ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ  ВПО БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ БИЗНЕСА  И СЕРВИСА

КАФЕДРА ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИИ 

(В ГОРОДСКОМ  ХОЗЯЙСТВЕ) 
 
 
 
 

Курсовая  работа

По дисциплине «Теоретические основы прогрессивных технологий»

на  тему: «Использование радиоактивных элементов  в сфере производства» 
 
 

Выполнила

студентка группы 170801      Ю.А. Наконечная 
 
 

Руководитель      к.ф-м. н.,доцент Г.И. Ткаченко 
 
 
 
 

Белгород, 2009 г.

Содержание 
 

стр.

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Некоторые аспекты  производства и  применения радиоактивных  нуклидов………………………………………………………………………….5

1.1. Основные  области использования радионуклидов………………………...5

1.2. Современные  тенденции и перспективы разработки  радиофармацевтических препаратов…………………………………………....8

2. Промышленное применение  радиоактивных индикаторов…………....8

2.1. Метод радиоизотопных  индикаторов……………………………………..10

2.2. Использование  радиоизотопных индикаторов в  промышленности……..15

3. Инновации в производстве  ионизирующих излучений и радиоактивности………………………………………………………………..25

Заключение……...................................................................................................30

Список  использованных источников………………………………………..32

Приложения……………………………………………………………………..35 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Нуклиды — разновидности  атомов с данными массовым числом и атомным номером.

Изотопы — это  атомы одного и того же элемента, имеющие разные массовые числа.

Радиоактивность — самопроизвольное превращение  неустойчивого изотопа одного химического элемента из основного или возбужденного состояния в изотоп другого элемента, сопровождающегося испусканием элементарных частиц или ядер. Такие превращения ядер называют радиоактивными превращениями, а такие ядра или соответствующие атомы называются радиоактивными.

     Со  времени открытия радиоактивности прошло более 90 лет. За последние десятилетия одним из перспективных методов исследования стал метод радиоактивных индикаторов (МРИ). Он основан на предположении об идентичности химических свойств изотопов одного и того же элемента и постоянстве изотопного состава при различных физико-химических превращениях. При добавлении радиоактивных изотопов к обычным атомам элемента или введении их в состав соединения радиоактивная добавка будет претерпевать те же изменения, что и основная масса атомов. В результате можно, проследив за поведением радиоактивной метки, судить о ходе различных процессов и контролировать изменение свойств веществ.

     К главным преимуществам МРИ относятся его высокая чувствительность, специфичность и точность определений, простота и доступность измерительной аппаратуры. Эти достоинства способствовали широкому внедрению радионуклидов как в многие области научных исследований, так и в самые различные отрасли производственной деятельности.

     Широкое использование радиоактивных изотопов стало возможным только после  создания мощных ядерных установок — ядерных реакторов и ускорителей заряженных частиц. Эти источники искусственных радионуклидов в настоящее время вполне покрывают потребности науки и промышленности в радиоактивных изотопах [15].

     В настоящее время радиоактивные  нуклиды и радиопрепараты на их основе широко применяются в различных  отраслях науки и техники. Трудно найти область научных исследований или производства, где бы не использовались методы радиоактивных индикаторов и источники ионизирующего излучения. Количество проблем, для реализации которых применяются эти методы, постоянно увеличивается, что обусловливает необходимость расширения и углубления исследований в области ядерной физики и радиохимии, направленных на развитие методов получения и выделения радионуклидов и радиоактивных меченых соединений широкой номенклатуры.

     Цель  курсовой работы выявить роль радиоактивных  элементов в сфере производства.

     Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Показать основные области использования радионуклидов;
2. Изучить современные тенденции и перспективы разработки радиофармацевтических препаратов;
3. Рассмотреть метод радиоизотопных индикаторов;
4. Раскрыть использование радиоизотопных индикаторов в промышленности.

     Объект  курсовой работы - радиоактивные элементы.

     Предмет курсовой работы – принципы построения радиоактивных элементов.

     Курсовая  работа состоит из введения, двух глав, заключении, списка использованных источников, заключения и приложения.  
 
 

1. Некоторые аспекты  производства и  применения радиоактивных  нуклидов

1.1. Основные области использования радионуклидов 

     Наша  страна по производству и применению радиоактивных нуклидов стоит на одном из первых мест и производит изотопную продукцию на основе — 170 радионуклидов 85 элементов периодической  системы.

     Основными областями использования радионуклидов являются [13]:

     радиоизотопная (малая) энергетика,

     радиационная  технология и телетерапия,

     радиоизотопное  приборостроение,

     радиофармацевтика и молекулярная биология,

     радиоактивные индикаторы («меченые» атомы), используемые в технике, в научных исследованиях  и метрологии.

     Необходимо  отметить, что для первых трех областей, решающее значение имеют ядерно-физические характеристики нуклидов: вид излучения, энергия излучаемых частиц или квантов, их спектральные характеристики и др. и второстепенное — химические свойства, поскольку нуклиды используются в виде закрытых источников. Иное дело — радиофармацевтика, молекулярная биология и радиоактивные индикаторы; в этих случаях наряду с ядерно-физическими характеристиками нуклидов большую роль играют и их химические свойства. Круг радионуклидов, используемых в радиоизотопной энергетике, в настоящее время достаточно четко определился. Наиболее важными из них являются стронций-90 и плутоний-238, за ними следуют полоний-210, проме-тий-147 и кюрий-244[4].

     В радиационной технологии и телетерапии  используются лишь кобальт-60 и цезий-137.

     Жесткие требования к радионуклидным источникам, вытекающие из условий и методик их применения, налагают строгие ограничения по периодам полураспада используемых радионуклидов— пределы для выбора — от нескольких месяцев до 500 лет [20] .

     Как известно, в состав живого организма входят, помимо пяти основных элементов (кислорода, водорода, углерода, азота и кальция), еще 67 элементов периодической системы. Этим, очевидно, и объясняется тот факт, что уже сейчас медицина и молекулярная биология используют сотни меченых соединений и препаратов различных классов. Однако номенклатура радиоактивных нуклидов, применяемых для этих целей, насчитывает всего 50 радионуклидов 29 химических элементов и, как об этом будет сказано ниже, далеко не исчерпывает существующей в них потребности. Число применяемых радионуклидов постоянно растет, причем все чаще используются радионуклиды с небольшими периодами полураспада. Это позволяет медикам повысить чувствительность методики и максимально снизить дозовую нагрузку на пациента при лучевой диагностике [9] .

     Одним из важнейших свойств радионуклида является его период полураспада. Когда он велик, удельная активность радиоактивного вещества мала, а следовательно, низка чувствительность радиоизотопной методики. С другой стороны, малый период полураспада существенно усложняет своевременную доставку радиоактивного материала потребителю, синтез нужного меченого соединения или изготовление источника ионизирующего излучения, а также методику проведения самого эксперимента.

Открытие явления  радиоактивности сыграло огромную роль в развитии научно-технического прогресса, производстве радиоактивных изотопов (радионуклидов) и создании атомной энергетики. В биологии и медицине радиоактивность имеет очень большое значение для изучения процессов проницаемости, обмена веществ, в диагностике и терапии заболеваний. Радиоактивные вещества распадаются со строго определенной скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть остановленным или ускорен каким-либо способом. Имеется три вида излучения радиоактивных элементов — альфа-, бета- и гамма-излучение, которые от источника в магнитном поле (альфа- и бета-) откланяются в разные стороны. Гамма-излучение, не имея электрического заряда, не претерпевает отклонения (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема ионизирующего излучения в магнитном поле 

      Ионизирующие  излучения находятся в постоянном взаимодействии с веществом и  при этом, проходя через вещество, теряют свою энергию, т.е. происходят радиационные потери. Часть энергии заряженных частиц (альфа- и бета-) в результате торможения в электрическом поле ядер атомов превращается в тормозное рентгеновское излучение. Альфа- и бета- частицы также непосредственно взаимодействуют с атомами вещества и вызывают их переход, на более высокий энергетический уровень (Рис. 3), т.е. возбуждают электроны.                                                                                                             Бета-излучение — поток отрицательно заряженных частиц (электронов), движущихся со скоростью, приближающейся к скорости света. Гамма-излучение представляет собой коротковолновое, электромагнитное излучение, по свойствам близкое к рентгеновскому излучению, но обладает большей энергией и распространяется со скоростью света (300 ООО км/с). Ионизирующие излучения имеют ряд общих свойств, два из которых это способность проникать через материалы различной толщины и ионизировать воздух и живые клетки организма — заслуживают особенно пристальное внимание. Кроме естественных (природных) радиоактивных изотопов имеются также искусственные, получаемые в результате ядерных реакций. Из общего числа (около 2 ООО) известных ныне радиоактивных изотопов лишь около 300 являются природными, а остальные получены искусственным путем. Самопроизвольные превращения радиоактивных ядер приводят к непрерывному уменьшению числа атомов (ядер) исходного радиоактивного изотопа и к образованию дочерних продуктов. Отметим достоинство короткоживуших радионуклидов— невысокую токсичность, благодаря которой при их использовании существенно снижаются требования по технике безопасности и радиационной безопасности, упрощается методика проведения работ, не требуется специального оборудования. Такие радионуклиды можно применять даже в тех случаях, когда их пользователи находятся вдали от реакторов и ускорителей заряженных частиц и даже в удаленных районах, куда затруднена регулярная доставка изотопной продукции. Однако в этих случаях необходимы генераторы радиоактивных изотопов, с помощью которых могут быть решены многие важные проблемы [22].

     В статье рассмотрены лишь некоторые  аспекты производства и  применения  радиоактивных  нуклидов—этой  большой,  важной и интересной проблемы, решение которой зависит от успешного развития отдельных направлений радиохимии и ядерной физики [3]. 
 

1.2. Современные тенденции и перспективы разработки радиофармацевтических препаратов 

     Радиоактивные нуклиды широко применяются в  медицине и прежде всего — для  диагностических целей.

     Период  полураспада нуклида должен быть достаточным для проведения диагностического исследования. С другой стороны, он должен быть возможно меньшим, поскольку с уменьшением периода снижается доза облучения пациента.

     Снижение  дозы облучения до практически пренебрежимых  величин — одна из важнейших задач ядерной медицины. Диагностические обследования при помощи радионуклидов уже теперь намного безопаснее столь широко применяемой рентгеноскопии. Применение радионуклидов с короткими и ультракороткими периодами полураспада, в спектре которых почти нет «ненужных» типов излучения, делает эти методы еще более безвредными.

     С точки зрения дозиметрии, наиболее подходящие нуклиды для приготовления  радиофармацевтических препаратов (РФП) можно найти среди изотопов, распадающихся в результате изомерного перехода или захвата орбитального электрона[12].

     Сказанное выше можно проиллюстрировать на примере изотопов йода. Оказывается, наиболее вредное облучение щитовидной железы происходит при введении в организм иода-131 и иода-126. Хотя 1261 распадается при захвате электрона, тем не менее вследствие большого периода полураспада и наличия в спектре излучения квантов высокой энергии (0,665 МэВ) этот нуклид создает дозу даже большую, чем β-излучате.ль ¹³¹I. Большую дозу создают также иод-124 и иод-125 (последний вследствие большого периода полураспада). Заметим, что широкое применение иода-125 в качестве РФП вряд ли допустимо [17].

     Выделяются  два изотопа йода, имеющие наилучшую  дозиметрическую характеристику. — ¹²³I, распадающийся при захвате электрона, и ¹³²I, распад которого происходит через β-превраще-ние. Однако ¹³²I непригоден для получения сцинтиграфического изображения из-за высокой энергии g-излучения. Таким образом, наилучшим из изотопов йода является ¹²³I, создающий в щитовидной железе дозу в 100  раз меньшую, чем применяемый ныне ¹³¹I. Кроме того, при использовании короткоживущих нуклидов можно через небольшой срок проводить повторные исследования. Применение современных g-топографов позволяет использовать для клинических исследований даже радионуклиды с периодами полураспада в несколько секунд [8].

     Радионуклиды с периодами полураспада, меньшими нескольких часов, можно использовать при условии, что они получаются на ускорителе, расположенном непосредственно в лечебном учреждении, или на изотопных генераторах с достаточным периодом полураспада материнского радионуклида.

     Стремление  к замене относительно долгоживущих радионуклидов нуклидами с меньшими периодами полураспада является важнейшей современной тенденцией развития ядерной медицины.

     По  мере развития методов и создания аппаратуры ядерной медицины (а также  расширения технических возможностей получения радионуклидов) изменяется основная номенклатура РФП.

     Из  позитронизлучающих нуклидов применяются (в медицинских учреждениях, располагающих циклотронами, или в медицинских лабораториях при циклотронах) ультракороткоживушие [5].

     Важно отметить, что почти все «новые» радионуклиды медицинского назначения производят на циклотроне. Это понятно, так как и нуклиды, распадающиеся при захвате электрона, и позитронизлучающие нуклиды считаются нейтронодефицитными, получаемыми в результате ядерных реакций с заряженными частицами, для чего необходим ускоритель. 

2. Промышленное применение  радиоактивных индикаторов

2.1. Метод радиоизотопных индикаторов 

     Метод радиоизотопных индикаторов служит надежным средством ускорения технического прогресса. Он дает возможность значительно повысить производительность и надежность технологических процессов, успешно проводить автоматизацию и контроль в различных областях производства [10].

     При осуществлении любого технологического процесса прежде всего необходимо определить условия его протекания, а затем организовать наблюдение и контроль за ним. В обоих случаях незаменимую роль играют меченые атомы, которые позволяют следить за перемещением вещества в пространстве и во времени на любой стадии процесса.

     Имеется около 500 предприятий, использующих радионуклиды, многие из них располагают источниками получения частиц и квантов высокой энергии, используемых для облучения и получения радионуклидов, необходимой измерительной аппаратурой, включая вычислительную технику. В МРИ используют более полусотни радионуклидов. В таких центрах проводят массовые определения элементов (до нескольких миллионов элементоопределений в год), осуществляя непрерывный контроль работы технологических процессов, получают сведения о работе машин и аппаратов и др.

     Возможности использования МРИ чрезвычайно  многообразны, и круг практических задач весьма широк. Поэтому для их решения целесообразно привлекать специализированные организации. В результате работы только одной подобной организации, проводимой совместно с представителями заинтересованных предприятий, удалось в короткие сроки (от нескольких суток до нескольких месяцев) провести более 500 работ на нескольких народнохозяйственных объектах. При этом был получен значительный технико-экономический эффект[21] .

     Но  особенно ценен МРИ для научно-технических исследований, проводящихся в научно-исследовательских и прикладных институтах. Такие работы дают исходные физико-химические данные о материалах и процессах, необходимые для разработки новых технологий, получения новых материалов, внедрение которых способствует совершенствованию производства во многих областях народного хозяйства.

     Прежде  всего отметим решение однотипных задач, которые используются в самых разных производствах. К ним относятся: определение объемов емкостей, изучение перемещения, уплотнения и твердения материалов, седиментации, флотации; определение физико-химических констант (процессов проницаемости, вязкого течения, диффузии, коррозии и др.); наблюдение за режимом эксплуатации материалов и изделий; оценка изменений свойств и рабочих характеристик в экстремальных условиях; измерительные системы с радиоактивными изотопами построены на методах поглощения или отражения излучения (рис. 2.1). 

     Рис. 2.1. Схема бесконтактного контроля толщины металлической полосы в процессе проката, основанная на методе поглощения излучения

     Контейнер 2 с источником излучения помещен  под прокатываемой полосой металла 1, а ионизационная камера 7 — над  этой полосой на одной оси с  источником излучения. В зависимости от изменения толщины полосы металл поглощает большее или меньшее число частиц, что вызывает изменение электрического сигнала, вырабатываемого камерой. После усиления в усилителе 6 сигнал передается на серводвигатель 4 и показывающий прибор 5. Серводвигатель, изменяя положение валков 3, регулирует толщину прокатываемой полосы.

     Измерительные системы с радиоизотопными преобразователями для контроля размеров в машиностроении применяются в тех случаях, когда использование других систем невозможно. Этот метод бесконтактный, что является его преимуществом; недостатки — значительная инерционность систем и необходимость осуществления специальных мер по технике безопасности [6].

     При выполнении работ радионуклиды могут быть распределены в ограниченном объеме или по всему объему материала. Часто опыты проводят на модельных устройствах. Однако во многих случаях изучения производственных и технологических процессов целесообразно вводить радионуклиды только в образцы, отобранные непосредственно в производственных условиях, и с ними проводить лабораторные исследования.

     В большинстве случаев изучение каждого процесса требует самостоятельного подхода, что и затрудняет описание общих приемов и методик при использовании МРИ в технике.

     В большинстве случаев в основе любой технологии лежит лабораторная модель, однако при ее производственном воплощении возникают новые проблемы и требования. Так, например, в химических производствах механизм химической реакции, изученной в лабораторных условиях, обычно сохраняется и при ее крупномасштабном осуществлении. В то же время производственные масштабы требуют учета многих факторов, связанных с увеличением размеров аппаратуры, скоростью подачи реагентов и качеством их перемешивания, операциями экстракции, фильтрования, выгрузкой готовой продукции и др. Контроль производственного процесса предусматривает такие операции, как измерение скорости передвижения реакционной смеси, эффективности ее перемешивания, соответственно измерений уровня, объема и массы реагирующих веществ [27].

     Радиоактивные индикаторы позволяют осуществлять контроль за скоростью и направлением движения материалов, временем их нахождения в аппаратах и пребывания в отдельных технологических зонах, за герметичностью систем.

     МРИ особенно проявляется такое его  достоинство, как универсальность, позволяющая использовать метод в различных производствах. Метод дает возможность быстро и надежно получать информацию, неоднократно повторять измерения, при необходимости осуществлять их на значительном расстоянии от аппаратов и установок. При этом регистрация процесса может осуществляться в закрытых сооружениях, никак не влияя на технологические режимы, что особенно важно для работы при высоких температурах и давлениях, в агрессивных средах.

     Для введения радионуклида в изделие используют самые разнообразные приемы, характерные для МРИ. Если метод активирования обеспечивает равномерное распределение метки по всему объему изделия, то при оценке количества вещества, перешедшего в другую фазу, можно рассчитывать его массу по активности при известной удельной активности. Введение метки в приповерхностный слой требует знания зависимости активности от глубины, т.е. профиля распределения [16].

     Для активирования трущихся деталей  часто пользуются нейтронным облучением в реакторе. Активированные детали можно получать также нанесением гальванических радиоактивных покрытий или цементацией (в случае радиоактивного углерода).

     Широкий ассортимент радионуклидов обеспечивает выбор подходящей метки как для основных элементов детали, так и для легирующих примесей.

     Для изучения процессов, приводящих к равномерному или локальному разрушению поверхности при износе, часто используют метод поверхностной активации (МПА). Этим методом получают результаты, необходимые для повышения надежности машин. По сравнению с другими методами МПА обеспечивает большую чувствительность. Сущность его заключается в определении износа по убыли относительной радиоактивности исследуемого участка поверхности детали.

     В результате износа активность трущихся частей уменьшается и материал в конце концов становится неактивным. Радиоактивные продукты износа переходят в неактивные материалы (смазочные масла, эмульсии, стружку, поверхность скольжения и др.). При измерениях активности жидкостей отсчеты можно проводить либо непрерывно, пропуская жидкость, полностью или частично, через регистрирующую часть прибора, либо время от времени отбирая пробы [19].

     С помощью меченых атомов изучали  износ трущихся деталей машин, например поршневых колец двигателей внутреннего  сгорания, а также режущего инструмента. 

2.2. Использование радиоизотопных  индикаторов в  промышленности 

     В горнорудной и металлургической промышленности исследования МРИ привели  к мероприятиям, которые позволили  стабилизировать процесс литья  и улучшить качество бесслитковой прокатки широкой алюминиевой ленты [23].

     Для исследования технологии процесса получения  олова расплав маркировали, вводя в него куски промежуточного сплава Al ¹⁹⁸Аu. Состояние потоков в процессе отливки контролировали авторадиограммами на рентгеновских пленках. Это выявило существование различных по скорости движения областей потока, в том числе области завихрения. Аналогичным путем получена схема движения металла в сердцевине затвердевшего слитка (рис. 2.2). 
 

Рис. 2.2. Схема движения металла в слитке по данным МРИ 

     Особенно  широкое применение МРИ нашел  в металлургии. Такие радионуклиды, как ⁸⁵W, ⁵⁹Fe, ⁹⁵Zr, ¹⁸²Та, ¹⁹⁸Аu, использовали для изучения конвекционных потоков металла в ковшах для разливки расплавов, определения параметров движения электролита в промышленных электролизерах при получении алюминия, определения степени очистки жидкой стали от оксидных и силикатных пород и скорости поглощения неметаллических включений шлаком.