Radiolýza - Radiolysis

Radiolýza je disociace z molekul ionizujícím zářením . Jedná se o štěpení jedné nebo několika chemických vazeb vyplývající z vystavení toku vysoké energie. Záření je v této souvislosti spojeno s ionizujícím zářením ; Radiolýza se tedy odlišuje od, například, fotolýza z Cl 2 molekuly do dvou Cl- radikály , kde ( ultrafialové nebo viditelné spektrum ) světlo se používá.

Například voda disociuje pod alfa zářením na vodíkový radikál a hydroxylový radikál , na rozdíl od ionizace vody, která produkuje vodíkový iont a hydroxidový iont. Chemie koncentrovaných roztoků podle ionizujícího záření je nesmírně složité. Radiolýza může lokálně modifikovat redoxní podmínky, a proto speciaci a rozpustnost sloučenin.

Rozklad vody

Ze všech radiačně-chemických reakcí, které byly studovány, je nejdůležitější rozklad vody. Když je vystavena záření, voda prochází sekvencí rozkladu na peroxid vodíku , vodíkové radikály a různé kyslíkové sloučeniny, jako je ozon , které při zpětném přeměně na kyslík uvolňují velké množství energie. Některé z nich jsou výbušné. Tento rozklad je produkován hlavně alfa částicemi , které mohou být zcela absorbovány velmi tenkými vrstvami vody.

Souhrnně lze radiolýzu vody psát jako:

Aplikace

Predikce a prevence koroze v jaderných elektrárnách

Předpokládá se, že při konstrukci jaderných elektráren je třeba vzít v úvahu zvýšenou koncentraci hydroxylu přítomného v ozářené vodě ve vnitřních smyčkách chladicí kapaliny lehkovodního reaktoru , aby se zabránilo ztrátám chladiva v důsledku koroze .

Výroba vodíku

Současný zájem o netradiční metody pro výrobu vodíku vedl k návratu k radiolytickému štěpení vody, kde interakce různých typů ionizujícího záření (α, β a γ) s vodou produkuje molekulární vodík. Toto přehodnocení bylo dále vyvoláno současnou dostupností velkého množství zdrojů záření obsažených v palivu vypouštěném z jaderných reaktorů . Toto vyhořelé palivo se obvykle skladuje ve vodních bazénech a čeká na trvalé zneškodnění nebo přepracování . Výtěžek vodíku vyplývající z ozáření vody zářením β a γ je nízký (hodnoty G = <1 molekula na 100 elektronvoltů absorbované energie), ale je to do značné míry způsobeno rychlou reasociací druhů vznikajících během počáteční radiolýzy. Jsou-li přítomny nečistoty nebo jsou-li vytvořeny fyzikální podmínky, které brání nastolení chemické rovnováhy, lze výrazně zvýšit čistou produkci vodíku.

Jiný přístup používá radioaktivní odpad jako zdroj energie pro regeneraci vyhořelého paliva přeměnou boritan sodný do borohydridu sodného . Použitím správné kombinace kontrol lze vyrobit stabilní borohydridové sloučeniny a použít je jako médium pro skladování vodíkového paliva.

Studie provedená v roce 1976 zjistila, že lze provést průměrný odhad průměrné rychlosti výroby vodíku, kterou lze získat využitím energie uvolněné radioaktivním rozpadem. Na základě výtěžku primárního molekulárního vodíku 0,45 molekul / 100 eV získáme 10 tun denně. Míra produkce vodíku v tomto rozmezí není zanedbatelná, ale je malá ve srovnání s průměrnou denní spotřebou (1972) vodíku v USA asi 2 x 104 ^ 4 tuny. Přidání donoru atomu vodíku by to mohlo zvýšit asi šestkrát. Ukázalo se, že přidání donoru atomu vodíku, jako je kyselina mravenčí, zvyšuje hodnotu G pro vodík na přibližně 2,4 molekul na 100 absorbovaných eV. Stejná studie dospěla k závěru, že návrh takového zařízení by byl pravděpodobně příliš nebezpečný, než aby byl proveditelný.

Vyhořelé jaderné palivo

Výroba plynu radiolytickým rozkladem materiálů obsahujících vodík je již řadu let oblastí zájmu při přepravě a skladování radioaktivních materiálů a odpadu. Mohou vznikat potenciálně hořlavé a korozivní plyny a současně mohou chemické reakce odstraňovat vodík a tyto reakce lze zesílit přítomností záření. Rovnováha mezi těmito konkurenčními reakcemi není v tuto chvíli dobře známa.

Radiační terapie

Když záření vstoupí do těla, bude interagovat s atomy a molekulami buněk (hlavně z vody) za vzniku volných radikálů a molekul, které jsou schopné difundovat dostatečně daleko, aby dosáhly kritického cíle v buňce, DNA a poškodily nepřímo prostřednictvím nějaké chemické reakce. Toto je hlavní mechanismus poškození fotonů, protože se používají například při radiační terapii vnějším paprskem .

Radiolytické události, které vedou k poškození (nádorové) buňky DNA, se obvykle dělí na různá stadia, která probíhají v různých časových měřítcích:

  • Fyzický stupeň ( ), spočívá v nanášení energii do ionizující částice a následné ionizaci vody.
  • Během fyzikálně-chemické fáze ( ) dochází k mnoha procesům, např. Molekuly ionizované vody se mohou rozdělit na hydroxylový radikál a molekula vodíku nebo volné elektrony mohou projít solvatací .
  • Během chemického stupně ( ) reagují první produkty radiolýzy navzájem a se svým okolím, čímž produkují několik reaktivních forem kyslíku, které jsou schopné difundovat.
  • Během biochemické fáze ( až dnů) by tyto reaktivní formy kyslíku mohly rozbít chemické vazby DNA, což by vyvolalo reakci enzymů, imunitního systému atd.
  • A konečně, během biologického stadia (dny až roky) se chemické poškození může promítnout do biologické buněčné smrti nebo onkogeneze, když se poškozené buňky pokusí rozdělit.

Historie Země

Byl učiněn návrh, že v raných fázích vývoje Země, kdy byla její radioaktivita téměř o dva řády vyšší než v současnosti, mohla být radiolýza hlavním zdrojem atmosférického kyslíku, který zajišťoval podmínky pro vznik a vývoj života . Molekulární vodík a oxidanty produkované radiolýzou vody mohou také poskytovat kontinuální zdroj energie pro podpovrchová mikrobiální společenství (Pedersen, 1999). Taková spekulace se opírá o objev v Mponeng zlatý důl v Jižní Africe , kde vědci zjistili komunitu dominuje nová phylotype z Desulfotomaculum , živí se především radiolytically vyrobené H 2 .

Metody

Pulzní radiolýza

Pulzní radiolýza je nedávná metoda iniciace rychlých reakcí ke studiu reakcí probíhajících v časovém měřítku rychleji než přibližně sto mikrosekund , kdy je jednoduché míchání reagencií příliš pomalé a je třeba použít jiné metody iniciace reakcí.

Tato technika zahrnuje vystavení vzorku materiálu paprsku vysoce zrychlených elektronů , kde je paprsek generován linacem . Má mnoho aplikací. Byl vyvinut na konci 50. a na počátku 60. let Johnem Keeneem v Manchesteru a Jackem W. Boagem v Londýně.

Blesková fotolýza

Blesková fotolýza je alternativou k pulzní radiolýze, která k zahájení chemických reakcí využívá spíše vysoce výkonné světelné pulsy (např. Z excimerového laseru ) než paprsky elektronů. Typicky se používá ultrafialové světlo, které vyžaduje menší stínění záření, než je požadováno pro rentgenové záření emitované při pulzní radiolýze.

Viz také

Reference

  1. ^ Marie Curie. „Traité de radioactivité, str. V – xii. Publikováno Gauthier-Villars v Paříži, 1910“ . Citovat deník vyžaduje |journal=( pomoc )
  2. ^ Le Caër, Sophie (2011). „Radiolýza vody: Vliv oxidových povrchů na produkci H2 při ionizujícím záření“ . Voda . 3 : 235–253. doi : 10,3390 / w3010235 .
  3. ^ „Radiolytické štěpení vody: Demonstrace v reaktoru Pm3-a“ . Vyvolány 18 March je 2016 .
  4. ^ Sauer, Jr., MC; Hart, EJ; Flynn, KF; Gindler, JE (1976). „Měření výtěžku vodíku při radiolýze vody rozpuštěnými produkty štěpení“ . doi : 10,2172 / 7347831 . Vyvolány 26 September 2019 . Citovat deník vyžaduje |journal=( pomoc )
  5. ^ Hall, EJ; Giaccia, AJ (2006). Radiobiologie pro radiologa (6. vydání).
  6. ^ R Bogdanov a Arno-Toomas Pihlak z Petrohradské státní univerzity
  7. ^ Li-Hung Lin; Pei-Ling Wang; Douglas Rumble; Johanna Lippmann-Pipke; Erik Boice; Lisa M. Pratt; Barbara Sherwood Lollar ; Eoin L. Brodie; Terry C. Hazen; Gary L. Andersen; Todd Z. DeSantis; Duane P. Moser; Dave Kershaw a TC Onstott (2006). „Dlouhodobá udržitelnost vysokoenergetického krému Biome s nízkou rozmanitostí“ . Věda . 314 (5798): 479–82. Bibcode : 2006Sci ... 314..479L . doi : 10,1126 / science.1127376 . PMID  17053150 . S2CID  22420345 .
  8. ^ „Radioaktivita může podnítit život v hlubokém podzemí a v jiných světech #separator_sa #site_title“ . Časopis Quanta . 2021-05-24 . Citováno 2021-06-03 .

externí odkazy

Pulzní radiolýza