Velké dávky záření

O velkých dávkách ionizujícího záření slýcháme nejčastěji v souvislosti s jadernou válkou nebo hypotetickou havárií nějakého jaderného zařízení. Jde o samé úděsné představy a málokdo si umí představit, že by nám velké dávky záření mohly být i k něčemu užitečné. Fyzikální, chemické i biologické účinky ionizujícího záření přitom ve prospěch člověka využít lze. Procesy výroby materiálů nebo jejich modifikace, založené na změnách vlastností v důsledku ozáření ionizujícím zářením, označujeme jako radiační technologie.

Jaké změny záření vyvolává

Nejdůležitější fyzikální změny v anorganických látkách jsou:

• Změna polohy částic tvořících krystalovou mřížku a tím porušení mříky – vznik vakancí a intersticiálních atomů,

• „tepelné špičky“ – komplexnější poruchy, vzniklé krátkodobým lokálním ohřevem krystalu při průchodu částice (např. vznik mikrokrystalků orientovaných jiným směrem než původní krystal),

• vznik atomů jiného druhu (jadernými reakcemi).

Důsledkem jěchto změn je změna mechanických, elektrických a dalších vlastností látek, jako např. změny objemu, křehnutí, změna adsorpčních a katalytických vlastností, změny doby života minoritních nosičů náboje v polovodičích, vzrůst vodivosti izolátorů nebo vznik paramagnetických center a barevných center.

Chemické změny v anorganických látkách

• Vznik iontů, volných elektronů, radikálů, případně i různých molekulárních produktů (primární procesy),

• bimolekulární chemické reakce, záchyt elektronů na částicích s velkou elektronovou afinitou za vzniku záporných iontů, rekombinace elektronů a kladných iontů za vzniku radikálů atp. (sekundární procesy).

Změny v organických látkách

V organických látkách spočívají využitelné chemické změny především v:

• rozrušování a změnách uspořádání kovalentních vazeb v molekulách, degradaci nebo naopak síťování polymerů,

• polymeraci monomerů.

Biologické změny mohou nastat jednak na buněčné a subbuněčné úrovni:

• poškození buněk nebo jejich částí (zejména molekul DNA),

• abnormální metabolismus,

• smrt buněk,

  jednak na úrovni organismu jako celku:

• genetické mutace,

• zpomalení klíčení semen,

• sterilizace,

• nemoc z ozáření,

• smrt organismu.

Využití chemických účinků

Oproti klasickým chemickým technologiím mají radiační technologie řadu pozoruhodných výhod:

• účinky ionizujícího záření jsou většinou málo závislé na teplotě, procesy lze provádět i při nízkých teplotách,

• požadovaných účinků lze dosáhnout i v látkách s pevným skupenstvím, není třeba rozrušovat jejich strukturu,

• záření samo iniciuje chemickou reakci, takže nejsou zapotřebí katalyzátory a konečný produkt neobsahuje nežádoucí příměsi,

• méně pronikavým zářením (např. elektrony) lze uskutečnit procesy v povrchové vrstvě materiálu bez jeho změn v hloubce.

Jsou zde samozřejmě i nezanedbatelné nevýhody:

• vzhledem k malým radiačně chemickým výtěžkům řady reakcí jsou nutné mohutné zdroje záření, a ty jsou velmi drahé,

• je nutné dodržovat náročné bezpečnostní požadavky.

Igelit s pamětí

Jednou z nejčastějších aplikací je radiační polymerace a modifikace polymerů. Velmi často se jedná o řetězové reakce, takže tato technologie je velmi účinná a navíc reakce mohou probíhat v plynné, kapalné i pevné fázi. Protože radiačně polymerované materiály neobsahují zbytky iniciátorů polymerace, lze je využívat jako vysoce čisté i v dlouhodobém přímém kontaktu s lidským organismem (např. pro polymerní protézy, kontaktní čočky atp.). Je také možné radiačně vytvrzovat nátěrové hmoty. Jejich základ (zpravidla některý druh oligomeru – polyesterakryláty, epoxyakryláty atp.) je naředěn radiačně citlivým monomerem (např. deriváty kyseliny akrylové nebo metakrylové) a pak vytvrzen elektronovým svazkem o energii řádově stovky MeV. Jako příklad radiační polymerace může být zmíněna třeba produkce polyanilínu, důležitého vodivého polymeru s širokým rozsahem aplikací (např. jako antikorozní ochrany, nebo povlaky elektrod pro použití v palivových článcích).

Další možností je příprava různých kopolymerů. Technologie se využívá např. ke zvyšování odolnosti tkanin, při modifikaci vlastností papíru, pro přípravu membrán a materiálů s ionexovými vlastnostmi atp. Z celé řady možných sloučenin lze uvést alespoň jeden příklad – kopolymerace akrylamidu s akrylátem sodným, což je důležité činidlo pro čištění a čiření vod, používané mj. i při výrobě cukru.

Radiační modifikace vlastností polymerů (např. přerušování vazeb nebo vznik reaktivních produktů) vedou u některých polymerů k síťování vazeb a zlepšení jejich mechanických vlastností a tepelné odolnosti. Typickým příkladem je síťovaný polyetylén. Dávka kolem 100 kGy vede ke zlepšení rázové houževnatosti a snížení tvorby trhlin při působení napětí. Obyčejný polyetylén se při teplotách nad 100 ^oC roztéká, síťovaný ještě při 160 ^oC má pevnost v tahu asi 1 MPa/cm². Ozářený polyetylén vykazuje také zajímavý paměťový efekt: je-li ozářen v požadovaném tvaru a pak při ohřevu roztažen, při dalším ohřevu na cca 120 ^oC se vrací do původního tvaru. To je výhodné při výrobě různých fólií a manžet, které se při zahřátí smrští a vytvoří pevný spoj či obal (smrštění je možné i o více než 50 %).

Polytetrafluóretylén může naopak sloužit jako příklad radiační degradace – štěpení makromolekulárních řetězců. Odpadní polytetrafluóretylén lze pak použít k produkci nízkomolekulárních produktů zpracovatelných na maziva, povrchově aktivní látky, hydraulické kapaliny, dielektrické chladicí kapaliny atp.

Nehořlavé PVC

Radiační syntézy látek představují další možnost cíleného použití chemických změn vyvolaných ionizujícím zářením. Jedním z příkladů takových reakcí je chlorace nasycených uhlovodíků, jejich halogenderivátů a aromatických sloučenin. Např. radiační dochlorovávání polyvinylchloridu na obsah chloru 62- 69 % zvyšuje tepelnou odolnost, nehořlavost a odolnost vůči korozívním činidlům (takto upravený polyvinylchlorid je vhodný např. na horkovodní rozvody).

Dalšími možnými syntézami jsou radiační oxidace, např. propanu nebo parafinu, přímá syntéza fenolu z benzenu při jeho ozařování za přítomnosti radikálu OH atp., popř. radiační dimerizace radikálů, např. syntéza etylenglykolu (široce používaná nemrznoucí chladicí kapalina) z metanolu.

Jako radiačně indukované telemerizační reakce (adice na dvojnou vazbu) se nejčastěji využívají reakce s etylénem. Mají v daném oboru jedno historické prvenství: na adici bromovodíku na etylén firma Dow Chemical Company v roce 1963 poprvé demonstrovala použitelnost radiačních syntéz v komerčním měřítku.

Příkladem výhodné radiační syntézy anorganické látky je syntéza čpavku z vodíku a dusíku. Dalšími možnými aplikacemi jsou např. radiačně ovlivněné katalytické reakce. Laboratorně je ověřena celá řada různých procesů, v průmyslové praxi se však, zejména s ohledem na finanční a radiačně hygienické důvody, uplatňují jen některé.

Využití biologických účinků

Biologické účinky ionizujícího záření jsou důsledkem fyzikálních a chemických procesů v biologických organismech, které vedou ke změnám organických molekul či radiolýze biologicky důležitých látek (bílkovin, peptidů, glycidů, nukleových kyselin, vitamínů, enzymů). Při malých dávkách jsou možné i biopozitivní účinky, tj. vlastnosti příslušného biologického organismu se z hlediska lidského pohledu a využitelnosti pro člověka zlepšují. Při velkých dávkách dochází vždy k potlačování biologických procesů, poškození tkání a celého organismu a konečně i ke smrti organismu. Co se z hlediska tohoto tvrzení rozumí velkými dávkami, je zřejmé z tabulky 1.

Nejdůležitější oblastí využití biologických účinků ionizujícího záření je radiační terapie v medicíně. Ta však tvoří samostatný obor a nezahrnuje se mezi radiační technologie. My ji zde proto necháme stranou.

Radiační ošetřování potravin
Cílem radiačního ošetřování potravin je likvidace plísní a hub, parazitického hmyzu a červů, zničení nebo podstatné omezení počtu mikroorganismů působících kažení potravin. Výhodou je významné prodloužení skladovatelnosti potravin bez jejich chemických změn způsobených např. nakládáním, solením či chemickou konzervací.

Viry nejsou při radiačním ošetřování potravin předmětem zájmu, dávky potřebné k jejich zničení mají zpravidla již nežádoucí účinky na kvalitu potravin, inaktivovat je však lze krátkým ohřevem na 60-70 ^oC. Největší problém představují baktérie, plísně a kvasinky. Zpravidla není možné na potraviny použít tak vysoké dávky, aby se zničilo 100 % populace, a užívají se dávky ničící jen její část. Navíc různé mikroorganismy mají různou radiační citlivost.

Parazitické červy a prvoky lze většinou radiačně hubit bez problémů dávkami od 100 Gy do oblasti kGy. Pouze u maximálně odolných druhů, kde se potřebné dávky blíží hodnotě 10 kGy, může u ozařovaných potravin docházet k pozorovatelným změnám.

Radiační citlivost hmyzu se mění podle vývojové fáze. K rychlému zahubení jsou zpravidla třeba dávky okolo 3-5 kGy, k zahubení dospělých jedinců během několika dnů dávky kolem 1 kGy, k zahubení části jedinců během několika týdnů a sterilizaci přežívajících dávky okolo 0,5 kGy.

Podle požadovaného efektu pak rozlišujeme tři základní typy ošetření potravin. Jako radiační sterilizaci označujeme úplné zničení všech mikroorganismů, které jsou patogenní nebo působí kažení, v hermeticky uzavřených potravinách. Radiační pasteurizací se zničí mikroorganismy důležité z hlediska ohrožení zdraví, především baktérie a různí paraziti. Radiační dezinfekce slouží ke snížení počtu mikroorganismů působících kažení a rozklad potravin s cílem prodloužit dobu skladovatelnosti.

Příklady aplikací

Podívejme se alespoň na některé aplikace ozařování potravin. Tak např. testy radiační sterilizace masných a drůbežích produktů ukázaly, že jsou nezbytné relativně vysoké dávky v rozmezí 25- 45 kGy (např. spory bakterií Clostridium botulinum patří mezi radiačně nejodolnější a přitom tyto baktérie přinášejí značné zdravotní riziko). Výsledky jsou proto problematické a obecná přijatelnost radiačně sterilizovaného masa snížená. Použití připadá v úvahu spíše tam, kde jsou potíže s dlouhodobým skladováním při nízkých teplotách, jako jsou různé expedice, armáda nebo kosmické lety. V praxi se takto upravené potraviny uplatnily např. při kosmickém programu Apollo a Apollo – Sojuz.

Naopak poměrně úspěšné je ozařování koření sterilizačními dávkami, protože se při něm dobře zachovávají jeho smyslové kvality. Totéž platí pro škrob, rýži nebo chléb. Ozářené potraviny jsou nezbytné pro některé nemocniční pacienty, kteří nesmějí přijít do styku s mikroorganismy. Radiační sterilizace v mnohých případech uchovává smyslové vlastnosti těchto potravin lépe než konvenční tepelná sterilizace.

Na mléko a mléčné výrobky sterilizační dávky nelze úspěšně aplikovat, a to vzhledem ke značným radiačním změnám. Podobné problémy přináší i zelenina. U některých druhů zeleniny a ovocných šťáv se však dají dosáhnout dobré výsledky při dávkách menších než 10 kGy, pokud jsou kombinovány s tepelným zpracováním.

Radiační pasteurizace a dezinfekce obvykle nepřináší větší problémy u masa ani ovoce, s výjimkou měknutí některých druhů ovoce již při nízkých dávkách.

Aplikace v zemědělství

Velmi úspěšnou aplikací je inhibice klíčení, zejména u brambor a cibule. Optimální dávky jsou v rozmezí 50- 400 Gy podle druhu. Smysl má ale pouze u nepoškozených hlíz. Např. u ručně sklízených brambor ozářených dávkou 60 Gy byly po skladovací době 7,5 měsíce skladovací ztráty kolem 10 %, u neozářeného kontrolního vzorku kolem 20 %, u strojově sklízených brambor byly ztráty nezávisle na ozáření kolem 60 %. První průmyslové ozařování brambor začalo již v roce 1973 v Japonsku. V zemědělství je v principu možné i využití biopozitivních účinků. Stimulační účinky malých dávek, tj. podněcování klíčivosti semen, by mohly být výhodné i ekonomicky zejména u rostlin s malými semeny (tabák, bavlna, tráva). Potřebné dávky jsou cca 1-10 Gy. Zatím je ovšem tato aplikace spíše v pokusném stádiu.

Nejdůležitější aplikací v zemědělství je ničení hmyzích škůdců, červů a hlodavců v obilních silech. S ohledem na minimalizaci nákladů i radiačních účinků na samotné obilí se užívají dávky potřebné ke sterilizaci samečků (200 – 750 Gy).

Další možností využití záření je dezinfekce odpadních kalů používaných jako přísady do krmiva hospodářských zvířat dávkami kolem 3 kGy).

Radiační sterilizace

Patrně nejúspěšnější průmyslovou aplikací biologických účinků ionizujícího záření je sterilizace farmaceutických přípravků a medicínského náčiní. Oproti „klasické“ tepelné sterilizaci má několik výhod:

• je možné sterilizovat i materiál v předem hermeticky uzavřených obalech,

• sterilizace může být prováděna jako kontinuální výrobní technologie,

• proces je spolehlivý a dává vysoký stupeň sterilizační jistoty.

Za sterilní je považován materiál, ve kterém je pravděpodobnost výskytu mikroorganismů schopných reprodukce menší než 10^-6. Sterilizační dávky jsou proto poměrně vysoké a činí 25 kGy a více. Mezi typické takto sterilizované materiály patří obvazový materiál, chirurgické nástroje a nitě, injekční stříkačky a jehly, chirurgické pláště, rukavice, roušky, katetry, sondy atp. Extrémním případem byla sterilizace celých umělých ledvin ve francouzské ozařovně gama Conservatome. Obvyklá sterilizovaná léčiva jsou antibiotika v suchém stavu i v olejové suspenzi, oční kapky, masti, tablety, tkáně pro transplantaci.

„Léčení“ památek

Radiační ošetření památkových předmětů je vděčnou a užitečnou aplikací. Záření hubí hmyz, plísně a cizopasné houby v památkových, historických a archeologických předmětech ze dřeva, papíru a textilu. Česká republika, respektive dřívější Československo, má v tomto oboru vynikající postavení a jedno světové prvenství. První specializovaná ozařovna určená výhradně k asanaci sbírkových a památkových předmětů jako součást muzejního pracoviště vznikla v letech 1976-80 ve Středočeském muzeu v Roztokách u Prahy.

Larvy hmyzích škůdců vylíhlé z vajíček nakladených do škvír ve dřevě se do dřeva zavrtávají a hlodají v něm několik let (tesařík až 12), pak se zakuklí a vylíhne se dospělý jedinec, který se prokouše k povrchu a vylétá. To samozřejmě památkové předměty velmi ničí.

Použitelné jsou tři různé způsoby likvidace:

• Kapalné insekticidy – špatně pronikají do hlubších vrstev azanechávají často nežádoucí optické stopy (ztmavnutí, změna lesku),

• aplikace jedovatých plynů pod tlakem – je účinná, ale nese s sebou značné hygienické problémy,

• ozáření v rozmezí 250-500 Gy – nepoškozuje dřevo (ani polychromované), slámu, textil, kůži, papír, pergamen, olejové ani temperové barvy, klih ani intarzie. Je šetrné vůči památkovým předmětům a přitom představuje menší riziko než aplikace jedovatých plynů.

Plísně a houby na památkových předmětech jsou z hlediska likvidace ionizujícím zářením problematičtější, protože potřebné dávky 2-10 kGy již způsobují např. degradaci papíru. Perspektivní je synergické využití tepla a dávky záření, např. kombinace ohřevu na teplotu 48 ^oC a dávky 500 Gy zničí plísně, aniž dojde k degradaci papíru.

Fasády i bleskosvody

Výčet možností radiačních technologií by tak mohl ještě dlouho pokračovat. Jen pro doplnění uveďme několik příkladů z jiných oblastí. Významné možnosti nabízí využití záření v elektronice a technologii polovodičových materiálů. Jedná se především o iontové implantace, iontovou či elektronovou litografii a litografii zářením X, iontové odleptávání a dopování polovodičových materiálů jadernými reakcemi. Dále se uplatňují radioaktivní zdroje světla na bázi luminiscence vyvolané ionizujícím zářením. Může jít jak o luminiscenční barvy, tak i o další luminiscenční systémy (např. světelné indikátory v dolech, referenční světelné zdroje). Radioaktivní generátory elektrického proudu se uplatňují tam, kde není možné zavést proud z „obvyklých“ zdrojů, např. pro mořské bóje, automatické stanice v opuštěných oblastech, kosmické sondy atp. Zajímavé je použití radiačně vyvolaných změn vodivosti vzduchu, tj. ionizace vzduchu částicemi ionizujícího záření v eliminátorech statických nábojů nebo radioaktivních bleskosvodech. Příklad konstrukce radioaktivního bleskosvodu se zdrojem záření α ²⁴¹Am je na obrázku.Chráněná oblast má poloměr cca 250 m.

Velkou zakázkou pro radiační technologie bylo ozáření speciálního skla pro obložení fasády Nové scény Národního divadla v Praze, jehož cílem bylo změnit zabarvení z nazelenalého na žlutohnědou.

Zdroje pro radiační technologie

Používají se jednak radionuklidy emitující záření γ, jednak urychlovače nabitých částic. Ozařovací kobky mají mohutná stínění a v průběhu ozařování musí být zajištěno, že nedojde k havarijnímu ozáření personálu.

Nejdůležitějším radionuklidem je ⁶⁰Co. Vyrábí se aktivací ⁵⁹Co a je tak možné dosáhnout měrné aktivity až 1 TBq na gram. Kovový kobalt je odolný vůči působení vzduchu, vody i zředěných kyselin. Relativně vysoká energie fotonů 1,17 a 1,33 MeV vyhovuje i pro homogenní prozařování větších objemů. Nevýhodou je krátký poločas přeměny - pouze 5,27 roků, tj. za rok klesne aktivita o více než 12 %.

Méně se využívá ¹³⁷Cs, které je vzhledem k menším nárokům na stínění vhodné zvláště pro menší mobilní ozařovací zařízení. Jde o reaktivní alkalický kov, který se musí používat ve sloučeninách. Lze je získat izolací ze směsi štěpných produktů při přepracování vyhořelého jaderného paliva. Dosažitelné měrné aktivity jsou kolem 90 GBq na gram, tedy podstatně menší než u ⁶⁰Co. Energie fotonů je 0,662 MeV, poločas přeměny 30,0 roků.

Elektrony mají v materiálu omezený dosah. Nehodí se proto k ozařování silných vrstev. Typickými aplikacemi jsou vytvrzování různých nátěrových a povlakových vrstev, síťování polymerních folií či úpravy izolačních vrstev na kabelech. Pro takové využití je velmi účinným zdrojem záření elektronový urychlovač.

V České republice je největší ozařovnou zařízení firmy Bioster, a. s., ve Veverské Bitýšce u Brna, se zdrojem ⁶⁰Co. Ozařovna zahájila činnost počátkem roku 1972. Specializuje se na sterilizaci zdravotnických materiálů, částečně se však zabývá i radiačním zabarvováním skleněných výrobků, úpravou plastů, ošetřováním muzejních exponátů a ozařováním potravin.

Radiační technologie přinášejí celou řadu možností, kdy není možné dosáhnout srovnatelného výsledku žádným jiným postupem. Jejich hlavní problémy jsou v podstatě dvojího druhu: Ozařovny jsou investičně i provozně náročná zařízení a musí si na sebe vydělat. Z ekonomických důvodů se proto řada zajímavých a užitečných postupů nevyužívá. Druhým problémem je nedůvěra málo informované veřejnosti.