Важнейшие проблемы радиохимии.
Радиохимия изучает химические свойства и физико-химические закономерности поведения радиоактивных элементов, методы их выделения и концентрирования. Это промышленная отрасль, связанная с получением высокоактивных материалов и регенерацией ядерного горючего, разработкой методов применения радионуклидов. Открытие и изучение практически всех химических элементов, начиная с полония-84 – заслуга радиохимиков.
Специфические свойства объектов исследования радиохимии обусловлены ультрамалыми концентрации радионуклидов (до 10 -12 атомов в дм3 и менее).
Важнейшей проблемы современной радиохимии:
1)Развитие методов подготовки ядерного горючего для ядерных реакторов АЭС и переработки облученного ядерного горючего.
Известно ,что применяются три способа использования ядерного горючего:
Первый из них – это деление ядерного горючего ( например, урана – 235) без какого-либо использования избыточного нейтрона. Такой способ наименее экономичен, но позволяет создавать установки небольшого веса ( например, судовые).
Второй способ отличается тем , что часть нейтронов, образовавшийся при делении ядер, используется для образования нового ядерного горючего ( из урана-238, тория -232). Вновь полученное ядерное горючее так же «сгорает», и этот процесс, в свою очередь, сопровождается образованием новой порции горючего. В этом случае, хотя и используются по- прежнему весьма малая часть природного урана, ресурсы ядерного горючего могут быть увеличены в 2-3 раза. Этот способ находит широкое применение.
Третий способ характерен тем, что в принципе может быть использован весь добытый природный уран. Для этого надо «сжигать» ядерное горючее в реакторах на быстрых нейтронах. Несомненно, что это наиболее перспективный метод.
Что касается ресурсов ядерного горючего, то мнение специалистов по этому вопросу очень сильно расходится. Ядерное горючее встречается в природе в весьма малых концентрациях, и разные авторы по-разному оценивают те минимальные концентрации, при которых использование его будет ещё больше рентабельным. По-видимому, можно считать, что в случает полного использования добываемого природного урана его запасы ( разработка которых будет рентабельной) по энергетическому эквиваленту не менее запасов химических топлива.
Следует сказать, что точка зрения о целесообразности широкого строительства атомных электростанций претерпевало изменения. После первоначального оптимистического подхода многие специалисты стали выражать сомнения. Главными причинами этих сомнений были: относительно высокая стоимость всех или почти всех реально построенных атомных электростанций по сравнению с проектами( что объясняется в основном новизной дела) и снижение стоимости тепловых электростанций. Можно думать, что ближайшие годы создадут реальные возможности для широкого строительства атомных электростанций. Что касается районов, бедных энергоресурсами и особенно удаленных районов , то там строительство атомных электростанций выгодно и сейчас.
2)Разработка эффективных методов радионуклидной диагностики производственных и исследовательских систем, особенно с применением короткоживущих радионуклидов, быстрый и полный распад которых обеспечивает безвредность последующего использования соответствующих веществ.
Радионуклидный метод - это способ исследования функционального и морфологического состояния органов и систем с помощью радиоактивных нуклидов и меченных ими индикаторов. Эти индикаторы - их называют радиофармацевтическими препаратами (РФП) - вводят в организм больного, а затем посредством различных приборов определяют скорость и характер перемещения, фиксации и выведения их из органов и тканей. Кроме того, для радиометрии могут быть использованы кусочки тканей, кровь и выделения больного. Несмотря на введение лишь ничтожно малых количеств индикатора (сотые и тысячные доли микрограмма), не оказывающих влияния на нормальное течение жизненных процессов, метод обладает исключительной чувствительностью.
Типичная радионуклидная диагностическая система состоит из источника излучения (РФП), объекта исследования, приемника излучения и врача (радиолога-диагноста). Приемник излучения включает в себя детектор, электронный блок для преобразования электрических сигналов от детектора и блок индикации, т. е. систему представления данных исследования.
3)Получение широкого ассортимента медицинских препаратов, содержащих радионуклиды типа 99 TC для диагностики и лечения заболевания.
4)Обеспечение безопасных методов обращения с высокорадиоактивными отходами.
Важность безопасного обращения с радиоактивными отходами для защиты здоровья человека и окружающей среды признано давно и в этой области накоплен значительный опыт. Международное агентство по атомной энергии ( МАГАТЭ) разработало и опубликовало нормы и руководства для безопасного обращения с радиоактивными отходами, которые приняты на международном уровне. Радиоактивные отходы могут находиться в трех физических формах:
1.Газообразной , например, вентиляционные выбросы установок, где обрабатываются радиоактивные материалы;
2. Жидкой, начиная от растворов сцинтилляционных счетчиков из исследовательских установок до жидких высокоактивных отходов, образующихся при переработке отработавшего топлива;
3. Твёрдой – загрязненные расходные материалы, стеклянная посуда из больницы, медицинских исследовательских установок и радиофармацевтических лабораторий, остеклованные отходы от переработки топлива или отработавшего топлива от АЭС, когда оно считается отходами.
Способы хранения и захоронения отходов зависят от их формы, радионуклидного состава, а так же от концентрации радиотоксичности радионуклидов, содержащихся в отходах.
Международно признанная цель обращения с радиоактивными отходами состоит в таком обращение с ними, которое обеспечивает защиту здоровья и окружающей среды сейчас и в будущем, не налагая чрезмерного бремени на будущее поколение.
В окружающей среде радиоактивные отходы могут воздействовать не только на человека, но и на другие организмы. Однако, поскольку человек относится к существам, наиболее чувствительным к облучению и ионизирующим излучением, нормам безопасности, признаны достаточными для защиты человека, являются достаточными и для защиты других организмов.
Основные стадии обращения с высокорадиоактивными отходами.
При хранении радиоактивных отходов их следует содержать таким образом, чтобы :
- обеспечивались их изоляция, охрана и мониторинг окружающей среды;
- по возможности облегчались действия на последующих этапах ( если они предусмотрены).
В некоторых случаях хранение может осуществляться главным образом по технических соображениям, например, хранение радиоактивных отходов, содержащих в основном короткоживущие радионуклиды в целях их распада и последующего сброса в санкционированных пределах или хранения радиоактивных отходов высокого уровня активности до их захоронения в геологических формациях в целях уменьшения тепловыделения.
Предварительная обработка отходов является первоначальной стадии обращения с отходами. Она включает сбор, регулирования химического состава и дезактивацию и к ней может относиться период промежуточного хранения. Эта стадия очень важна, так как во многих случаях в ходе предварительной обработке представляется наилучшая возможность для разделения потоков отходов.
Обработка радиоактивных отходов включает операции, цель которых состоит в повышении безопасности или экономичности посредствам изменений характеристик радиоактивных отходов. Основные концепции обработки: уменьшение объема, удаление радионуклидов и изменение состава. Примеры:
- сжигание горючих отходов или уплотнение сухих твердых отходов;
- выпаривание, фильтрация или ионный обмен потоков жидких отходов;
- осаждение или флокуляция химических веществ.
Кондиционирование радиоактивных отходов состоит из таких операций в процессе которых радиоактивным отходам предают форму, приемлемую для перемещения, перевозки, хранения и захоронения. Эти операции могут включать иммобилизацию радиоактивных отходов, помещение отходов в контейнеры и обеспечение дополнительной упаковки. Общепринятые методы иммобилизации включают отверждение жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности путем их включения в цемент ( цементирования) или битум ( битумирование), а так же остекловывание жидких радиоактивных отходов. Иммобилизованные отходы в свою очередь в зависимости от характера и их концентрации могут упаковываться в различные контейнеры, начиная от обычных 200- литровых стальных бочек до имеющих сложную конструкцию контейнеров с толстыми стенками. Во многих случаях обработка и кондиционирование проводятся в тесной связи друг с другом.
Захоронение главным образом состоит в том, что радиоактивные отходы помещаются в установку для захоронения при соответствующем обеспечении безопасности без намерения их изъятия и без обеспечения долгосрочного наблюдения за хранилищем и технического обслуживания. Безопасность в основном достигается посредством концентрации и удержания, что предусматривает изоляцию надлежащим образом концентрированных радиоактивных отходов в установке захоронения.
5)Развитие методов радиохимического анализа и мониторинга радиоактивности окружающей среды.
Методы анализа, основанные на радиоактивности, возникли в эпоху развития ядерной физики, радиохимии , атомной техники и с успехом применяются в настоящее время при проведении разнообразных анализов в том числе, в промышленности и геологической службе.
Основными достоинствами аналитических методов, основанных на измерении радиоактивного излучения, являются низкий порог обнаружения анализируемого элемента и широкая универсальность. Радиоактивационный анализ имеет абсолютно низший порог обнаружения среди всех других аналитических методов. Достоинством некоторых радиометрических методик является анализ без разрушения образца, а методов, основанных на измерении естественной радиоактивности, - быстрота анализа. Ценная особенность радиометрического метода изотопного разведения заключена в возможности анализа смеси близких по химико- аналитических свойствам элементов , таких, как цирконий – гафний, ниобий – тантал и др.
Дополнительные осложнения в работе с радиоактивными препаратами обусловлены токсичными свойствами радиоактивными свойствами, которые не вызывают немедленной реакцией организма и тем самым усложняют своевременное применение необходимых мер. Это усиливает необходимость строгого соблюдения техники безопасности при работе с радиоактивными препаратами. В необходимых случаях работа с радиоактивными веществами происходит с помощью так называемых манипуляторов в специальных камерах, а сам аналитик остается в другом помещении, надежно защищенном от действия радиоактивного излучения.
Радиоактивные изотопы применяются в следующих методах анализа:
1.Метод осаждения в присутствии радиоактивного элемента;
2.Метод изотопного разбавления;
3.Радиометрическое титрование;
4. Радиоактивационный анализ;
5.Определения, основанные на измерении радиоактивности изотопов, встречающихся в природе.