ОТВЕТНЫЙ УДАР
Чернобыль, Фукусима… Последствия этих крупнейших атомных катастроф до сих пор окончательно не оценены. От радиационного заражения на Земле пострадали тысячи квадратных километров суши и значительная часть Тихого океана. Но с ионизирующим излучением мы сталкиваемся не только на атомных объектах – достаточно просто пройти флюорографию, чтобы получить свою дозу, пусть и небольшую. Для того чтобы мирный атом не погубил тех, кто с ним сталкивается, существует целая система защиты. И продукты нефтехимии в ней играют существенную роль.
С сыном Алевтины Мироновой Владимиром случилась беда. В 23 года у него диагностировали опухоль головного мозга – невриному. При отсутствии лечения молодому человеку грозили глухота, нарушение зрения и изменения в психическом состоянии.
«Наш лечащий врач посоветовал искать гамма-нож, – рассказывает Алевтина. – Другие способы лечения не помогали, размеры невриномы не уменьшались».
Современный гамма-нож – это высокотехнологичное компьютеризированное устройство, в котором используются новейшие достижения медицинской радиологии, нейрохирургии и робототехники. Подобно нейрохирургической операции, процедура лечения проводится однократно, однако при этом нет необходимости проводить трепанацию черепа. Под действием высокой дозы облучения происходит разрушение ДНК опухолевых клеток, которые теряют способность к делению и постепенно погибают. Некоторые опухоли полностью рассасываются и исчезают, некоторые остаются в прежних размерах либо уменьшаются и больше никогда не растут.
«Процедуру провели в Санкт-Петербургском онкологическом центре Медицинского института имени Березина Сергея, – продолжает счастливая мама Владимира. – Сына ждали 54 минуты, после чего он вернулся с доктором, который сказал, что все прошло успешно, и дал свои рекомендации по дальнейшему лечению».
Так ядерная медицина спасла здоровье, а может быть, и жизнь молодого человека. И таких примеров сегодня тысячи.
На земле, в небесах и на море
Мирный атом широко используется во многих сферах деятельности. Реакторы АЭС питают электричеством целые города и области. Менее мощные установки делают автономными ледоколы и подводные лодки. Современная наука обещает нам даже космические корабли с мобильными ядерными реакторами. Опасное излучение решает самые разные задачи, например, в медицине. Помимо флюорографии и рентгенографии, существует целое направление – ядерная медицина, где энергия заряженных частиц используется для лучевой диагностики и терапии в борьбе с раком. Радиоизотопы применяются в кардиостимуляторах, томографах, при стерилизации инструментов. В археологии с помощью радиоуглеродного анализа оценивается возраст находок. Радиоактивные элементы применяются в пожарных детекторах и измерительных инструментах, при досмотре багажа и при исследованиях строения вещества, в работе орбитальных телескопов и так далее.
Что это такое?
Радиация – это ионизирующее излучение, выбивающее один или несколько электронов, придавая атому положительный заряд. Это, в свою очередь, меняет химические свойства молекулы, в которую входит атом, зачастую делая ее агрессивной по отношению к другим частицам. Таким эффектом обусловлено вредное воздействие радиации на живые клетки и организмы: она нарушает их структуру, вызывая мутации, приводя к заболеваниям сердечно-сосудистой и нервной систем, зачастую к раку.
Нефтехимия защиты
По словам доцента кафедры радиационной физики и безопасности атомных технологий МИФИ Михаила Панина, нефтехимические материалы хорошо защищают от нейтронного излучения, так как содержат легкие атомы: углерод и водород.
«Самой лучшей защитой от нейтронного излучения является вода, – говорит Михаил Панин, – а из продуктов нефтехимии еще с 50-х годов прошлого века используется парафин».
В космосе для экранирования широко используются полиэтиленовые материалы.
«Полиэтилен лучше защищает от космического излучения, чем алюминий, – уверен ведущий научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН Александр Шафиркин. – Он легкий, в нем много водорода, а именно водород защищает от протонов, из которых на 85–99% и состоит галактическое и солнечное излучение. Есть еще ряд композитных материалов с углеродом, которые могут улучшить защитные свойства кораблей для дальних перелетов и радиационных убежищ, например, на Луне».
Из углепластика (полимеров, армированных углеродным волокном с добавлением разных добавок), например, производят обтекатели, сопла, корпуса ступеней ракет. Они наделяют изделия высокой стойкостью к нагрузкам, воздействию высоких температур, электромагнитного излучения и радиации.
«Под стойкостью подразумевается свойство материала, которое позволяет ему, находясь под действием солнечной радиации или другого излучения, не деградировать со временем, – объясняет Виктор Малецкий, руководитель направления продаж в авиацию UMATEX Group (компания производит материалы для атомной энергетики). – Ведь зачастую материал, попадая на солнце, быстро приходит в негодность в течение короткого времени». Использование же композитов позволяет решить эту проблему.
В медицине в рамках борьбы с последствиями ионизирующего излучения нашли свое применение полимеры. По словам ведущего научного сотрудника Федерального медицинского биофизического центра им. Бурназяна Владимира Климанова, например, просвинцованными пластиковыми фартуками при проведении рентгенологических исследований накрывают места на теле пациента, облучение которых нежелательно.
Углеродные волокна применяются при производстве столов в томографах, где материал не должен разрушаться под регулярным воздействием излучения. Защита медицинских кабинетов с рентген-оборудованием от других помещений долгое время обеспечивалась материалами на основе свинца, например свинцовой фольгой, или листами с нанесенным свинцовым покрытием. Однако такие листы неудобны в использовании, их трудно резать и утилизировать. Сегодня им на смену приходят не содержащие свинец рентгенозащитные гипсовые панели с добавлением сульфата бария.
В строительстве защита от радиации обеспечивается в основном за счет добавления в бетон различных вяжущих материалов. Для противостояния гамма-излучению применяют бетоны на тяжелых природных и искусственных заполнителях, содержащих элементы с большим атомным номером: баритовые, железорудные, чугунные, феррофосфорные и другие. На объектах атомной энергетики и в лабораториях для наблюдения за радиоактивными материалами используют радиационно-защитные окна, выполненные из специального стекла.
Виды защиты от радиации
1. Время. Чем меньше человек проводит у источника излучения, тем меньшую дозу радиации он получит.
2. Расстояние. Самый надежный способ защиты – как можно дальше удалиться от источника загрязнения.
3. Экранирование. Специальные экраны и защитные костюмы обеспечат человеку безопасное пребывание в зоне излучения.
4. Химическая защита. Введение специальных медицинских препаратов, снижающих действие радиации.
К Марсу без радиации
Однако существующие методы защиты не всегда удобны. Захоронение отработанного ядерного топлива (ОЯТ) , экранирование при работе с ядерными установками – эти сферы требуют более качественных решений. Особняком в этом ряду стоят полеты в космос, особенно путешествия к дальним планетам, о которых столь много говорят в последнее время. В 2018 году ученые 30 научных организаций со всего мира (в том числе и из России) создали коллаборацию по борьбе с последствиями космической радиации. Среди способов борьбы со смертельным излучением предлагается использовать самые разные, но наиболее спорный из них – модификация ДНК.
Пока космонавт находится в магнитном поле Земли, космическая радиация не может нанести большого урона, так как наша планета опасное излучение отклоняет. Совсем другое дело – полет в открытом космосе. Помимо солнечного ветра, на космонавта начинают воздействовать и частицы из-за пределов Солнечной системы, возникающие в результате космических катастроф (взрывов сверхновых, возникновения нейтронных звезд и так далее). Это набор самых разных частиц с очень большими зарядами и энергиями. Они легко разрывают молекулярные связи в ДНК человека, нанося ущерб организму.
Однако, по мнению ряда ученых, подобные повреждающие воздействия в малых дозах способны стимулировать защитные системы организма. Такая стимуляция стрессоустойчивости может помочь будущим колонизаторам Марса. Кроме того, по мнению заведующего лабораторией генетики продолжительности жизни и старения Московского физико-технического института (МФТИ, входит в международную коллаборацию) Алексея Москалева, повреждения ДНК, вызываемые радиацией, схожи с теми, что происходят во время процесса естественного старения. Поэтому в дальних космических перелетах космонавтам могут помочь геропротекторы – препараты, снижающие скорость старения.
Наконец, разные люди обладают разной радиорезистентностью. Взятие клеток у человека с наибольшей сопротивляемостью радиации и «привитие» их космонавтам при помощи методов генной инженерии, по мнению ряда ученых, может также помочь последним справиться с бомбардировкой космическими лучами.
Однако далеко не все ученые (даже внутри МФТИ) согласны с тем, что такой метод действительно поможет. «Гены – такая штука: измените один, и начнется цепочка мутаций, которая приведет непонятно к чему, – считает директор по научной работе Центра живых систем МФТИ Сергей Леонов. – Лучше работать в области физической защиты космонавтов, снижать уровень облучения за счет материаловедения».
По его словам, более щадящий способ повышения радиорезистентности возможен за счет использования химических препаратов или пищевых добавок, которые могут снизить риск появления мутаций.
«Есть целый ряд химических соединений природного и синтетического происхождения, которые повышают радиорезистентность клеток или снижают последствия накопления свободных радикалов», – уверен он. Как бы то ни было, возможный успех научной деятельности коллаборации может стать причиной появления людей, способных работать в агрессивной радиоактивной среде. Биологические разработки могут быть полезны, например, при ликвидации последствий радиационного заражения или при работе с радиоактивными веществами.
Еще один радикальный метод борьбы с ионизирующим излучением, который разрабатывают ученые, – создание искусственных магнитных полей.
«Самая большая опасность дальних экспедиций – это отсутствие магнитного поля либо магнитное поле на несколько порядков ниже, – говорит Александр Шафиркин. – Мы считаем, что возможность создать внутри корабля магнитное поле, как на Земле, имеется. Даже для скафандра это возможно. И этими расчетами сейчас занимаются наши сотрудники».
Тема магнитных полей – одна из самых актуальных в науке. Например, весной 2017 года NASA выдвинуло идею создания в будущем искусственного магнитного поля на орбите Марса. Подобная защита, по мнению американцев, в будущем позволит сделать Красную планету частично пригодной для колонизации.
Кстати
Российские ученые создали материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с изотопами бора-10, которым можно покрывать скафандры. «Изотоп бор-10 позволяет обеспечить высокоэффективную нейтронную защиту, в сотни раз превосходящую бетон. А сверхвысокомолекулярный полиэтилен в качестве базового материала хорошо совместим с соединениями бора, используемыми для усиления поглощающей способности нейтронной защиты», – заявляют производители материла ТД «Пластмасс Групп».
Защита математикой
Однако в целом эксперты довольно скептично относятся к возможности создать какие-то принципиально новые способы защиты.
«Я не думаю, что мы способны создать новые защитные материалы, – уверен Михаил Панин. – Заслуги химии заключаются в том, что она создает новые молекулы. Но молекулярные связи с точки зрения защиты от излучения никакого значения не имеют. Излучение взаимодействует либо с атомами, либо с их ядрами». По его мнению, интересные задачи лежат, скорее, в области математики: как рассчитать оптимальную конструкцию защиты, например, на летательный аппарат с ядерным двигателем, где каждый килограмм на вес золота?
Что же касается нефтехимии, то здесь интерес представляют тканеэквивалентные пластмассы, атомный состав которых близок к человеческому телу. «Это не защитный материал, а исследовательский, – продолжает эксперт. – Чтобы не вредить человеку, созданный из такого пластика «фантом» можно облучить и посмотреть, какие органы тела получают определенные дозы при облучении».
Еще один пласт задач, которые будут решать ученые, связан с обращением с (ОЯТ). Ключевой тренд – это не просто захоронение, а разделение их на фракции. По словам заведующего лабораторией радиохимии Института геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАН Сергея Винокурова, если раньше после выделения из ОЯТ остаточных ядерных материалов всю остальную массу отходов остекловывали и захоранивали, то теперь принята концепция по глубокой переработке таких отходов. Их хотят фракционировать на короткоживущие (с перио дом распада до 1 тыс. лет) и долгоживущие, которые могут фонить сотни тысяч, а то и миллионы лет.
«Основная масса отходов – короткоживущие, их можно отверждать в цементе и хранить приповерхностно. Через тысячу лет над ними можно будет разбить лужайку, – считает Сергей Винокуров. – Что делать с долгоживущими отходами, пока непонятно, но их на самом деле очень мало». Стоит отметить, что сами методы захоронения ОЯТ пока не до конца изучены, особенно на временных периодах в тысячи лет.
Кроме того, ученые бьются над тем, чтобы найти экономичный способ извлечения из ОЯТ ценных веществ: кобальта, из которого можно сделать, например, гамма-нож в медицине, изотопа никель-63, который подойдет для создания ядерной батарейки. Подобное изделие смогло бы служить 50 лет и больше. Из ОЯТ возможно добывать молибден, являющийся источником технеция-99м, который применяется в ядерной медицине. «Если найдется эффективный способ, то мы не будем утилизировать то, что еще можно использовать», – уверен эксперт.
В общем, ученые ищут новые способы защиты: кто – в физике, кто – в химии, кто – в генетике и даже в математике. Американские ученые, например, предлагают использовать для защиты даже глину астероидов, богатую водородом, создав на ее основе композитный материал. Идей у ученых много, так что не исключено, что через 20-50 лет человечество научится использовать все возможности ядерной энергетики и радиационного излучения, надежно защитив себя от его последствий.
Вам понравится наша статья о том, Что происходит в медицинских лабораториях с анализами? Диагностика будущего - какая она?
А здесь мы собрали Обзор новейших разработок в области нефтехимии - электробус, умные очки, футбольное поле и другие!
Друзья! Нам очень важно понимать, что мы пишем нужные и полезные статьи - пожалуйста, делитесь с нами вашими комментариями, что вы думаете, чтобы вы хотели еще прочитать о научных изобретениях, химических процессах и продуктах! А еще мы пишем о том, как нефтехимия влияет на окружающую среду - будьте с нами! На нашем канале интересно!
Всегда ваши, команда Химиков)