Использование радиоактивных элементов в сфере производства

     Для изучения процессов шлакообразования применяли радионуклиды ³²Р и ⁴⁵Са. О ходе процесса можно судить путем отбора проб металла и шлака и определения их радиоактивности. С помощью ^45Са изучали кинетику распространения микро- и макродобавок в расплавленном шлаке мартеновских печей. Это позволило уточнить схемы движения шлака и усовершенствовать режимы ввода в ванну шлакообразующих веществ, что важно для повышения производительности [25].

     Количество  шлака определяли по методу изотопного разбавления. Для этого в шлак вводили препараты ³²Р, отбирая пробы шлака, измеряли изменение удельной активности и рассчитывали общее количество шлака с помощью уравнения метода изотопного разбавления.

     Как в черной, так и в цветной  металлургии в процессе плавки важную роль играет присутствие серы и фосфора. Для изучения обмена серой между  металлом и шлаком или газовой фазой использовали ³⁵S. Измерением активности ³⁵S в пробах изучали кинетику и источники перехода серы в металл.

     Радиоактивный ³²Р применяли для изучения распределения фосфора между металлом и шлаком, радиоуглерод ¹⁴С использовали при определении кинетики восстановления оксидов металлов углем.

     Радионуклиды  широко применяют и в сталеплавильных  процессах. Например, МРИ исследовали кинетику затвердевания при кристаллизации непрерывных полых слитков. В жидкую фазу одновременно вводили ³⁵S и ³²Р, обладающие низко (0,3 МэВ) и высоко (1,7 МэВ) энергетическим (βизлучением с различной энергией, что давало возможность контроля зон потока на разных глубинах. Для регистрации излучения использовали метод авторадиографии. На поверхность слитка накладывали друг на друга две рентгеновских пленки, нижняя регистрировала суммарное излучение, верхняя — лишь излучение ³²Р,так как низкоэнергетическое излучение ³⁵S задерживается первой пленкой. Полученные оптимальные параметры затвердевания металла использованы при создании новой технологии приготовления труб [14].

     Радиоактивные индикаторы призваны сыграть большую роль в охране окружающей среды, в решении проблем очистки природных и сточных вод. Они позволяют выявить основные факторы, влияющие на процесс этой очистки, — время пребывания жидкости в очистных сооружениях, скорость ее движения, степень перемешивания и др. Проведенные исследования на станциях аэрации Москвы и других городов дали возможность получить необходимые данные о работе этих сооружений с помощью ²⁴Na, ³²Р, ¹³¹I и др. В результате этих исследований удалось найти более эффективные режимы работы очистных сооружений, а также устранить недостатки, допущенные при их проектировании, строительстве или эксплуатации [11].

Удобство и  легкость, с какой радиоактивные  изотопы или меченые атомы  могут вводиться в любые вещества, химические соединения, сплавы, смеси, сложные органические вещества и  организмы живых существ, а затем  обнаруживаться в них, позволили в весьма короткий срок создать совершенно новый метод исследования буквально во всех отраслях науки, техники и промышленности.

Представьте себе, что в зарытой на большой глубине  и проходящей под оживленными  улицами города линии труб водопровода или газа где-то образовалась небольшая, но опасная трещина, могущая впоследствии вызвать серьезную аварию. Обнаружить ее точное местонахождение очень трудно, почти невозможно.

Рис. 2.3. Схема нахождении трещины в трубе, находящейся под землей 
 

  Радиоактивные изотопы позволяют отыскать место повреждения трубы глубоко под землей, не прибегая к раскопкам.  Однако если к воде или газу, проходящему по этому трубопроводу, примешать небольшое, безопасное для потребителей количество радиоактивного изотопа с коротким периодом полураспада, то спустя некоторое время в районе утечки жидкости или газа в окружающий грунт проникнет достаточное количество «громко кричащих» о своем присутствии радиоактивных атомов. Их можно сравнительно легко обнаружить при помощи счетчика, укрепленного в конце специального щупа, последовательно погружаемого в землю вдоль всей трассы. Место аварии находится сразу. Или же сигналы, поступающие от счетчика, который везут вдоль трассы на тележке, записываются на магнитную пленку или проволоку, длина которой равна длине трассы. Затем в лаборатории магнитная пленка устанавливается для «проигрывания» в магнитофон. Зарегистрированные сигналы радиоактивных излучений воспроизводятся в громкоговорителе в виде страшного шума. Пленку останавливают, измеряют ее длину и на соответствующий участок трассы посылают аварийную бригаду.

Особое  место МРИ занимает при исследованиях, направленных на за щиту пресных подземных  вод от загрязнений. В некоторых  районах эти воды являются основным, а иногда и единственным источником водоснабжения. В масштабе планеты проблема потребления воды становится все более острой из-за роста населения, а также увеличения потребления воды промышленностью и сельским хозяйством. В то же время утечка промышленных и сельскохозяйственных стоков повышает угрозу загрязнения природных водных источников. Особенно велика опасность подобных загрязнений при возникновении аварийных ситуаций [1].

     Выше  отмечалось значение радиоактивных меток при изучении процессов очистки вод в естественных условиях, а также при оценке эффективности работы очистных сооружений. В результате фильтрации и диффузии из подземных захоронений, отстойников и хранилищ, проникновения промышленных стоков в водоемы происходит загрязнение подземных вод. При изучении путей миграции загрязнений, мест их утечек из промышленных установок и трубопроводов радиоактивные индикаторы значительно превосходят все другие вещества-метки (красители, люминофоры и т.п.). Их применению способствует высокая чувствительность регистрации, ее объективность, возможность использования малых количеств индикаторов, благодаря чему не изменяются гидродинамические и физико-химические свойства жидкостей. Эффективность работы очистных сооружений устанавливается изучением их гидродинамических параметров, которые с достаточной степенью надежности могут быть установлены только с помощью трасеров - в данном случае радиоактивных индикаторов.

     Чрезвычайно перспективным представляется использование газообразных радиоактивных индикаторов, обеспечивающих более быстрый контроль утечки, так как их утечка протекает па два-три порядка интенсивнее, чем у жидкостей. Наиболее удобным индикатором для этих целей служит радиоактивный благородный газ ⁸⁵Кr. Устанавливая датчики в отдельных узлах очистного сооружения, удается получить общую картину движения потоков, проследить за состоянием жидкостей и твердых взвесей. Измеряя с помощью детекторов излучения радиоактивность в отдельных участках системы или проводя отборы отдельных радиоактивных проб, можно получить информацию о поведении жидкости во всей системе [7].

     В кабельной промышленности МРИ используют при проверке равномерности распределения  серы в изоляции с помощью 35S. Введение метки в различные компоненты резиновых смесей помогает изучению механизма вулканизации.

     Радиоиндикаторные методы на железнодорожном транспорте применяются в основном для совершенствования технологических процессов и для определения оптимальных режимов работы двигателей и других машин [26].

     Была  установлена продолжительность  смешения компонентов шихты для  приготовления из порошков проволок, используемых для восстановления изношенных подшипников и других деталей машин. Для этого в один из компонентов шихты (ферромарганец) вводили определенное количество кобальта. Отобранные в разное время пробы облучали нейтронами. Об эффективности смешения судили по возбужденной активности ⁶⁰Со. Опыты позволили уменьшить время перемешивания шихты без ущерба для качества продукции.

     В смазочные материалы добавляют  присадки синтетических жирных кислот с различным количеством атомов углерода (5—10) в цепи. С помощью радионуклидов установили составы смазок, обеспечивающих быстрое удаление неровностей поверхностей и их защиту от задира.

     МРИ позволил выяснить влияние материала  цапф на режим трения при работе подшипников. Лучшие показатели получены для подшипников из алюминиевого сплава (А9-2) и чугунных цапф с хромовым покрытием.

     В другой серии исследований выделены наилучшие составы антифрикционных алюминиевых сплавов. Выявлено защитное действие пленки олова, переносимой на сопряженную поверхность цапфы.

     В угольной промышленности важнейшей  проблемой остается предот-вращение взрывов в местах скопления метана [2].

     Чтобы уменьшить содержание метана, который образует взрывоопасную смесь с шахтным воздухом, прибегают к физико-химическому воздействию на угольный пласт. Предложен метод снижения проницаемостиго камня. Для порошковых проб составных частей цемента и цементного клинкера определяют удельную поверхность материала и ее изменение в процессе твердения.

     Методом радиоактивных индикаторов можно оценить эффективность антикоррозийных покрытий. Известно, что даже в случаях нанесения эмалевых покрытий окислительные процессы продолжаются, особенно при повышенной температуре. Пути поступления кислорода могут быть различными, что было доказано методом активационной радиографии. На начальных стадиях изотермического нагревания кислород диффундирует по сквозным дефектам, а затем через расплав по объемному механизму с участием вакансий, образующихся при взаимодействии сплава с покрытием. Следовательно, защитные свойства покрытий могут быть улучшены введением добавок, уменьшающих концентрацию вакансий.

     Этот  путь борьбы с коррозией широко используется. Введение в циркониевые сплавы таких  добавок, как Sn, Nb, Fe, Ni, повышает антикоррозийные свойства. Режим термообработки сплавов зависит от характера распределения примесных элементов. Эти сведения также получают с применением метода меченых атомов. Особенно ценна возможность быстрой оценки коррозии металлов и сплавов в растворах кислот. Использование одновременной метки нескольких легирующих элементов существенно упрощает методику и ускоряет анализ [24].

     Новая технология приготовления р- или n-полупроводников основана на ядерном легировании. Особо высокие требования к чистоте материала могут быть выполнены, если необходимые примесные химические элементы не вводить извне, а получать непосредственно в чистом полупроводнике за счет ядерных реакций. Этот путь обеспечивает также точную дозировку примеси и равномерность ее распределения. Такой процесс уже осуществляется для кремния, занимающего по масштабам промышленного  производства полупроводников одно из первых мест.

     Традиционные  методы выращивания монокристаллов, например бестигельная зонная плавка, не обеспечивают равномерного распределения легирующих примесей и часто сопряжены с внесением загрязнений. Этот недостаток полностью устраняется при использовании ядерных превращений. В результате облучения тепловыми нейтронами природного кремния протекают ядерные реакции, где в конечном результате образуется радионуклид ³¹Si с периодом полураспада 2,6 ч. При β-распаде он превращается в стабильный ³¹Р, который и требовалось ввести в кремний в качестве легирующей добавки [18].

     При осуществлении ядерного легирования  пришлось столкнуться с многими  трудностями, однако сейчас найдены оптимальные условия для этого процесса. Предстоит освоить ядерные превращения при производстве полупроводников на основе германия, арсенидов галлия и индия и других материалов.

     Несомненна  перспективность легирования полупроводников нейтронами, заманчива и другая возможность — осуществление подобных превращений под действием тяжелых заряженных частиц.

     В результате изучения распределения  бора в кремневольфрамовой стали (К.А. Ланская и др.) установлено концентрирование примеси по дефектам структуры, зависящим от способа обработки. Определение вели по наведенной облучением активности радионуклидов. Неоднородность распределения бора в стали демонстрирует трековая авторадиограмма    (рис. 2.4). 

Рис. 2.4. Трековая авторадиограмма распределения бора в стали 

     Более надежные определения таких важных для металлургии легких элементов, как В или Li, проводили по трекам мгновенных ядерных реакций в фузии из подземных захоронений, отстойников и хранилищ, проникновения промышленных стоков в водоемы происходит загрязнение подземных вод. Их применению способствует высокая чувствительность регистрации, ее объективность, возможность использования малых количеств индикаторов, благодаря чему не изменяются гидродинамические и физико-химические свойства жидкостей [19].

        Одним из эффективных средств предотвращения возможности использования находящихся на хранении радиоактивных материалов и источников ионизирующих излучений для целей радиологического терроризма является применение различных технологий для перевода опасных радиологических материалов и источников ионизирующих излучений в форму, обеспечивающую их безопасное хранение или затрудняющих (исключающих) использование в террористических целях. Сущность такого подхода к решению задач обеспечения сохранности и безопасности источников ионизирующего излучения состоит в следующем. Производится термическая переработка источников ионизирующего излучения и опасных радиоактивных материалов и перевод их в форму, исключающую возможность их использования в террористических целях путем диспергирования при подрыве «грязной бомбы», и делающую невозможным их обратное выделение из состава, образующегося в результате термического процесса стеклоподобного материала, обладающего высокой механической прочностью и химической стойкостью.