Введение

Диссоциация молекул ионизирующим излучением

Радиолиз – это расщепление молекул под воздействием ионизирующего излучения. Это разрыв одной или нескольких химических связей, вызванный воздействием высокоэнергетического потока. В данном контексте под излучением подразумевается ионизирующее излучение; таким образом, радиолиз отличается, например, от фотолиза молекулы Cl2 на два атома хлора, где используется (ультрафиолетовый или видимый) свет. Химия концентрированных растворов при воздействии ионизирующего излучения чрезвычайно сложна. Радиолиз может локально изменять окислительно-восстановительные условия и, как следствие, состав и растворимость соединений.

Прогнозирование и предотвращение коррозии в атомных электростанциях

Считается, что повышенная концентрация гидроксильных радикалов, образующихся в облученной воде во внутренних контурах теплоносителя водо-водяного реактора, должна учитываться при проектировании атомных электростанций для предотвращения потери теплоносителя из-за коррозии.

Производство водорода

Нынешний интерес к нетрадиционным методам получения водорода побудил к повторному рассмотрению радиолитического расщепления воды, при котором взаимодействие различных типов ионизирующего излучения (α, β и γ) с водой приводит к образованию молекулярного водорода. Эта переоценка была дополнительно обусловлена текущей доступностью больших объемов источников излучения, содержащихся в отработавшем топливе ядерных реакторов. Это отработавшее топливо обычно хранится в бассейнах выдержки в ожидании окончательной утилизации или переработки. Выход водорода, получаемый при облучении воды β и γ излучением, низок (значения G = <1 молекула на 100 электронвольт поглощенной энергии), но это во многом связано с быстрой рекомбинацией продуктов, образующихся в ходе начального радиолиза. Если присутствуют примеси или созданы физические условия, препятствующие установлению химического равновесия, то чистое производство водорода может быть значительно увеличено. Другой подход использует радиоактивные отходы в качестве источника энергии для регенерации отработавшего топлива путем преобразования борната натрия в боргидрид натрия. При правильном сочетании параметров управления можно получить стабильные соединения боргидрида и использовать их в качестве носителя для хранения водородного топлива. Исследование, проведенное в 1976 году, показало, что можно оценить порядок величины средней скорости производства водорода, которую можно получить, используя энергию, высвобождаемую при радиоактивном распаде. Исходя из начальной выработки молекулярного водорода в 0,45 молекулы/100 эВ, можно было бы получить 10 тонн в сутки. Такие показатели производства водорода не являются незначительными, но они невелики по сравнению со средним суточным потреблением водорода в США в 1972 году, составлявшим около 2 x 10^4 тонн. Добавление донора атомов водорода может увеличить этот показатель примерно в шесть раз. Было показано, что добавление донора атомов водорода, такого как муравьиная кислота, повышает значение G для водорода примерно до 2,4 молекул на 100 поглощенных эВ. В том же исследовании было заключено, что проектирование подобного объекта, вероятно, будет слишком небезопасным для реализации.

Использованное ядерное топливо

Производство газа в результате радиолитического разложения водородсодержащих материалов на протяжении многих лет является проблемой при транспортировке и хранении радиоактивных материалов и отходов. При этом могут образовываться потенциально горючие и коррозионные газы, а также химические реакции, удаляющие водород, причем эти реакции могут усиливаться под воздействием излучения. Баланс между этими конкурирующими реакциями в настоящее время изучен недостаточно.

История Земли

Было высказано предположение, что на ранних этапах развития Земли, когда её радиоактивность была почти на два порядка величины выше, чем сейчас, радиолиз мог быть главным источником атмосферного кислорода, создав условия для возникновения и развития жизни. Молекулярный водород и окислители, образующиеся при радиолизе воды, также могли служить непрерывным источником энергии для подповерхностных микробных сообществ (Pedersen, 1999). Подтверждением этой гипотезы служит открытие, сделанное в золотодобывающей шахте Мпоненг в Южной Африке, где исследователи обнаружили сообщество, доминирующим видом в котором является новый филотип Desulfotomaculum, питающийся преимущественно водородом, образовавшимся в результате радиолиза.

Импульсный радиолиз

Импульсный радиолиз – современный метод инициирования быстрых реакций для изучения процессов, протекающих в масштабе времени менее ста микросекунд, когда простое смешивание реагентов оказывается слишком медленным и требуются альтернативные способы запуска реакций. Метод заключается в облучении образца материала пучком высокоэнергетических электронов, генерируемым линаком. Он имеет множество применений. Разработан он был в конце 1950-х – начале 1960-х годов Джоном Кином в Манчестере и Джеком В. Боагом в Лондоне.

Фотолиз вспышки

Флэш-фотолиз — это альтернатива импульсному радиолизу, в которой для инициирования химических реакций используются мощные световые импульсы (например, от эксимерного лазера) вместо пучков электронов. Как правило, используется ультрафиолетовый свет, который требует меньшей радиационной защиты, чем рентгеновское излучение, используемое в импульсном радиолизе.