О типах излучения, его воздействии на различные объекты и перспективах применения
После аварий на Чернобыльской АЭС и АЭС «Фукусима-1» человечество окончательно осознало, насколько опасна работа с радионуклидами. Однако физик Георгий Тихомиров считает, что опыт, накопленный людьми, позволяет сегодня минимизировать вред от взаимодействия с ионизирующим излучением, а радиация может принести нам больше пользы, чем вреда. Он рассказал ПостНауке о типах ионизирующего излучения, влиянии радиации на живые и неживые объекты и перспективах применения ионизирующего излучения в промышленных технологиях.
Это материал из гида «Излучение и материя», приуроченного к 75-летию атомной промышленности. Партнер гида — «Росатом».
История изучения ионизирующего излучения
Знакомство человечества с радиацией началось с ее обнаружения в конце XIX века. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген во время экспериментов с электронно-лучевыми трубками открыл рентгеновское излучение. Годом позже Анри Беккерель понял, что соли урана тоже создают какое-то излучение. Новое явление — радиоактивность — начали изучать Пьер и Мария Кюри, а затем и другие ученые, в том числе Эрнест Резерфорд, который в 1899 году открыл несколько типов радиоактивного распада.
Однако исследователи рубежа XIX–XX веков работали, опираясь лишь на Периодическую таблицу Менделеева, на знание о химических элементах, и поэтому многое в явлении ионизирующего излучения еще оставалось непонятным. Лишь в 1930-е годы люди начали активно изучать феномен изотопов, а окончательно все встало на свои места лишь после 1932 года, когда открыли нейтрон и поняли, что протонно-нейтронная модель ядра описывает много физических вопросов, которые давно уже стояли перед наукой.
Ионизирующее излучение
Излучение — передача энергии с помощью распространения волн или частиц. К ионизирующему излучению относятся электромагнитное излучение и потоки частиц (электронов, позитронов, протонов, дейтонов, альфа-частиц, нейтронов и др.), которые при взаимодействии с веществом ионизируют его атомы и молекулы.
Юлия Кузьмина для ПостНауки
Корпускулярное (альфа-, бета-, нейтронное и другие) излучение представляет собой поток частиц — элементарных частиц и ионов, в том числе частиц ядер атомов.
Электромагнитное излучение становится ионизирующим, когда энергия кванта излучения превышает 13 электронвольт (эВ) — столько нужно для ионизации атома водорода. Энергии квантов ультрафиолета недостаточно, чтобы серьезно ионизировать глубокие слои вещества, поэтому к ионизирующему излучению относят рентгеновские фотоны и гамма-кванты.
Рентгеновское излучение тормозное. Это электромагнитные волны, появляющиеся в результате резкого торможения электронов либо перехода их с одной орбиты на другую. Энергия рентгеновских квантов обладает широким диапазоном — примерно с 120 эВ до 0,1 МэВ. Гамма-излучение — вершина спектра электромагнитных волн. Оно появляется при ядерных реакциях, радиоактивных распадах. Энергия таких квантов уже превышает 0,1 МэВ. Они могут ионизировать вещество, глубоко проникая в него и воздействуя на десятки, сотни атомов одновременно.
Источники ионизирующего излучения
Излучать могут как объекты, содержащие радиоактивные элементы, например уран, так и технические устройства, например рентгеновская трубка. Поэтому источники ионизирующего излучения могут быть естественными или искусственными.
Естественное излучение представлено потоком частиц или квантов электромагнитного излучения. Они могут приходить к нам от Солнца (солнечный ветер), из нашей и других галактик (галактический ветер). На самой Земле тоже появились и по сей день существуют радиоактивные изотопы, создающие радиационный фон, не связанный с космосом, — например, уран-238 и уран-235, торий-232, калий-40. Кроме гамма-излучения от земных пород в воздухе могут содержаться продукты распада тория и урана, а в нашей пище — калий.
Изотопы — химически почти неразличимые вещества, ядра которых имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Все элементы в таблице Менделеева до 82-го (свинца) имеют как стабильные, так и радиоактивные изотопы. Например, в природе есть два стабильных изотопа водорода — обычный и тяжелый (дейтерий), а также один радиоактивный — тритий.
Таблица химических элементов Менделеева постоянно пополняется. Сегодня в ней уже 118 элементов. Впрочем, говоря об изотопах, нужно сверяться уже не с таблицей Менделеева, а с картой нуклидов.
В этой таблице все известные науке нуклиды расположены по осям Z и N, где Z — число протонов, а N — число нейтронов в ядре. Каждая строка — один химический элемент. Черные квадраты — стабильные изотопы, голубая область — бета-минус-распад, рыжая — в основном бета-плюс-распад и электронный захват, К-захват (разновидность бета-распада). Желтая область — альфа-распад, зеленая — спонтанное деление. Об этом будет рассказано далее.
Таким образом, радиоактивных элементов, на текущий момент изученных людьми, гораздо больше, чем имеющих стабильные изотопы (118 против 82): стабильных изотопов около 270, а радиоактивных — уже более двух тысяч.
Источники ионизирующего излучения техногенного происхождения — это прежде всего излучение, нашедшее применение в медицине и промышленности, радиоактивные выбросы, поступающие в окружающую среду вместе с отходами АЭС, а также осадки после использования ядерного оружия.
Виды радиоактивного распада
Радиоактивностью называется самопроизвольный (спонтанный) распад атомных ядер, при котором происходит испускание радиоактивных частиц. Избыток высвобождаемой при этом энергии — одна из форм ионизирующего излучения. Изотопы, ядра которых нестабильны и испытывают распад, называют радионуклидами.
Считается, что стабильные изотопы не распадаются, а радиоактивные однозначно рано или поздно распадутся. Хотя на самом деле то, что изотоп называют стабильным, означает лишь, что во всей массе обнаруженных изотопов еще не было обнаружено ни одного факта его распада. Так, протон считается стабильным, но в ряде гипотез может иметь период полураспада 1030 лет — гипотетический временной диапазон, который сложно осознать и измерить.
Радиоактивный распад сопровождается самопроизвольным превращением одного изотопа в другой. При этом происходит выброс энергии ядра в окружающее пространство. Закон радиоактивного распада говорит о том, что такой распад — случайный процесс, а его интенсивность зависит от времени и количества атомов в образце. Время, в течение которого распадается половина ядер радиоактивного изотопа, называют периодом полураспада. Можно оценить вероятность распада каждого изотопа, но точно сказать, когда он распадется, не получится. Период полураспада для различных радиоактивных ядер может находиться в очень широких пределах: от 3·10-7 секунд (для полония-212) до 1,4⋅1010 лет (для тория-232).
Предпринимались попытки стимулировать распад, но оказалось, что воздействие вроде нагревания вещества или давления на него никак не влияет на период полураспада.
Это фундаментальный ядерный процесс: ядро может жить долгое время, даже если в итоге должно распасться. А распадаться радиоактивные ядра могут по-разному. К основным видам радиоактивного распада относятся:
1. α-распад, когда ядро атома испускает достаточно тяжелые α-частицы (ядра атома гелия);
2. β-распад, при котором нейтрон в ядре превращается в протон и испускает электрон и антинейтрино (бета-минус-распад) или позитрон и нейтрино (бета-плюс-распад);
3. электронный захват, или K-захват;
4. γ-излучение, во время которого атомное ядро испускает γ-кванты;
5. спонтанное деление.
Сначала открыли альфа-распад и бета-минус-распад: в 1899 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что уран излучает альфа- и бета-частицы (последние — отрицательно заряженные). Уже в первых своих опытах Резерфорд открыл и сопутствующее гамма-излучение. Позже узнали о существовании гамма-распада — перехода из метастабильного состояния в основное,при котором испускается гамма-квант (впрочем, не все ученые считают этот процесс распадом). Затем открыли бета-плюс-распад, двойной бета-распад, спонтанное деление, кластерную, протонную и двухпротонную радиоактивность.
На примере урана эта формула будет выглядеть так:
В результате альфа-распада урана появляется другой изотоп — торий. Альфа-частица — ядро атома гелия, имеющее заряд 2 и массу 4. Она будет иметь энергию около 4–5 МэВ. При попадании в вещество альфа-частица его ионизирует, разрушая химические связи и структуру атома.
У бета-распада есть три разновидности. Наиболее известный и чаще встречающийся в природе — бета-минус-распад. Здесь ядро одного химического элемента превращается в ядро другого химического элемента, заряд которого на единицу больше. Но при этом появляются электрон и частица — нейтрино. В разных типах бета-распада испускаются разные нейтрино. В бета-минус-распаде речь идет об электронном антинейтрино.
В бета-плюс-распаде вместо электрона вылетает позитрон — античастица электрона. Появляется новое ядро с зарядом меньше на единицу, и выделяется электронное нейтрино.
K-захват происходит, когда ядро захватывает электрон с какой-то оболочки — как правило, ближайшей к нему K-орбитали — и появляются ядро химического элемента в бета-плюс-распаде и электронное нейтрино.
Периоды полураспада радиоактивных нуклидов различаются и определяются с помощью специальных опытов, которые проводятся в ядерных лабораториях. По мере развития техники такие эксперименты постоянно совершенствуются. На карте нуклидов любой период полураспада дается с погрешностью — так демонстрируется, что это экспериментальные данные, которые постоянно пересматриваются, уточняются. Для основных элементов, имеющихся в природе (уран-238, торий-232, калий-40 и другие), эта погрешность составляет доли процента. Но для основной массы трех тысяч известных изотопов периоды полураспада измерены очень приблизительно. Их можно предсказать теоретически, однако теория всегда требует практической проверки — основа таблиц, которые мы изучаем, все-таки практика и эксперимент. В начале века предпринимались попытки создать эмпирические формулы, в которых период полураспада связывался с массой нуклида, но эти расчеты в реальности не подтверждаются.
Измерение ионизирующего излучения
История науки — это история измерений. В школе часто изучают знаменитые опыты Эрнеста Резерфорда, на основании которых он создал планетарную модель атома, и квантово-механическую модель атома Нильса Бора, созданную уже на основе модели Резерфорда. Однако настоящий прорыв в изучении атома и радиоактивности случился с развитием технологий. Все открытия, связанные с ионизирующим излучением, были сделаны с помощью детекторов, и сегодня у нас есть много разных способов его регистрации.
Первым инструментом для измерения излучения были фотопластинки. То, что радиация засвечивает их, обнаружили еще Вильгельм Рентген и Антуан Беккерель. Также проводились опыты, связанные с ионизацией воздуха, которую можно увидеть по разрядам от напряжения в приборах, имеющих нить, катод, анод и разреженный воздух или какой-то инертный газ. В отсутствие ионов такая система будет непроводящей, но стоит ионизирующей частице (гамма-кванту, рентгеновскому кванту, альфа-частице или электрону) прилететь и ионизировать воздух, как начинает фиксироваться ток. Так работают газоразрядные счетчики, например известный счетчик Гейгера (он же счетчик Гейгера — Мюллера), который изобрели в лаборатории Резерфорда еще в начале XX века. Впоследствии эти приборы еще долго совершенствовались.
Для регистрации ионизирующего излучения применяется также ряд веществ — так называемых сцинтилляторов, излучающих свет, когда в них попадает какая-то высокоэнергетичная частица. Одни из первых детекторов на основе сернистого цинка, в которых появление альфа-частицы вызывало вспышку света, использовались во время проведения опытов Резерфорда. Ученые просто смотрели в окуляр на то, как альфа-частицы взаимодействуют со сцинтиллятором, и буквально считали количество вспышек света.
На текущий момент у нас есть детекторы широкой линейки применимости — для разных энергий и частиц, основанные на разных физических принципах. Сегодня мы можем очень хорошо измерить радиацию, и это приводит к тому, что мы постоянно уточняем мировые константы, периоды полураспада и многие другие физические характеристики. У нас уже есть бытовые дозиметры, позволяющие измерить радиационный фон и понять, не превышен ли он по какой-то причине (это может быть локальный всплеск — например, выход урановой руды на поверхность, радиоактивное загрязнение продуктов природного или техногенного происхождения). И, конечно, мы можем измерять радиацию там, где ее всегда много: в ядерных реакторах, медицинских установках.
На сегодняшний день человечество имеет большой опыт и осознание того, какое излучение опасно, а какое нет. Несмотря на отсутствие «рецепторов радиации», мы понимаем ее суть и влияние на живые организмы, знаем норму радиационной безопасности, читаем инструкции по работе с ионизирующим излучением и радиоактивными препаратами, и поэтому они дают людям больше пользы, чем вреда. Можно сравнить радиацию с огнем, которым тоже нужно уметь пользоваться. Если сунуть руку в огонь, кожа обгорит, но мы прекрасно об этом осведомлены и не удивимся, если так произойдет.
Радиофобия
Нас окружает радиация. Но измерять ее, не будучи задействованным в работе с радиоактивными источниками, не нужно. Сегодня выстроена мощная мировая система радиоактивного мониторинга, международные организации, оценивающие опасность нуклидов и рекомендующие нормы радиационной безопасности аналогичным организациям внутри стран. Во всех учреждениях, где используются радиоактивные источники, соблюдаются правила, предотвращающие вред для работников и окружающей среды.
Удивительно, но в какой-то мере последствия воздействия излучения на человека зависят от его психотипа и от того, как он воспринимает повышенные дозы. Было замечено, что при одной и той же полученной дозе облучения люди по-разному на нее реагируют и зачастую страх радиации и стресс влияют на человека гораздо хуже, чем сама радиация. Поэтому необходимо всегда трезво оценивать риски и не паниковать. Вокруг радиации распространено много мифов, но превышение радиационного фона даже в несколько раз не может влиять на качество жизни. У человеческого организма есть мощный запас защиты от радиационного воздействия, потому что оно существует и в природе. Есть даже эффект радиационного гормезиса (впрочем, признанный не всеми медиками), вследствие которого организм, наоборот, мобилизуется, улучшая свои защитные характеристики.
Главный источник радиофобии — СМИ, пишущие о катаклизмах, произошедших из-за применения ионизирующего излучения. После аварии на ЧАЭС в прессе писали о миллиардах смертей и генетических последствиях в пяти поколениях. Но все это имеет мало отношения к реальности — в отличие от конкретных исследований, в частности работ японских ученых по наблюдению за людьми, облученными в Хиросиме и Нагасаки, или работ европейских, российских и украинских ученых, до сих пор исследующих воздействие радиации в зоне чернобыльского следа. Все оказалось не настолько страшно, как это описывалось в СМИ, и после Чернобыля и Фукусимы произошел мощный ренессанс атомной энергетики.
Воздействие ионизирующего излучения на живые и неживые объекты
Чтобы определить воздействие ионизирующего излучения на различные объекты, необходимы научные исследования и лабораторные эксперименты. С опытов над источниками альфа-частиц на основе радия — продукта распада урана, дающего мощную альфа-активность, — начиналась вся ядерная физика. При попытке узнать, как гамма-частицы влияют на каучук, также опытным путем обнаружили, что происходит его вулканизация.Уже после того, как эти факты были обнаружены экспериментально, начался поиск математических моделей и формулирование теорий.
Сегодня появляется новый тип эксперимента — вычислительный. С помощью мощных современных компьютеров можно прогнозировать воздействие излучения не просто с помощью математических моделей, а путем моделирования самих атомов, структуры веществ. Это молодое направление в экспериментировании, которое будет развиваться вместе с вычислительной техникой.
Сегодня мы знаем, как радиация влияет на материалы, ищем способы возвращения их первоначальных свойств, если это необходимо, и возможные пути использования этого влияния. Есть интересные варианты применения радиоактивного излучения, например, в отношении полимеров — длинных цепочек атомов, которые рушатся под воздействием мощного потока излучения. Фактически ионизация — разрушение химических связей, электронных оболочек. Но вследствие выполнения закона сохранения электрического заряда структуры переформируются и меняются свойства объектов, делая их полезными для человека. Например, тот же каучук — вязкая субстанция, которая во время вулканизации твердеет и превращается в резину. Сегодня существует не только термовулканизация, но и радиационная вулканизация, имеющая ряд преимуществ перед первой: в частности, полученная таким способом резина оказывается прочнее. Другой пример — воздействие пучком электронов на определенные пленки превращает их во вспененные, довольно прочные и гибкие материалы.
Разумеется, ионизирующее излучение может оказывать и негативные эффекты на твердые материалы. Так, например, прочная сталь обычно имеет четкую структуру, но если она попадает в мощные потоки излучения, допустим, гамма-квантов или нейтронов, то может рушиться ее кристаллическая структура и вполне возможно радиационное распухание. Вследствие излучения меняются свойства стали, происходит ее радиационное охрупчивание.
Радиация меняет условия применения материалов, поэтому необходимо продолжать изучать действие ионизирующих излучений на твердые вещества. Это особенно актуально для мест с большими радиационными потоками, например для ядерных реакторов, где нужно правильно подбирать материалы и вводить специальные добавки в сталь, чтобы минимизировать влияние излучения. Корпуса реакторов, в частности водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР), специально нагревают, чтобы продлить их ресурс и снять напряжение, возникшее в результате радиационного охрупчивания. Этот процесс называется отжигом корпусов ядерных реакторов.
Еще одно важное воздействие ионизирующего излучения — стерилизация, облучение твердого вещества, с помощью которого можно убить живые микроорганизмы: грибки, бактерии. К сожалению, не на все материалы можно так воздействовать.
Познакомившись с радиацией, люди стали использовать это явление, еще не зная о его последствиях для своего здоровья. Например, считалось полезным пить воду из радиоактивных источников, и в малых дозах она действительно оказывала положительный эффект. Негативные последствия для организма, возникающие при превышении доз радиации, заметили даже не знаменитые радиевые девушки, которые вручную красили радиевой краской циферблаты часов, а заодно и свои ногти и зубы, а медики, работавшие с рентгеновскими трубками: они первыми начали видеть последствия радиации и стали что-то подозревать.
Но чтобы понять, что именно было не так, нужно было пройти большой исследовательский путь. И «Манхэттенский проект», и последующие советские проекты, связанные с изучением атомных взрывов и воздействия мощных потоков излучения на живые объекты, внесли большой вклад в понимание того, как именно радиация воздействует на живые организмы.
Сегодня люди научились защищаться от радиации, но в космосе с ней по-прежнему есть несколько проблем. Одна из них — воздействие солнечного ветра. Экспедиция на Марс и обратно вполне реальна, но встает вопрос переоблучения космонавтов. Как только мы выходим на дальние орбиты, где магнитное поле Земли перестает нас защищать, то попадаем под достаточно мощный поток частиц. Все аппараты, которые полетят в дальний космос, обязательно будут иметь радиационную защиту — либо активную (специальные устройства, создающие электромагнитное поле, тормозящее заряженные частицы), либо чисто физическую (толщина материала). А в перспективе, когда у нас появятся ядерные двигатели и мы полетим осваивать дальний космос, встанет проблема защиты от излучения самого двигателя. Таким образом, необходимо сделать полет в космос безопасным с точки зрения радиационной защиты космонавтов от ионизирующих излучений, как космических, так и техногенных. Сегодня мы уже понимаем, как этого добиться, но это требует новых исследований и разработок.
Перспективы использования ионизирующего излучения
С радиацией мы знакомы уже более 125 лет. За это время мы многое узнали, построили немало интересных моделей. Мы понимаем, что такое вещество, как оно образовалось и почему оно радиоактивно. Мы приблизительно знаем, что будет через несколько миллиардов лет. Но есть что-то, чего мы еще не понимаем. Рубежи, которые на текущий момент осваиваются в теоретической физике, — это темная материя и темная энергия. В их изучении нам помогает использование ионизирующего излучения.
Сегодня у нас есть ядерная медицина и ядерная энергетика. Мы имеем рентгеновские аппараты разных назначений: медицинские, таможенные сканеры и так далее. С другой стороны, в каждом из существующих направлений применения ядерной энергии у нас еще много возможностей для совершенствования: как сделать, чтобы это было более экономично, более эффективно.
В ближайшее время ядерные источники энергии дадут нам толчок к освоению Луны и Марса. Даже если сегодня это кажется фантастикой, лет через 50–100 это, скорее всего, будет реальностью.
Современная ядерная энергетика имеет ограниченную сырьевую базу и не может стать масштабной. Возобновляемые источники энергии вряд ли смогут покрыть все потребности человечества в энергии. Это позволит сделать атомная энергетика при переходе на новые типы реакторов. Сегодня во Франции строится ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор) — установка для термоядерной реакции на изотопах водорода. Сначала планируется D-D-реакция (между ядрами дейтерия), а в перспективе — переход на D-T-реакцию (дейтерий — тритий). Дейтерия на Земле так много, что хватит человечеству на десятки тысяч лет.
В ИТЭР на больших масштабах будут опробованы определенные физические принципы, уже доказанные на токамаках меньшего размера. Но, в отличие от них, в ИТЭР будет сделана бланкетная зона, необходимая, чтобы превратить энергию нейтронов в тепловую энергию, которую в перспективе можно будет пустить, например, в турбину. Однако в самом ИТЭР турбина не предусмотрена: на текущий момент токамаки используются только для исследовательских целей. Впрочем, если проект решит все поставленные задачи, то следующим шагом станет как раз строительство термоядерных электростанций (их прототип — DEMO, DEMOnstration Power Plant). Но даже в случае стабильного развития ИТЭР они появятся не раньше конца текущего века.
Есть и другие подходы к перспективам в области ядерной энергетики. Например, лазерный термоядерный синтез — в чем-то спекулятивное направление, связанное с холодным ядерным синтезом. Здесь речь идет о другом устройстве для удержания плазмы — Z-пинче — и иной конструкции термоядерного реактора — стеллараторе. Также сегодня ведутся поиски источников и способов прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую. В этой области есть проекты вроде РИТЭГ — радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Но, к сожалению, для них используются достаточно дорогие материалы, а КПД у них не очень большой. Так что генеральная линия развития ядерной энергетики на сегодняшний день — реакторы на быстрых нейтронах и двухкомпонентная ядерная энергетика.
Комментарии 0
