Прилипчивая радиация: наведенная радиоактивность, радиоактивное заражение, дезактивация…

Многими людьми радиация представляется, как нечто «заразное»: считается, что если что-то подверглось воздействию радиации, оно само становится ее источником. Данные представления имеют свое рациональное зерно, но способность радиации «переходить» на облучаемые вещи очень сильно преувеличена. Многие люди думают, например, что можно «схватить дозу» от деталей разобранного рентгеновского аппарата, от рентгеновских снимков и даже от врача-рентгенолога. А сколько шума поднимается, когда начинают говорить о гамма-облучении продуктов питания для их стерилизации! Мол, нам же придется есть облученную, а значит, радиоактивную пищу. Ходят и вовсе нелепые слухи о том, что в пище, разогретой в микроволновке, «остаются микроволны», о том, что под действием бактерицидных ламп становится радиоактивным воздух в комнате, где они горели.

Из этой статьи мы узнаем, как все есть на самом деле.

Когда радиация порождает радиацию

В 1934 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, изучая взаимодействие альфа-частиц с атомами разных элементов, обнаружили, что некоторые из них — алюминий, бор, магний — испускают при бомбардировке альфа-частицами некое излучение, регистрируемое счетчиком Гейгера, которое не прекращается сразу после того, как источник альфа-лучей убрали, а быстро спадает по экспоненциальной зависимости. Эксперимент в камере Вильсона показал, что это излучение представляет собой поток позитронов, немногим ранее открытых в космических лучах. Супруги Жолио-Кюри не были бы Кюри, если бы не догадались, что вновь столкнулись с явлением, которое веками пытались открыть алхимики, но так и не открыли. Альфа-частица, представляющая собой ядро гелия, сталкивалась с ядром алюминия, выбив из него нейтрон, и образовывалось ядро радиоактивного изотопа фосфора. И эту догадку удалось доказать чрезвычайно тонким и искусным химическим экспериментом, с помощью которого удалось выделить и обнаружить по радиоактивности ничтожное количество фосфора, которое невозможно было бы разглядеть ни в один микроскоп, если собрать все его атомы «в кучку». И этот фосфор еще и таял на глазах.

Последующие эксперименты открыли, что нейтроны, особенно замедленные прохождением через воду, парафин или графит, обладают еще большей способностью возбуждать ядерные реакции и активировать различные вещества. С открытием ядерных реакций деления, производящих огромное количество нейтронов, это стало с одной стороны большой проблемой — не только ядерное топливо, но и все элементы конструкции реакторов становились страшно радиоактивными. С другой же стороны таким способом стало возможно получать требуемые радионуклиды дешево и в большом количестве. Активированные нейтронным потоком термоядерного взрыва воздух и грунт являются дополнительным серьезным фактором поражения, так что «экологическая чистота» водородной бомбы — не более чем миф.

Так в каком же случае облучение вызывает ядерные реакции и приводит к появлению искусственной радиоактивности? 

Как я уже сказал, особенной к этому способностью обладают нейтроны. Нетрудно догадаться, в чем причина: нейтрон легко проникает в ядро. Ему не требуется преодолевать электростатическое отталкивание, как протону или альфа-частице. Вместе с тем, нейтрон — это такой же строительный материал ядра, как и те протоны и нейтроны, точно так же способен вступать в сильное взаимодействие. Поэтому химический элемент с номером ноль и является тем самым «философским камнем» алхимиков. Вернее, их можно было бы назвать «алфизиками», если бы это слово не стало употребляться в отношении адептов эфира и торсионных полей.

Вызвать ядерное превращение может нейтрон любой энергии, вплоть до нуля. А вот другие частицы должны для этого иметь достаточно большую энергию. Про альфа-частицы (как и протоны) я уже говорил: им нужно преодолеть кулоновское отталкивание. Для легких элементов потребная энергия альфа-частицы составляет несколько мегаэлектронвольт — то есть такая, какой обладают альфа-частицы, испускаемые тяжелыми нестабильными ядрами. А более тяжелым нужны уже десятки МэВ — такую энергию можно получить только в ускорителе. К тому же с ростом массы ядра оно само все менее охотно вступает с альфа-частицей в реакцию: за железом добавление нуклонов в ядро идет с расходом, а не с выделением энергии. Если учесть еще и чрезвычайно низкую проникающую способность альфа-частиц в мишень, то становится ясно, что даже при очень мощном потоке альфа-частиц интенсивность искусственной радиоактивности получается невысокая. 

А что же другие частицы? Электроны, фотоны? Им не нужно преодолевать отталкивание, но с ядром они взаимодействуют неохотно. Электрон может вступать лишь в электромагнитное и слабое взаимодействие и в большинстве случаев (за исключением ядер, нестабильных к электронному захвату) такая реакция возможна только если электрон передаст ядру значительную энергию, достаточную для отрыва нуклона от ядра. То же касается и фотона — фотоядерную реакцию может возбудить только фотон достаточно высокой энергии, но электрон гораздо быстрее, чем фотон, теряет энергию в веществе, из-за чего менее эффективен.

Спектр фотонов, излучаемых при радиоактивном распаде, заканчивается на 2,62 МэВ — это энергия квантов таллия-208, последнего члена радиоактивного ряда тория-232. И есть очень немного ядер, пороги фотоядерных реакций которых — ниже этой величины. Если точнее, то таких ядер два: дейтерий и бериллий-9

Первая реакция протекает под действием гамма-излучения свыше 2,23 МэВ, источником которого является таллий-208 (ряд тория), второй достаточно 1,76 МэВ — излучения висмута-214 (ряд урана-радия).

Данные реакции дают выход нейтронов, которые, в свою очередь, взаимодействуя с другими ядрами, рождают радиоактивные изотопы. Но сечения самих этих реакций невелики, в связи с чем заметная наведенная радиоактивность возможна только при очень большой интенсивности излучения. Для осуществления других фотоядерных реакций уже нужны гамма-кванты, энергия которых измеряется десятками и сотнями МэВ. При таких энергиях не только фотоны, но вообще все частицы — электроны и позитроны, мюоны, протоны и т.д., сталкиваясь с ядрами, вызывают ядерные реакции с достаточно большой эффективностью. Пучки таких частиц, получаемые на ускорителях, приводят к сильной активации практически любых исходно не радиоактивных мишеней. 

Итак, действительно, в некоторых случаях при воздействии радиоактивных излучений на вещество образуются радиоактивные изотопы. Но обычно серьезную радиационную опасность представляет остаточная радиоактивность в двух случаях:

• от мишеней, подвергшихся облучению нейтронами;
• от мишеней, облученных в ускорителях.

Во всех остальных случаях, в том числе под действием рентгеновского излучения, бета- и гамма-излучения (за исключением вышеупомянутых бериллия и дейтерия) радиоактивных изотопов наведенной радиоактивности не возникает. Альфа-излучение дает слабую и обычно короткоживущую наведенную радиоактивность при облучении легких элементов.

Не вызывает появления искусственной радиоактивности ни облучение рентгеновским излучением, ни воздействие других излучений — ультрафиолетового, СВЧ и т.п. Не становятся радиоактивными продукты питания и лекарства, стерилизуемые радиоактивным излучением, семена, облучаемые для повышения всхожести и получения новых сортов, камни, облучаемые для придания им окраски (если это не облучение в нейтронных каналах ядерного реактора). Не являются радиоактивными детали рентгеновских установок, защитная одежда врача-рентгенолога и сам он!

Чтобы проиллюстрировать это, я провел небольшой опыт. Взяв напрокат в соседней лаборатории альфа-источник америций-241 активностью 1 МБк (это примерно в 100 раз больше активности источника, содержащегося в детекторе дыма HIS-07, который не составляет труда купить даже на Алиэкспрессе — ВНИМАНИЕ! Незаконный оборот радиоактивных веществ — статья 220 УК РФ!), я положил под него пластинку из алюминия. В результате, как и в опыте Жолио-Кюри (в котором использовался источник гораздо более мощный), я должен был получить фосфор-30, распадающийся на кремний-30 и позитрон с периодом полураспада 2,5 минут (и еще нейтрон, который тоже что-нибудь может активировать). Однако после получаса выдержки (для установления равновесия между рождением и распадом фосфора-30) я не смог задетектировать никакой заметной радиоактивности от пластинки алюминия. Я пытался для этого использовать счетчик Гейгера со слюдяным окном (позитроны детектируются им так же, как и электроны), а также сцинтилляционный детектор (который эффективно регистрирует их в линии 511 кэВ, соответствующей процессу аннигиляции). Причиной неуспеха опыта было то, что ядерные реакции под действием альфа-частиц случаются редко и даже несмотря на то, что в моем опыте алюминий подвергся воздействию как минимум полумиллиарда альфа-частиц, за это время образовалось всего несколько тысяч радиоактивных атомов, большая часть из которых за время облучения просто распалась. Возможно, мне удалось бы обнаружить позитроны в камере Вильсона благодаря практически нулевому природному фону позитронов, но ее я еще не доделал (когда сделаю — это будет хорошей темой для статьи). 

Невидимая радиоактивная грязь

В большинстве случаев, за исключением вышеописанных, за наведенную радиоактивность принимают загрязнение радиоактивными изотопами на поверхности вещей и предметов. Дело в том, что при периоде полураспада в месяцы, годы и десятки лет количество вещества, испускающего пугающие уровни радиации — поистине ничтожно. Помните миллиграмм радия, который дает 8,4 Р/ч на расстояниии в сантиметр? У него период полураспада 1600 лет. А если период полураспада будет 1,6 года, а энергия гамма-квантов та же самая, что у радия? Тогда этот миллиграмм будет «светить» на том же расстоянии уже 8400 Р/ч.

Когда имеют дело с радиоактивными изотопами, в большинстве практических случаев их количество ничтожно. Это так называемые индикаторные количества, о которых судят по их радиоактивности. И в таких случаях во весь рост встает явление адсорбции — осаждения и «прилипания» вещества на поверхность раздела фаз.

Радиохимикам все время приходится воевать с адсорбцией. Из-за нее можно полностью потерять радиоактивный изотоп во время операций с ним просто из-за того, что весь он осел на стенках пробирки или стаканчика. Приходится подбирать состав «фонового» раствора, но часть изотопа все равно теряется, и увы, зачастую неизвестная. Приходится делать параллельный опыт в абсолютно тех же условиях (вплоть до пробирок из одной коробки) либо добавлять в раствор метку выхода — другой радиоактивный изотоп того же химического элемента. А можно сесть в калошу и другим способом: изотоп, раствор которого ранее содержался в стакане, осел на стенку и, несмотря на последующее мытье и ополаскивание сначала кислотой, потом дистиллированной водой, попал в следующую пробу. Стакан же при этом казался абсолютно, безукоризненно чистым. 

Такой же безукоризненно чистой может казаться любая вещь, но тем не менее, имеющееся на ее поверхности (а также внутри сообщающихся с ней пор, щелей и т.п.) излучающую грязь. И не только вещь: в зоне радиационного поражения радиоактивными могут стать кожа и волосы пострадавших людей, шерсть животных. И далеко не во всех случаях эта активность легко удаляется. В большинстве случаев дезактивация сильно загрязненных радионуклидами объектов сложна, а во многих случаях она становится безуспешной.

В отличие от наведенной радиоактивности, которая обычно прочно закреплена на своем носителе, загрязнение радионуклидами находится на его поверхности и поэтому легко переходит на другие объекты, на руки людей и затем попадает в их организм, подвергая его внутреннему облучению.

Дезактивация — методы и средства

Простейшим способом дезактивации является обычное мытье с мылом или другими поверхностно-активными веществами. Это метод, который подходит почти для всего — с мылом помыть можно и асфальт, и стены дома, и живого человека, и редкую картину или скрипку. В последнем случае это делается осторожно, протирая поверхность смоченным в мыльном растворе отжатым тканевым тампоном и немедленно протирая таким же тампоном с чистой водой, а затем удаляя остатки воды фильтровальной бумагой. Таким образом излучение скрипки, лежавшей в самые горячие дни Чернобыльской катастрофы рядом с открытым окном киевского дома и «светившей» около 1 мР/ч «условно» вплотную, удалось снизить до вполне приемлемого, и спасти тем самым инструмент. Существуют специализированные средства для дезактивации, содержащие помимо ПАВ также комплексообразователи (такие, как ЭДТА), ионообменные смолы, цеолиты и другие сорбенты. Комплексообразователи способствуют переводу радионуклидов, образующих катионы, в раствор, а ионообменные компоненты и сорбенты наоборот, удаляют их из раствора, переводя в связанную форму, но уже не на дезактивированной поверхности. Так, хорошо известно (и активно применяется у нас в лаборатории) новосибирское средство для дезактивации «Защита», работающее по такому принципу.

Но такого средства нередко недостаточно: радионуклиды оказываются прочно связаны с поверхностью, находятся глубоко в порах и микротрещинах. В таких случаях приходится использовать гораздо более жесткие способы — обрабатывать поверхности кислотами, растворяющими поверхностный слой металла и корку ржавчины на нем, и способствующих десорбции радиоактивных загрязнений. Применяют также сильные окислители, разрушающие органические загрязнения на поверхности, на которые также налипает радиоактивная пыль. На АЭС для дезактивации оборудования часто используют двухванный способ дезактивации, когда сначала обрабатывают детали щелочным раствором перманганата калия, а затем кислотой. 
Для металлических поверхностей эффективным способом дезактивации является электрохимический метод. Цель примерно та же — удалить поверхностный слой металла, слои коррозии, пропитанные радионуклидами. Но резко снижается количество жидких радиоактивных отходов, так как можно пользоваться минимальным количеством электролита. Это так на называемая полусухаяэлектролитическая ванна — на дезактивируемую поверхность накладывается ткань или войлок, пропитанные электролитом и сверху на нее кладется второй электрод). Дезактивируемая деталь или поверхность является анодом, а в качестве катода используют обычно свинцовый лист, легко деформируемый для плотного облегания дезактивируемой поверхности. 

Для дезактивации трудноудаляемых радиоактивных загрязнений, как, например, с вертолетов, летавших над аварийным чернобыльским реактором, использовали и пескоструйную обработку. Впрочем, она порождает огромное количество радиоактивной пыли, сильно повреждает дезактивируемую поверхность и в целом имеет невысокую эффективность.

Если вдруг, не дай бог, вы попадете в зону радиоактивного заражения и вам потребуется что-либо срочно дезактивировать, то рекомендую средство для мытья посуды («Фейри» и т.п.) или любой стиральный порошок с добавлением щавелевой кислоты. Также можно использовать такие бытовые чистящие средства для сантехники, как Cif, в них уже есть кислота.
От наведенной радиации дезактивация обычно не помогает. Ведь ее источник находится в глубине излучающего объекта — нейтроны обладают очень высокой проникающей способностью. Но далеко не всегда невозможность дезактивации означает, что источник излучения с ней связан. 

* * *

Наведенная радиация — реальное явление, но оно так обросло мифами, что само стало своего рода мифом. В реальности образование наведенной радиоактивности нужно учитывать в ряде случаев, но при обычном обращении с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующего излучения бояться наведенной радиации не нужно. А вот загрязнение радионуклидами — штука не только более реальная, но и более опасная.

На КДПВ — ЗГРЛС «Дуга». Автор фотографии — Mike Deere.

Источник