Использование ионизирующих излучений в сельском хозяйстве и промышленности

Радиационная техника.

Наиболее широкое применение нашли установки рентге­новского, гамма-, бета-, электронного и нейтронного излучений. Иногда используют источники излучения, связанные с ядерными реакторами, так называемые «радиационные контуры реакторов», но чаще всего – их частично или полностью отработанные тепловыделяющие элементы (твэлы – узлы реактора, содержащие ядерное топливо).

Основные требования, которые предъявляются к ионизирующим излучениям, следующие: обеспечение определенной поглощенной дозы в пределах требуемой точности; равномерное падение заданной дозы по всему объему облучаемой продукции; отсутствие нежелательных реакций, приводящих к появлению в объекте облучения наведенной радиоактивности; обеспечение условий радиационной безопасности и окупаемость себестоимости технологий.

Радиационная техника на основе радиоактивных изотопов Со-60 и Cs-137.

Широкому применению этих источников в сельском хозяйстве способствуют следующие характеристики: большие периоды полураспада (5,3 и 30 лет соответственно); высокая проникающая способность излучений; отсутствие наведенной радиоактивности у облученных объектов; возможность создавать источники любой удельной активности– от нескольких до тысяч кюри на грамм, и благоприятные с технологической точки зрения физические свойства источников, позволяющие длительно эксплуатировать их в автономных установках различного типа при минимальных затратах энергии.

Для получения радиоактивного изотопа Со-60 нерадиоактивный металлический кобальт заготавливают в виде дисков или цилиндров нужных размеров, помещают в специальные металлические герметичные стаканы и загружают в ядерный реактор, где подвергают облучению потоком тепловых нейтронов в течение нескольких месяцев и даже лет в зависимости от требуемой удельной активности. После облучения стаканы вскрывают и образовавшиеся радиоактивные источники Со-60 помещают в двойные ампулы из нержавеющей стали, которые герметизируют с помощью электросварки.

Изотоп Cs-137 выделяют из смешанных продуктов деления, образующихся в ядерных реакторах, в виде спрессованных в форме таких же дисков или цилиндров солей радиоактивных хлорида цезия и сульфата цезия, упаковывают в аналогичные ампулы из стали.

Транспортируют и хранят источники излучений в специ­альных контейнерах, оборудованных свинцовой защитой. В аналогичных контейнерах они, как правило, находятся в нерабочем состоянии или в так называемом «режиме хранения». В зависимости от взаимодействия между источником и объектом облучения конструктивно облучательные установки делят на три основных типа: источник облучения неподвижен, к нему перемещается объект облучения; источник облучения на время облучения перемещается в рабочую камеру с непод­вижным объектом облучения; источник облучения на время облучения перемешается в рабочую камеру, а объекты облучения перемещаются относительно него.

Среди изотопных источников наиболее распространены гамма-установки с долгоживущими радионуклидами Со-60 и Сs-137.

На рис. 22 представлена схема гамма-установки для облучения объектов большого размера.

В рабочей камере 1 расположены излучающие элементы, которые могут находиться в рабочем положении 3 или в хранилище 4 (при таком положении помещение 1 доступно для людей). Объекты для облучения погружаются в контейнеры 5 и по транспортной линии 6 доставляются дистанционно к облучателю 3. Все помещения находятся под дозиметрическим контролем 13. Источник излучения ядерных реакторов состоит из γ-излучения, быстрых и тепловых нейтронов, осколков деления. Ускорители заряженных частиц – устройства, ускоряющие электроны или ионы в электрическом поле (магнитное поле может быть использовано для управления потоком заряженных частиц). Различают два основных конструкционных типа ускорителей: линейные, в которых заряженные частицы движутся прямолинейно, и циклические, в которых движение идет по круговой траектории.

а

Рис. 22. Схема гамма-изотопного источника для облучения контейнеров:

а – вид сверху, б – вид сбоку;

1 – камера для облучения; 2 – помещение для загрузки контейнеров; 3 – источник излучения в рабочем положении; 4 – он же в положении хранения; 5 –контейнер;

6 – транспортная линия для контейнеров; 7 – пульт управления; 8 – бетонная защита; 9 – зубцы защитного лабиринта; 10 – система подъема источников из хранилища; 11 – хранилище; 12 – пультовая; 13 – система дозиметрического контроля.

По типу ускоряющего электрического поля ускорители делят на высоковольтные, в которых направление электрического поля во время ускорения не меняется, и резонансные, в которых непрерывное ускорение достигается за счет того, что заряженная частица находится в ускоряющей фазе переменного высокочастотного электрического поля.

В циклических ускорителях (циклотрон, синхротрон, синхрофазотрон и др.) требуемая энергия достигается при многократном прохождении ускоряемой частицы по окружности аппарата, в линейных (линейный индукционный ускоритель, линейный резонансный ускоритель и др.) – за счет приложения высокочастотного электрического поля к линейной периодической системе электродов. Основные элементы ускорителя – высоковольтный генератор, источник заряженных частиц (ионный источник) и система, в которой производится ускорение. В резонансных ускорителях процесс накопления частицей энергии происходит за определенное время, зависящее от требуемой энергии и типа ускоряемых частиц, поэтому они работают в импульсном режиме. Некоторые типы высоковольтных ускорителей (например, каскадный ускоритель) могут использоваться в режиме постоянного потока ускоренных частиц. Большинство типов ускорителей применяют для ускорения как электронов, так и позитронов, протонов, дейтронов, Не²⁺ и положительных ионов более тяжелых элементов. Резонансные ускорители больших энергий (до десятков ГэВ) применяют в ядерной физике; линейные ускорители с энергией до десятков МэВ – в радиационно-химических исследованиях; высоковольтные электронные ускорители – в прикладных целях (используют как ускорители на энергии 0,1– 0,5 МэВ с мощностью в десятки кВт, так и ускорители на энергии в несколько МэВ с мощностью до 100 и выше кВт). Перечисленные выше ускорители – аппараты с выведенным пучком заряженных частиц. Но в самом аппарате за счет заряженных частиц можно получить нейтроны или рентгеновское излучение. Нейтроны получают в нейтронных генераторах при бомбардировке ускоренными протонами или дейтронами мишеней из соединений, содержащих D, Т или другие нуклиды; получаемый поток может превышать 10¹¹ нейтрон/с. Генераторы нейтронов наряду с ядерными реакторами используют в активационном анализе, нейтронографии. Рентгеновское излучение генерируют в рентгеновских трубках, в которых ускоренные электроны тормозятся в толстой мишени из тяжелого элемента (антикатод); при этом радиационные потери значительны. Рентгеновские трубки выпускают для получения излучений с энергиями от десятков до сотен кэВ; они могут работать в непрерывном или в импульсном режиме. Различные установки создают в облучаемой среде мощность поглощенной дозы от долей Вт/г до 2·10⁵ Вт/ч в стационарном режиме и 10⁸ Вт/ч в импульсном. Ввиду сильного биологического действия ионизирующих излучений, все источники снабжены защитой из сильно поглощающих материалов (бетон, чугун, свинец); толщина защиты определяется нормами радиационной безопасности. Ионизирующие излучения создают в облучаемых объектах различные химические, физиологические и биологические эффекты. В больших дозах ионизирующее излучение угнетает жизнедеятельность растений, микроорганизмов и животных. Этот эффект лежит в основе радиационной стерилизации медицинских препаратов и инструментов, консервации пищевых продуктов. В малых дозах ионизирующее излучение служит мутагенным и активирующим фактором и используется для селекции растений, микроорганизмов (например, при получении антибиотиков), для предпосевной обработки семян. В медицине ионизирующие излучения находят применение как диагностическое средство и для лучевой терапии опухолей. Использование ионизирующих излучений в промышленности – основа радиационной технологии, частью которой является радиационно-химическая технология.

Кроме того, установки для облучения бывают стационарного типа и передвиж­ные (транспортабельные).

К первому типу относятся установки МРХ-гамма-25М, ЛМБ-гамма-IM, РХ-гамма-30, «Исследователь», «Стерилиза­тор», «Стебель», «Генетик» и др. Промышленная передвиж­ная установка «Колос» смонтирована на базе грузового ав­томобиля. Ее производительность при предпосевном облуче­нии составляет около тонны семян в час при дозе 7–10 Гр. Величина до­зы регулируется скоростью движения транспортера с семе­нами, которые после облучения сразу засыпаются в сеялки.

Стационарные мощные гамма-установки обычно представ­ляют собой помещение с непроницаемыми для гамма-излуче­ния стенками, в котором располагается один или несколько источников облучения, находящихся в контейнерах или укры­тиях. Объект облучения подводится к облучателю и выводит­ся в безопасную зону с помощью транспортера по специаль­ному лабиринту, исключающему облучение персонала.

Радиационная техника на основе ускорителей электронов.

Применение ускорителей электронов началось раньше использования гамма-установок, однако последние вследствие вышеперечисленных достоинств источников излучений, а также высокой надежности в работе и простоте обслуживания распространились гораздо шире. В последнее время все боль­ше используются установки с энергией до 3–5 МэВ.

Ввиду специфики конструкций ускорителей, индуцирую­щих электроны таких высоких энергий, радиационные уста­новки на их основе представляют собой стационарные соору­жения с транспортером, на который помещают облучаемую продукцию с дозиметром. Такие установки просты в управле­нии излучателем, не требуют специальных укрытий, имеют относи­тельно простую конструкцию.

Источники нейтронного излучения.

Облучение нейтронами применяется довольно редко, что обусловлено сравнительно незначительным распространением ядерных реакторов и других источников нейтронов.

Наиболее широко и достаточно эффективно они использу­ются для облучения семян растений в работах по радиацион­ному мутагенезу.