Электронные ускорители: из физики в медицину, экологию и сельское хозяйство

Радиационные технологии на основе ускорителей электронов уже более полувека используются в промышленности и медицине, но мало кто об этих применениях знает. Все боятся слова «радиация»: вдруг такой обработкой мы ухудшаем свойство материала и делаем его радиоактивным?

Андрей Шошин

На самом деле это заблуждение. В промышленных ускорителях электроны имеют энергию в диапазоне 0.3-10 МэВ: при данной энергии они взаимодействуют только с внешними электронами атомов и не вызывают ядерных реакций в веществе. Поэтому после облучения как электронами, так и создаваемыми ими гамма-квантами вещество не становится радиоактивным (внутри не возникает нестабильных изотопов химических элементов, которые через некоторое время могут распасться и создать радиацию).

Если мы ускорим электрон и направим на какое-то вещество, то внутри него электрон породит тысячи вторичных электронов, которые вызовут разрыв большого количества старых химических связей и образование новых. Это приводит к повреждению ДНК и других сложных молекул у вирусов, бактерий и прочих болезнетворных организмов. От подобного воздействия часть микроорганизмов сразу погибает, а выжившие не могут размножаться и вызвать инфекцию. Оказывается, что есть несколько направлений, где подобные технологии приносят нам большую пользу.

Первое и самое очевидное применение – стерилизация медицинского инструмента, и для этой цели ускорители электронов используют с 1950-х годов. Доза облучения подбирается такая, чтобы убить все микроорганизмы, и таким образом после облучения медицинская продукция становится безопасной. Большим преимуществом электронных ускорителей является то, что стерилизация изделий, например, одноразовых шприцов, происходит прямо в упаковке. Стерильными становятся и сами шприцы, и их индивидуальная тара, и даже коробки, в которые они сложены. При этом свойства самого медицинского инструмента не ухудшаются: облучённые шприцы, халаты, простыни и прочее можно использовать по прямому назначению. Кроме того, аналогичным способом можно стерилизовать и сырьё для лекарственных препаратов – сборы лекарственных трав, продукцию животноводства. 

Вторая область, где активно применяются промышленные ускорители электронов, – производство полимеров и кабельной продукции. Под воздействием пучка частиц происходит дополнительная полимеризация в материале: готовые пластики и изоляция кабелей улучшают свои характеристики, например, возрастает температура плавления изоляции проводов, увеличивается их прочность. Заводы по производству полимеров и кабелей – основные заказчики промышленных ускорителей электронов с 1970-х годов по настоящее время.

Кстати, полезное свойство по трансформации материала пригодилось и в медицине. С помощью электронов получают гидрогели, которые затем используют в качестве основы для медицинских препаратов или косметических средств. Также пучок электронов или генерируемое им гамма-излучение могут «пришивать» к полезным для нашего организма, но токсичным и аллергенным ферментам, специальные иммобилизаторы, чтобы создавать нетоксичные и гипоаллергенные лекарства (например, Тромбовазим).

Третье большое направление для радиационных технологий – улучшение потребительских свойств пищевой продукции. Как уже говорилось в начале, продукты при этом не становятся радиоактивными и не теряют своих полезных свойств, более того, они становятся безопаснее для человека. Увеличиваются сроки хранения продукции без использования химических консервантов. Эксперты МАГАТЭ и Всемирной организации здравоохранения едины во мнении, что подвергнутая радиационной обработке пища не более вредна, чем обычная. С помощью радиации можно снизить в еде количество опасных для человека микроорганизмов, которые вызывают болезни или отравления или уменьшают сроки хранения. Например, можно повредить или убить бактерии рода сальмонеллы, и человек не заболеет сальмонеллёзом. Использование радиационных технологий для пастеризации позволяет снизить количество консервантов и таким образом сделать продукты безопаснее для человека, чем при других способах консервации. Кроме того, облучение увеличивает срок хранения продуктов.

Помогают электронные ускорители и в вопросах экологии. Облучение загрязнённых сточных вод или газовых выбросов позволяет сделать их более безопасными для окружающей среды. Ускорители применяются для очистки сточных вод в городе Тэгу в Южной Корее. Также их использовали в Воронеже для ликвидации крупной экологической катастрофы около 30 лет назад, когда отходы промышленного предприятия попали в городской водозабор и могли попасть в реку Дон.

С помощью ускорителей также можно обеззараживать опасные медицинские отходы. Крупные больницы производят много биологически заражённого мусора (простыни, медицинский инструмент, халаты и так далее), обычно его обрабатывают сильной «химией» или сжигают. Использование ускорителей позволит сделать такие отходы безопасными и сократить количество применяемых для дезинфекции химических препаратов. В свою очередь это снижает экологическую нагрузку на окружающую среду и сокращает расходы больниц на утилизацию.

Основные разработчики таких радиационных технологий и оборудования в России – это Институт ядерной физики СО РАН им. Г.И. Будкера (Новосибирск) и предприятие Госкорпорации «Росатом»  НИИ технической физики и автоматизации (Москва). Один из первых примеров использования изготовленного в ИЯФ СО РАН электронного ускорителя для обработки пищевых продуктов в СССР – радиационная обработка зерна на Одесском элеваторе. Доза облучения подобрана была такая, чтобы не ухудшить пищевые свойства и при этом стерилизовать сельскохозяйственных вредителей, неизбежно поставляемых вместе с зерном. Жучки после облучения не могли размножаться, зерно оставалось в сохранности, и не требовались другие методы нейтрализации насекомых.

Промышленные ускорители электронов являются примером высокотехнологического оборудования для разных целей. Созданные физиками как первая ступень для мощных ускорителей и коллайдеров, то есть как часть фундаментальной науки, они нашли своё применение в производстве медицинских изделий, полимеров и продуктов, помогают утилизировать мусор и улучшать экологию. Вне всяких сомнений, их нужно применять всё шире и во всё большем количестве, они способны существенно улучшить качество нашей жизни.


Иллюстрация: Елена Рюмина

Комментарии
Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий
Комментарии 0

Стань частью сообщества Homo Science!

Хочешь оставаться в центре событий?
Зарегистрируйся прямо сейчас