Радиохимия

Обсуждено современное определение радиохимии – раздела химии, охватывающего изучение свойств радиоактивных веществ и разработку научных основ химических технологий, связанных с получением радиоактивных материалов и переработкой ядерного горючего. Рассмотрены основные этапы становления радиохимии, вклад в ее с развитие отечественных ученых. Обсуждены современные проблемы радиохимии. Дан краткий обзор работ по радиохимии, выполняемых в настоящее время на кафедре радиохимии химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Радиохимия, раздел химии, изучающий свойства радиоактивных веществ, радиоактивных элементов (т.е. элементов, все изотопы которых радиоактивны), радионуклидов (в том числе радиоактивных изотопов нерадиоактивных элементов). Радиохимия включает также научные основы химических технологий, связанных с получением радиоактивных материалов и переработкой ядерного топлива (особенно – выделение из отработанного топлива урана, нептуния, плутония и других радиоактивных элементов).

Отметим, что к радиоактивными веществам относят вещества, для работы с которыми существуют законодательно утвержденные нормы и правила обеспечения радиационной безопасности. Перечень этих норм и правил содержится в изданиях «Нормы радиационной безопасности НРБ-99», Москва, Минздрав России и «Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности», ОСПОРБ-99/2010. Если же содержание радиоактивных атомов в веществе невелико (как, например, в образцах соединений калия, всегда содержащих ничтожные количества природного радиоактивного калия-40), и на работу с ним действие указанных норм и  правил не распространяется, то такое вещество как радиоактивное рассматривать не принято.

В научных и практических проблемах радиохимии  решающее значение имеют радиоактивные свойства атомов, входящих в состав изучаемых или используемых систем. Наличие радиоактивных атомов и их концентрацию, как правило, определяют с помощью радиометрической аппаратуры по испускаемому при распаде излучению. Для защиты от вредного воздействия радиоактивного излучения на организм человека в радиохимических лабораториях и на производстве применяют специальную технику и оборудование.

Зарождение радиохимии связано с химическим выделением и изучением свойств радиоактивных элементов радия Ra и полония Po (П. Кюри и М. Склодовская-Кюри, 1898 г.). Термин «радиохимия» введен А. Камероном (1910 г.), который назвал так раздел науки, изучающий природу и свойства отдельных радионуклидов - членов радиоактивных рядов урана и тория (в то время их называли радиоэлементами). В ходе дальнейшего развития радиохимии были установлены законы соосаждения и адсорбции радионуклидов из ультраразбавленных растворов, заложены основы метода изотопных индикаторов, создан эманационный метод изучения физико-химических свойств твердых тел (работы К. Фаянса, Ф. Панета, В. Г. Хлопина, О. Гана и др.).

Использование явления радиоактивности послужило основой новых физико-химических методов исследования строения и свойств вещества, кинетики и механизма химических реакций. Среди них - метод радиоактивных индикаторов (метод радиоактивных меченых атомов), основанный на введении в исследуемый объект радионуклида данного элемента (например, в составе какого-либо простого вещества или химического соединения) и последующем контроле поведения радиоактивных атомов с помощью радиометрической аппаратуры. В ряде случаев использование радиоактивных индикаторов сопровождается заметными термодинамическими и кинетическими изотопными эффектами, что следует учитывать при анализе получаемой методом радиоактивных индикаторов информации.

В ХХ веке были разработаны методы синтеза и специальная номенклатура химических соединений, отличающихся изотопным составом от полученных из природного сырья (так называемые меченые соединения). Эти соединения используют, в частности, при проведении исследований методом радиоактивных индикаторов. В становлении и развитии  метода радиоактивных индикаторов большую роль сыграли работы российских радиохимиков (Влад.И. Спицын и др.)

Новый этап развития радиохимии был обусловлен открытием искусственной радиоактивности (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934 г.). При облучении нейтронами нерадиоактивных веществ были получены радионуклиды самых разных элементов периодической системы (Э. Ферми с сотрудниками, 1934-1938 г. г.), открыто деление ядер урана-235 под действием нейтронов (О. Ган, Ф. Штрассман, Л.Мейтнер, 1939 г.), обнаружена изомерия как искусственно получаемых атомных ядер (И. В. Курчатов и др., 1935 г.); так и ядер естественных радионуклидов (открыта О. Ганом в 1921 г.); синтезированы первые искусственные радиоактивные элементы – технеций Тс (К. Перрье, Э. Сегре, 1937 г.), астат At (Д. Кopcoн, К. Макензи, Э.Сегре, 1940 г.), плутоний Pu (Г. Сиборг и др., 1940 г.), нептуний Nр (Э.М. Макмиллан, Ф.Х. Эйблсон, 1940 г.), прометий Рm (Дж. Маринский, Л. Гленденин, Ч. Кориелл, 1945 г.).

К настоящему времени получены искусственные радионуклиды почти всех встречающихся в природе элементов периодической системы (кроме гелия Не и лития Li), все актиноидные (атомные номера Z = 93-103), а также трансактиноидные элементы (к 2010г. – до элемента с Z = 118 включительно). Развитие ядерного реакторостроения и практические проблемы получения ядерного топлива привели к тому, что радиохимические исследования и производство приобрели характер важнейших государственных программ многих развитых стран.

Само понятие радиохимии по сравнению с определением, данным А. Камероном, постепенно расширилось. В.Д. Нефедов и др. радиохимики ленинградской (санкт-петербургской) школы (старейшей отечественной радиохимической школы) определили радиохимию как науку, объектами исследования которой являются радиоактивные элементы и продукты ядерных превращений на изотопном, элементном и молекулярном уровнях.

В более широком смысле радиохимию трактуют как науку, изучающую химические превращения радиоактивных веществ, их физико-химические свойства, химию ядерных превращений и сопутствующие им физико-химические процессы (Ан. Н. Несмеянов). Однако такое определение радиохимии не охватывает технологических проблем радиохимических производств. Четкое разграничение круга вопросов, относимых к радиохимии, может быть основано на радиоактивных свойствах атомов, которые определяют характер проводимых работ и их результаты. Однако на практике такого разграничения часто не проводят. Так, в российском научном журнале «Радиохимия» публикуются работы по химии радиоактивных элементов, использованию изотопных индикаторов при исследовании гетерогенных процессов (экстракции, хроматографии, адсорбции, сокристаллизации и т.п.), по химии лантаноидов как аналогов актиноидов и многим  другим проблемам.

К радиохимии близко примыкает ядерная химия, важнейшие задачи которой – изучение химическими методами продуктов ядерных реакций, выявление связи между физико-химическими и ядерными свойствами веществ. В ряде случаев, например при изучении химических свойств сверхтяжелых элементов (атомный номер Z > 100), которые доступны для исследования только непосредственно после их получения в ядерных реакциях, ядерная химия смыкается с радиохимией.

Погранична с радиохимией радиационная химия, изучающая превращения в веществах под воздействием ионизирующих излучений. Особенно тесно радиационная химия связана с радиохимией тогда, когда ионизирующее излучение обусловлено радиоактивными атомами, содержащимися в самом исследуемом веществе.

В современной радиохимии часто выделяют четыре раздела: общую радиохимию, химию радиоактивных элементов, химию ядерных превращений и прикладную радиохимию. Общая радиохимия изучает особенности поведения радиоактивных веществ и отдельных радионуклидов в различных гомогенных и гетерогенных системах. Специфические свойства объектов исследования часто обусловлены ультрамалыми концентрациями радионуклидов (до 10^-10 - 10^-12 моль/дм³ и менее).

Важнейший раздел общей радиохимии – радиоэкология, изучающая состояние и формы радионуклидов в живых и неживых объектах окружающей среды, миграцию радиоактивных атомов, их накопление, распределение радионуклидов по поверхности и вглубь Земли, в атмосфере, в водах Мирового океана и т.п.

Химия радиоактивных элементов изучает химические превращения урана U, тория Th и других природных и искусственно полученных радиоактивных элементов (исследование свойств многих из них обычными химическими методами часто невозможно или затруднено из-за быстрого радиоактивного распада ядер) –  технеция Тс, прометия Pm, полония Ро, астата At, радона Rn, франция Fr, радия Ra, актиния Ac, протактиния Pa, трансурановых элементов. Из этого раздела выделяют химию позитрония, мюония и др. водородоподобных систем.

Химия ядерных превращений изучает свойства и поведение атомов, получающихся при ядерных превращениях (часто такие атомы также радиоактивны), в том числе поведение так называемых «горячих» атомов.

Прикладная радиохимия включает синтез меченых соединений (к настоящему времени разработаны методы синтеза десятков тысяч соединений и их номенклатура), применение радионуклидов в химии, биологии и др. исследованиях, разработку методов радиоаналитического контроля состава различных природных и искусственно приготовленных образцов, проблемы дезактивации радиоактивных загрязнений, изготовление изотопных генераторов. Прикладная радиохимия решает проблемы получения и переработки ядерного горючего, разрабатывает способы подготовки радиоактивных отходов к захоронению и т. п.

Важнейшие проблемы современной радиохимии следующие:

1. Развитие методов подготовки ядерного топлива для ядерных реакторов АЭС и переработки облученного ядерного топлива.

2. Разработка эффективных методов радионуклидной диагностики производственных процессов и исследовательских систем, особенно с применением короткоживущих радионуклидов, быстрый полный распад которых обеспечивает безвредность последующего использования образующихся в производственных процессах веществ.

3. Получение широкого ассортимента фармакологических и иных медицинских препаратов, содержащих радионуклиды типа технеций-99 для диагностики и лечения различных заболеваний.

4. Обеспечение безопасных методов обращения с отходами, особенно высокорадиоактивными, и перевода высокорадиоактивных отходов в формы, пригодные для длительного безопасного захоронения в специальных колодцах, геологических формациях и т.д.

5. Развитие методов радиохимического анализа и непрерывного контроля (мониторинга) радиоактивности окружающей среды.

Авария в Чернобыле (1986 г.) стимулировала работы по новым эффективным методам радиохимической дезактивации и другим радиоэкологическим вопросам.

Большой вклад в развитие радиохимии внесли работы российских ученых, в том числе и ученых Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова. Первыми, кто стал изучать в России радиоактивные свойства различных природных объектов ( минералы, лечебные грязи, минеральные воды и др.) были И.А. Каблуков, А.П. Соколов, В.И Вернадский, Л.С.Коловрат-Червинский. В первые годы существования советского государства В.Г. Хлопин развил обширные исследования соосаждения и адсорбции радиоактивных атомов из растворов, а Влад.И.Спицын начал использовать радиоактивные индикаторы для определения растворимости малорастворимых веществ в воде.

В.Г.Хлопин в 1921 г. вместе с И.Я.Башиловым, М.А.Пасвик и др. получил первые в нашей стране высокорадиоактивные препараты радия. В 1922 г. в Петрограде (в настоящее время – город Санкт-Петербург) был организован Радиевый институт, первым директором которого был В.И.Вернадский, а заведующим химическим отделом – В.Г.Хлопин. (Радиевый институт до настоящего времени – важнейший радиохимический научно-исследовательский центр России).

Советские радиохимики в конце 40-х – в 50-ые годы  за короткий срок подробно исследовали химические свойства урана, разработали эффективные методы выделения из облученного урана способного к ядерной реакции деления плутония-239 и внесли огромный вклад в разрушение монополии США на ядерное оружие.

В МГУ им. М.В.Ломоносова во второй половине ХХ века обширные исследования в различных областях радиохимии были выполнены В.И.Спицыным, И.П. Алимариным, В.В. Фоминым, Ан.Н.Несмеяновым, И.В.Мелиховым  и др. В настоящее время на кафедре радиохимии химического факультета МГУ (организована в конце 1959 г., расположена на территории МГУ в отдельном здании) ведутся исследования миграции радионуклидов по поверхности Земли и в водах Мирового океана (С.Н.Калмыков, Ю.А.Сапожников), поведения радионуклидов в гетерогенных процессах (И.В.Мелихов, С.С.Бердоносов и др.), синтезу меченых органических соединений (В.М.Федосеев, А.Н.Мандругин) и изучению поведения энзимов с использованием радионуклидов (М.А. Орлова), поведению радионуклидов в экстракционных процессах (Б.З.Иофа, А.А. Абрамов), использованию эффекта Мёссбауэра в физико-химических исследованиях (П.Б.Фабричный, Ю.Д.Перфильев, И.А.Пресняков) и выяснению законов миграции радиоактивных газов в гетерогенных системах (И.Н.Бекман).

Работы по радиохимии в нашей стране проводятся во многих научно-исследовательских центрах РАН (Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина, Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского и др.) и на предприятиях Госкорпорации по атомной энергии «Росатом» (Радиевый институт им. В.Г.Хлопина и др.).

Все радиохимические работы (как научно-исследовательские, так и производственные) ведутся под контролем органов МВД и санитарных служб.

Литература

1.     Несмеянов А. Н., Радиохимия, 2-ое изд., М., 1978; Келлер К., Радиохимия, пер. с нем., М., 1978;

2.     Лукьянов В.Б., Бердоносов С.С. и др. Радиоактивные индикаторы в химии. М., 1985;

3.     Нефедов В.Д., Текстер Е. Н., Торопова М.А., Радиохимия, М., 1987;

4.     Сапожников Ю.А., Алиев Р.А., Калмыков С.Н. Радиоактивность окружающей среды. Теория и практика. М.: Бином. 2006.

С. С. Бердоносов