия бывает:
Постоянной. Имплантат вводится в организм для внутреннего облучения и остается в нем навсегда. Радиация работает определенное время, затем излучение постепенно затихает.
Временной. Радиоактивный материал помещается внутрь на несколько минут, часов или дней. Получаемая доза может быть, как низкой, так и высокой, в зависимости от тактики лечения.
Пациент остается в медучреждении в течение всего периода нахождения имплантата в организме. Если облучение длится всего несколько минут, как правило, проводят повторные сеансы.
Наружная радиотерапия. Отличие этого метода в том, что источник излучения находится на расстоянии от тела больного, то есть радиация воздействует на определенную часть организма снаружи. Такое лечение проводят курсами. Предварительно пациента обследуют, затем врач-радиолог определяет дозу применяемой с медицинскими целями радиации. После этого медики с помощью специального оборудования устанавливают точное место облучения. Дистанционная лучевая терапия требует от пациента сохранения неподвижной позы, чтобы излучение проецировалось исключительно на пораженные участки.
Врачи используют опасные свойства радиоактивных материалов для лечения большого числа заболеваний, в основном злокачественного характера. Цель лучевой терапии – уничтожить раковые клетки, которые быстрее здоровых растут и делятся, поэтому больше подвержены разрушающему действию ионизирующего излучения.
Современные методы лучевой терапии предусматривают минимальное вовлечение здоровых тканей в лечебный процесс. При общем облучении сделать это трудно, но лечебный эффект обычно превышает вред, так как здоровые клетки, в отличие от раковых, после радиотерапии восстанавливаются хотя бы частично.
Представить современную медицину без рентгенологической диагностики невозможно. Недаром медики называют рентгеновские лучи исцеляющими. Они помогают ставить точные диагнозы в стоматологии, хирургии, травматологии.
С целью диагностики в медицине применяют также радиоактивные изотопы. Этот метод называется «сцинтиграфия». После введения в организм источники радиации концентрируются в определенном органе. Врач локализует место излучения и оценивает его с помощью высокочувствительной гамма-камеры, которая устанавливается над исследуемым местом. Она передает снимок на монитор компьютера, помогая врачу «увидеть», что происходит с данной частью организма. В зависимости от количества и особенностей распределения в тканях радиоактивного изотопа специалисты делают выводы о функциях и состоянии органа. [3]
Метод радиоавтографии нашел широкое применение в морфологии и патогистологии. Благодаря этому методу стало возможным изучать распределение в тканях и клетках различных химических соединений, меченных изотопными индикаторами. Успешно применяются радиоактивные изотопы при патофизиологических и фармакологических исследованиях. С помощью метода изотопной индикации изучаются пути распространения лекарственных веществ в организме и их механизм действия, изыскиваются более рациональные методы лечения.
Возможности применения радиоактивных веществ в медицине неограниченны. В настоящее время даже трудно назвать какую-либо дисциплину, в которой не применялись бы радиоактивные изотопы.

2.3 Использование радиоактивности в сельском хозяйстве
Применение современных достижений ядерной физики в животноводстве и ветеринарии, а также в других отраслях сельского хозяйства развивается в следующих основных направлениях:
1) радионуклиды применяются как индикаторы (меченые атомы) в исследовательских работах в области физиологии и биохимии животных и растений, а также в разработке методов диагностики и лечения заболевших животных;
2) радионуклиды и ионизирующие излучения используются в селекционно-генетических исследованиях в области растениеводства, животноводства, микробиологии и вирусологии;
3) непосредственное применение ионизирующих излучений как процесса радиационно-биологической технологии (РБТ) для:
- стерилизации, консервирования, увеличения сроков хранения и обеззараживания пищевых продуктов и фуража, сырья животного происхождения (шерсть, кожа, пушнина и т. д.), биологических и фармакологических препаратов (вакцины, сыворотки, питательные среды, витамины и т. д.), хирургического шовного и перевязочного материалов, приборов, устройств и инструментария, которые не подлежат температурной и химической обработке;
-стимуляции роста и развития животных и растений с целью повышения хозяйственно полезных качеств;
- борьбы с вредными насекомыми и оздоровления окружающей среды;
- стерилизации животноводческих стоков и др.
В России для нужд сельского хозяйства и научных исследований в области радиационно-биологической технологии создан целый ряд передвижной стационарной техники. Передвижные гамма-установки типа «Колос», «Стебель», «Стерилизатор» смонтированы на автомашинах или автоприцепах. Они предназначены для предпосевного облучения семян зерновых, зернобобовых, технических и других культур в условиях колхозов и совхозов.
Многолетние производственные испытания предпосевного облучения семян кукурузы, картофеля, свеклы, зерновых и других культур в различных республиках нашей страны показали возможность повышения урожая семян и зеленой массы на 15--20%. Следовательно, только за счет внедрения этого агроприема можно получить в масштабах страны большой экономический эффект без расширения посевных площадей.
Стимулирующее действие ионизирующего излучения используют при разведении лекарственных растений для ускорения роста и увеличения выхода лекарственно-ценного вещества (алкалоидов и др.). [2]

2.5 Прочие отрасли народного хозяйства
Другими видами применения являются облучение пищевых продуктов (несколько коммерческих и некоторое количество меньших, демонстрационных установок), дезинфекция сточных вод.
Облучением культур дрожжей выведены их расы, вырабатывающие в 2 раза больше эргостерина, чем исходные. Такое наследственно закрепленное изменение обмена веществ имеет большое значение для витаминной промышленности.
Уже много десятилетий радиация успешно применяется в промышленной сфере. Использование ядерной энергии позволяет решать многие очень важные задачи этой отрасли, в частности, проблему утилизации продуктов нефтепереработки, переработки тяжелых углеводородов и других веществ со сложным молекулярным строением, контроля утечек вредных веществ и многие другие задачи. Кроме того, радиоактивные изотопы в промышленности используются для:
- получения новых полимеров;
- производства строительных материалов;
- выявления скрытых дефектов в инженерных коммуникациях;
- определения толщины пластика, бумаги и других материалов;
- исследования смазочных материалов;
- решения различных строительных и горнодобывающих задач посредством контролируемых ядерных взрывов.
Среди главных преимуществ радиационного метода можно назвать высокую скорость выполнения той или иной задачи, возможность полной или частичной автоматизации промышленных процессов, низкие затраты (по сравнению с другими источниками энергии) на интеграцию установок радиационной обработки в уже установленные технологические линии.
Радиация в промышленности сегодня применяется повсеместно, и эффективность ее использования не подвергается сомнению ни одним специалистом