Радиационная обработка

Радиационными принято называть те виды технологий, в которых используется ионизирующее излучение (ИИ). Стоит оговориться: в разных областях науки ионизирующими называют разные излучения.

Формально ИИ — это корпускулярное и волновое излучения, то есть заряженные, нейтральные частицы и фотоны, при взаимодействии с веществом вызывающие ионизацию его атомов и молекул.

Потенциал ионизации у молекул намного меньше, чем у атомов. Соответственно, молекулы могут ионизироваться при меньших энергиях, чем атомы, поэтому ионизирующими принято называть только те излучения, энергия которых достаточна для ионизации атомов вещества. Самый низкий потенциал ионизации — у водорода, встречающегося практически во всех веществах, поэтому можно считать, что ИИ имеют энергию более 15 электронвольт (эВ).

ИИ принято разделять на два типа: непосредственно и косвенно ионизирующие излучения. Непосредственно ионизирующими считаются заряженные частицы (например, электроны и протоны), косвенно ионизирующими — нейтральные частицы (нейтроны и фотоны).

Возникла путаница в определениях: раньше ионизирующие источники, использующие фотонное излучение, было принято называть гамма-­источниками, поскольку основными источниками ИИ в них были радиоактивные элементы. Сегодня гамма-­квантами называются фотоны, испускаемые в результате перехода ядер с одного уровня на другой, а также аннигиляционные.

Известно несколько видов излучения, используемых при радиационной обработке. Так, источник фотонов тормозного излучения — ускоритель электронов с мишенью из материалов, обладающих высокими атомными номерами, плотностью и устойчивостью к плавлению (вольфрам, тантал и др.). Такие же ускорители являются источниками электронных пучков. Рентгеновское излучение, источником которого является обычная рентгеновская трубка, хотя по своей сути тоже может быть названо тормозным, принято выделять в отдельный класс. Есть и радиоизотопные источники, в которых ИИ генерируется в результате естественного распада радиоактивных изотопов. Основные изотопы для радиационной обработки продукции — ⁶⁰Со и ¹³⁷Cs.

У каждого типа источников есть свои достоинства и недостатки. Ускоритель, например, можно выключить — и тогда формально считается, что радиационного поля он не создает (хотя в зале, где он расположен, может существовать остаточная активность, соответственно, доступ туда на небольшой промежуток времени может быть ограничен).

Изотопные источники функционируют постоянно, их невозможно выключить. Поэтому в зал либо вообще нет доступа персоналу, а продукция поступает туда по автоматическому конвейеру, либо требуется создать специальные условия для защиты персонала. Это минус. Но есть и плюс: достаточно один раз измерить поля, создаваемые этими источниками, и можно предсказывать распределение радиационного поля внутри того объема, который они облучают. Другой минус — проблемы, связанные с утилизацией отработанных источников.

Зачем нужна радиационная обработка? Материалы после нее приобретают такие свой­ства, которых невозможно достичь другими способами. Кроме того, если технологический процесс отлажен, то это еще и очень дешево: не нужно использовать никаких специфических веществ, не нужно потом эти вещества утилизировать, как, например, при химобработке. Также радиационная обработка — один из самых экологичных способов: в Европе и США многие химические вещества, необходимые для химобработки, запрещены.

Химия: полимеры, нефть и манускрипты
Существует три вида воздействия на продукцию: радиационно-­физическое, радиационно-­химическое и радиационно-­биологическое.

Под радиационно-­химическим воздействием, как правило, подразумевается стимулирование тех или иных видов химических реакций внешним источником ионизирующего излучения. Практически вся продукция, которая производится из полимерных изделий, подвергается радиационному воздействию для придания ей нужных свой­ств.

При облучении материалов происходят два конкурирующих процесса. Во-первых, образуются активные формы химических элементов, в том числе свободные электроны, интенсивно взаимодействующие с молекулярными ионами (то есть с электронными оболочками либо атомов, либо молекул) и образующие дополнительные связи. Во-вторых, идут обратные процессы, при которых эти связи, наоборот, разрушаются. Соответственно, для большинства материалов можно подобрать режим облучения, при котором будет осуществляться либо полимеризация, то есть увеличение молекулярной массы одной цепочки (при низких дозах), либо, наоборот, деградация (при высоких).

Наиболее известная область радиационной обработки — радиационная сшивка полимеров. Полимеры представляют собой длинные цепочки, состоящие из одинаковых молекул, между которыми существует множество химических связей. Эти связи и придают материалу такие физические свой­ства, как прочность, упругость. Регулировать эти свой­ства можно путем изменения количества атомов в одной цепочке либо путем введения дополнительных связей между различными цепочками. Также можно сшить два различных полимера.

С помощью облучения решаются и задачи разрушения материалов, которые невозможно безопасно утилизировать другими способами — например, оно используется для уничтожения старых покрышек. В Воронеже было запущено опытное производство, и оказалось, что после облучения старую резину можно использовать для производства новых покрышек — до 10−15% от общего объема. (За рубежом «полезный» выход достигает 30%, так как там шины изготавливают из других материалов.) Этот способ особенно привлекателен с точки зрения экологии, ну и с финансовой (как правило, утилизацией продукции занимается ее производитель, а не потребитель).

Процесс деградации применяется также для разделения тяжелых и легких фракций нефти — это так называемый радиационный крекинг. Его применяют, если нефть поступает на дальнейшую переработку — из разных фракций можно получить разные продукты: битум, бензин, солярку, мазут и так далее. Кроме того, были попытки обработки нефти ионизирующими излучениями для уменьшения ее вязкости и увеличения текучести — такую нефть проще гнать по нефтепроводам. При этом снижаются затраты на ее транспортировку.

Еще одно перспективное направление — облучение природных каучуков. Древесная смола подвергается обработке: можно либо разрушить лишние цепочки, либо создать новые связи между молекулами, в результате улучшив свой­ства каучуков.

С помощью радиационной обработки можно соединить некоторые полимеры (химическим путем это сделать невозможно). Например, если нанести на пластик напыление и обработать, покрытие станет более ударопрочным и стойким к воздействию внешних факторов. Иногда наносят пленочное покрытие на ДСП — и материал становится долговечнее и красивее. Или, например, деревянные конструкции пропитывают специальными полимерами, которые после радиационной обработки затвердевают.

Радиационно обработанные бетоны используются для строительства объектов, подверженных воздействиям ионизирующих излучений. В первую очередь, конечно, это атомные электростанции и исследовательские реакторы. Это направление возникло одним из первых, правда, долго оставалось засекреченным.

Еще одна интересная область применения радиационно-­химического облучения — обработка предметов культурного наследия. Радиационное воздействие позволяет, например, повысить механическую прочность страниц древних рукописей, а если они слиплись — разделить их и заодно провести стерилизацию, удалив бактерии и грибки, которые их разрушают. Также проводится обработка деревянных скульптур, найденных на затонувших кораблях: вредоносные микроорганизмы, портящие дерево, уничтожают с помощью облучения.

Еще одно направление — генерация озона. Как правило, оно востребовано на предприятиях, обрабатывающих свою продукцию озоном. Иногда озон используется в химических реакциях, чтобы удалить примеси из газовых и воздушных смесей.

Схожее направление — обработка выхлопных газов (как правило, на производстве оксидов серы и азота).

Эта технология эффективно применяется на угольных электростанциях — например, в Польше такие установки уже больше 20 лет стоят на всех крупных ТЭЦ.

На последней сессии МАГАТЭ, посвященной вопросам радиационной обработки, производитель ускорителей предложил размещать на крупных морских танкерах небольшие ускорители, которые, по его оценкам, на 80−90% сократят выбросы от работы двигателей. Уже разрабатывается конструкция такого ускорителя. Правда, это тяжелое оборудование, требующее больших затрат электроэнергии, вырабатываемой тем же двигателем.

Можно производить также обработку вредных стоков производств, например, в случае биологических загрязнений (остатки удобрений часто сливаются в водоемы, а в них могут обитать микроорганизмы, угрожающие местной экосистеме). После обработки от них удается избавиться. В случае химических отходов облучение стимулирует протекание определенных реакций, в результате вредные примеси связываются, отвердевают, их проще удалять.

Отходы сельского хозяйства тоже можно облучать. Например, из стеблей кукурузы после радиационной обработки можно производить спирт не химическим, а ферментативным, экологически чистым путем. Такой способ очень популярен в Тихоокеанском регионе.

В том же регионе после радиационной обработки естественных полимеров (растений) из них производят ранозаживляющие гели: их накладывают на открытую рану, они быстро застывают и образуют нечто среднее между пластырем и бинтовой перевязкой. Раны после этого (по утверждению производителей) заживают в два-три раза быстрее.

Кроме того, практикуется обработка воды методом радиационной стерилизации, чтобы сделать ее пригодной для питья. Установки располагают в местах накопления воды для последующего ее распределения в сети водоснабжения. Используются либо низкоэнергетические ускорители электронов (вода течет широкой тонкой струйкой, и энергии ускорителя хватает, чтобы провести обработку по всей толщине струи), либо мощные источники фотонного тормозного излучения, способные обработать большие объемы воды. Правда, есть нюанс: при радиационной обработке возникают свободные радикалы, перекись водорода, и на некоторое время вода становится химически активной. Поэтому те хранилища, в которых она содержится после переработки, должны быть изготовлены из стойких материалов. Из-за этого встроить установку в уже готовую станцию сложно — проще построить новую.

Физика: полупроводники, бриллианты, трансмутация ОЯТ
Очень перспективный метод — использование ионных источников при производстве полупроводников. Весьма выгодно производство больших интегральных схем. Чтобы обеспечить два вида проводимости, необходимо ввести в полупроводник примеси. Это можно сделать химическим путем и соединить два слоя с различной проводимостью, чтобы получить так называемый p-n-переход. Чем меньше слои, тем больше условных транзисторов можно разместить на одном квадратном сантиметре интегральной схемы. У этого способа есть естественный предел: химическим путем невозможно получить сколь угодно малую толщину слоя.

Есть другой способ: в чистый проводник ввести ионы примесей. Для этого их надо ускорить, и они проникнут вглубь вещества. Это и есть использование ионных источников. Здесь используются относительно малые энергии, радиационной опасности практически нет.

Смежное направление — так называемая радиационная литография. Она применяется для того, чтобы на готовый кристалл нанести дорожки, разметить их под нужные элементы, собрать из элементов требуемые цепочки. При традиционном способе на кристалл наносится резистивная подложка, повторяющая создаваемую форму. Затем она заливается ­каким-­нибудь раствором, вытравливающим все ненужное. Но вытравливание можно производить и с помощью облучения: под действием ускоренных электронов часть атомов с поверхности вещества удаляется.

Также, используя радиационно-­физические технологии облучения, можно создавать сплавы, которые не могут быть получены естественным путем. Атомы одного вещества внедряются на поверхность другого вещества, и таким образом материалу придаются заранее заданные свой­ства: например, стойкость к химическим воздействиям, к температурам и так далее. Здесь также используются небольшие энергии, такая обработка проводится прямо на производстве.

Экзотическая область применения ИИ — облучение драгоценных камней с целью изменения их цвета. Все бриллианты так называемой фантазийной окраски получены именно таким способом — в природе они не встречаются. Таким же образом проводится и колорирование стекол. Эффект достигается либо за счет изменения структуры кристаллической решетки облучаемого объекта (после ее столкновения с тяжелыми частицами), либо за счет частичной ионизации атомов, приводящей к изменениям электронной оболочки и, соответственно, полосы пропускания и отражения света. После облучения дефекты структур необходимо закреплять: как правило, проводится термический отжиг, затем —дополнительная обработка на спецоборудовании.

К радиационно-­физическим технологиям относится и трансмутация ядерных отходов. Такие отходы можно обрабатывать с помощью ионизирующих излучений, вызывающих ядерные реакции; в результате радиоактивные ядра превращаются в стабильные, время выдержки которых гораздо меньше.

Сходный метод — разработка ядерных реакторов, управляемых ускорителями. Как известно, для функционирования реактора необходим источник нейтронов. Сегодня в большинстве реакторов используются естественные источники. Однако с точки зрения безопасности намного эффективнее использовать ускоритель, который, в отличие от естественных источников, можно выключить простым нажатием кнопки. Правда, эта технология имеет множество технических проблем: создание ускорителей высокой мощности, обеспечение стабильности в процессе эксплуатации, высокая стоимость.

Биология: селекция, медицина, обработка пищи
Основное направление применения радиационно-­биологических технологий, одобренное, в числе прочих, МАГАТЭ, а также Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций (ФАО), — это генетические исследования. (Иногда эту технологию называют радиационной селекцией.) Радиационная обработка может спровоцировать генетические мутации и увеличить их частоту. Практикуется также облучение семян для повышения их всхожести. Еще один вид радиационно-­биологического воздействия — стерилизация. Формально к радиационно-­биологическим технологиям относятся и применяемые в медицине, в том числе наработка изотопов.

Весьма эффективно предварительное воздействие малых доз ионизирующего излучения на имплантируемые ткани — это предотвращает их отторжение при трансплантации.

Получила широкое распространение радиационная обработка донорской крови. Стандартная процедура выглядит так: донор сдает кровь, и она хранится около полугода. После этого донора вызывают повторно, берут у него ряд анализов и, если все в порядке, сданную ранее кровь используют. Из-за сложности процедуры 40% донорской крови утилизируется, причем для этого ее приходится специальным образом перерабатывать.

Есть несколько методов радиационной обработки крови. Первый позволяет подавить большую часть вредных бактерий; полученный биоматериал можно использовать для изготовления различных препаратов (подчеркиваю: такая кровь не вводится пациентам). Второй метод — облучение низкими дозами пакетов с кровью, предназначенной, в числе прочего, для переливания. Считается, что обработанная таким образом донорская кровь способствует более быстрой выработке собственной крови у пациента. При некоторых заболеваниях применяется и такой метод: у пациента забирается кровь, облучается и вводится обратно.

При использовании всех этих методов приходится решать ряд вопросов, например, нужно обеспечить хранение крови до обработки. Также помимо источника облучения необходимы другие приборы, такие как термостат.

Одно из общеизвестных применений радиационной обработки — облучение продуктов питания. Эту процедуру нередко путают со стерилизацией. В чем разница? Под стерилизацией подразумевается обеспечение стерильности, то есть количество микроорганизмов на условный квадратный сантиметр поверхности должно стать меньше установленного предела, индивидуального для каждого их вида. А при обработке продуктов для продления сроков их хранения эти уровни не достигаются, поэтому некорректно говорить о стерильности — тем не менее часть патогенных микроорганизмов уничтожается.

Считается, что облучение в дозе менее 10 килогрей не влияет на пищевую ценность большинства продуктов. Однако могут меняться их органолептические свой­ства. Например, запах жирной рыбы после облучения усиливается. Мясную продукцию рекомендуется обрабатывать только в замороженном виде, поскольку ткани, содержащие жиры, могут горчить после обработки. Все показатели будут в норме, но вкус изменится. Отметим, российские производители не обязаны указывать, прошла ли их продукция радиационную обработку.

Часто после радиационной обработки меняется цвет продукта. В первую очередь это касается жирных пород рыб — они темнеют.

Активно облучаются мука и картофель, чтобы уничтожить вредителей.

Один из критичных вопросов — выбор режима облучения. Допускается обработка пищевой продукции электронами с энергией до 10 мегаэлектронвольт и обработка фотонами с энергией до 5 мегаэлектронвольт, вне зависимости от используемого источника. А глубина обрабатываемой поверхности зависит от того, какой источник применяется. Так, энергией электронов 10 МэВ можно обработать слой продукта не толще 5−6 см. Поэтому приходится идти на хитрости, например, переворачивать коробку с продукцией или, если обрабатывается объект более сложной формы, — вращать его перед неподвижным пучком.

Установлены максимально и минимально допустимые дозы облучения пищи: если превысить верхний порог, изменятся свой­ства продукции; при недостижении нижней планки не будут решены задачи, ради которых проводится обработка. Для некоторых видов продуктов этот диапазон очень узок.

Есть и проблемы практического характера. Как правило, продукты упакованы (вспомним об ограничении 5 см по глубине облучения). Что делать? Можно обрабатывать пищу до того, как она будет упакована, можно извлекать ее и упаковывать заново после обработки — в любом случае придется изменить производственную цепочку. Это займет время, ­какая-то часть продуктов, скорее всего, испортится — то есть неизбежно повышение конечной стоимости продукта.

Отдельная проблема, касающаяся обработки не только продуктов питания: что делать, если продукция неоднородна по составу? Например, медицинские эндопротезы, проходящие стерилизацию, имеют очень сложную конструкцию, их части выполнены из разных материалов. Распределение дозы по объему этой конструкции почти невозможно заранее рассчитать — только опытным путем.

Конечно, ученые ищут способы решения этой проблемы. Есть предложение заполнять пустоты сложных конструкций, чтобы добиться большей однородности объекта. Или такая идея: перед облучением сделать томограмму объекта и на ее основании расчетным путем выяснить распределение дозы. Но для этого необходимо крупногабаритное, дорогое и сложное оборудование, снабжать им каждую установку слишком дорого.

Внутри ГНЦ ФМБЦ им. А. И. Бурназяна
Коротко расскажу о работе в этом направлении медицинского центра им. А. И. Бурназяна. В нашем центре есть ускоритель, на котором производится радиационная обработка различной продукции. Например, на нем обрабатывались пластики для газовых труб, апробировались методики получения фторированных полимеров для производства ударопрочных пластмасс.

Периодически поступают заказы на обработку различных видов медизделий: марлевых повязок, бинтов, одноразовых масок, медицинских костюмов.

Также мы оказываем услуги по разработке регламентов облучения и радиационной обработке опытных партий продукции, в том числе пищевой. Были заказы на радиационную обработку протезов коленного сустава — с этой задачей пришлось повозиться в силу геометрической сложности облучаемого объекта и трудности расположения в нем дозиметров.

Во время перебоев с поставками средств индивидуальной защиты (СИЗ) мы проводили экспериментальное облучение СИЗ, чтобы выяснить, возможно ли использовать их после обработки повторно. Эксперименты показали, что после облучения СИЗ можно снизить требования к их утилизации: радиационная обработка подавляет вирусную активность, следовательно, облученные СИЗ можно перевести в другой класс отходов.

Помимо ускорителя, в нашем центре работают две рентгеновские установки, которые также могут использоваться для радиационной обработки, но при существенно более низких дозах — 25−50 грей. Как правило, установки нацелены на работу с биологическими объектами. Например, один из заказов — экспериментальное облучение семян для продления сроков хранения зерновой продукции из госрезерва.