放射線分解

放射線分解は、電離放射線によって引き起こされる分子の解離です。高エネルギーの放射線束によって、1つまたは複数の化学結合が切断されます。放射線分解は、関与する放射線の種類によって他の解離と区別されます。つまり、電磁スペクトルの低エネルギー領域を用いた光解離や、放電などの他の高エネルギー過程とは異なります。電離放射線下における高濃度溶液の化学反応は非常に複雑です。放射線分解は局所的に酸化還元状態を変化させ、ひいては化合物の 化学種分化と溶解度を変化させる可能性があります。

水の分解

これまで研究されてきた放射線をベースとした化学反応の中で、最も重要なのは水の分解です。[ 1 ]放射線に曝露されると、水は過酸化水素、水素ラジカル、そしてオゾンなどの様々な酸素化合物へと分解され、オゾンが酸素に戻る際に大量のエネルギーを放出します。これらの中には爆発性のものも含まれています。この分解は主にアルファ粒子によって引き起こされ、アルファ粒子は極めて薄い水層によって完全に吸収されます。

まとめると、水の放射線分解は次のように表すことができます。[ 2 ]

H2お→電離放射線eアクア−、HO⋅、H⋅、HO2⋅、H3お+、おお−、H2お2、H2{\displaystyle {\ce {H2O\;->[{\text{電離放射線}}]\;e_{aq}^{-},HO*,H*,HO2*,H3O^{+},OH^{-},H2O2,H2}}}

アプリケーション

原子力発電所における腐食予測と防止

軽水炉の内部冷却ループ内の照射水中のヒドロキシル濃度の上昇は、腐食による冷却材の損失を防ぐために原子力発電所の設計時に考慮する必要があると考えられています。

水素製造

水素生成のための非伝統的な方法への関心の高まりから、水の放射線分解法が再検討されている。この方法では、様々な種類の電離放射線（α、β、γ）が水と反応して分子状水素を生成する。この再評価は、原子炉から排出された燃料に大量の放射線源が含まれている現状によってさらに促進された。この使用済み燃料は通常、恒久的な処分または再処理を待つ間、水プールに保管される。β線およびγ線による水の照射から生じる水素の収率は低い（G値 = 吸収エネルギー100電子ボルトあたり1分子未満）が、これは主に初期の放射線分解中に生じる種の急速な再会合によるものである。不純物が存在する場合、または化学平衡の確立を妨げる物理的条件が作り出されると、水素の正味生成量が大幅に増加する可能性がある。[ 3 ]

別のアプローチでは、放射性廃棄物をエネルギー源として利用し、ホウ酸ナトリウムを水素化ホウ素ナトリウムに変換することで、他の生成物との反応を防ぎ、使用済み燃料の再生に利用します。適切な制御を組み合わせることで、安定した水素化ホウ素化合物を生成し、水素燃料貯蔵媒体として使用することができます。

1976年に実施された研究では、放射性崩壊によって解放されるエネルギーを利用することで得られる平均的な水素製造速度を桁違いに見積もることができることがわかった。一次分子状水素収率を0.45分子/100eVとすると、1日あたり10トンの製造が可能となる。この範囲での水素製造速度は無視できないが、米国における1日あたりの平均水素使用量（1972年）である約2 x 10 4トンと比較すると小さい。水素原子供与体を添加すると、この速度は約6倍に増加する可能性がある。ギ酸などの水素原子供与体を添加すると、水素のG値が吸収100eVあたり約2.4分子にまで上昇することが示された。同研究では、そのような施設の設計は安全性が低すぎて実現不可能だろうという結論に至った。[ 4 ]最近の研究では、世界の使用済み核燃料備蓄量約39万トンを、2024年時点で光触媒を利用した水の放射線分解によって世界の水素需要（42.9 Mt）の約60％を生産するために使用できる可能性があることが示唆されています。[ 5 ]

使用済み核燃料

水素含有物質の放射線分解によるガス発生は、長年にわたり放射性物質および廃棄物の輸送・貯蔵における懸念事項となってきました。潜在的に可燃性および腐食性のガスが発生する可能性がある一方で、元素状水素と化学反応が起こり、これらの反応は放射線の存在によって促進される可能性があります。これらの競合する反応のバランスは、現時点では十分に解明されていません。

放射線治療

放射線が体内に入ると、細胞（主に水）の原子や分子と相互作用し、フリーラジカルや分子を生成します。これらのフリーラジカルや分子は十分に拡散して細胞内の重要​​な標的であるDNAに到達し、化学反応によって間接的にDNAに損傷を与えます。これは、例えば外部放射線療法で使用される光子の主な損傷メカニズムです。

典型的には、（腫瘍）細胞のDNAの損傷につながる放射線分解イベントは、異なる時間スケールで起こる異なる段階に細分化されます。[ 6 ]

  • 物理的段階（）は、電離粒子によるエネルギーの付与とそれに伴う水の電離から構成されます。10−15 s{\displaystyle 10^{-15}~s}
  • 物理化学段階（ ）では、イオン化された水分子がヒドロキシルラジカルと水素分子に分裂したり、自由電子が溶媒和したりするなど、さまざまなプロセスが発生します。10−15 - 10−12 s{\displaystyle 10^{-15}~{\text{-}}~10^{-12}~s}
  • 化学段階（ ）では、放射線分解の最初の生成物が互いに、また周囲のものと反応し、拡散可能ないくつかの活性酸素種を生成します。10−12 - 10−6 s{\displaystyle 10^{-12}~{\text{-}}~10^{-6}~s}
  • 生化学段階（数日）では、これらの活性酸素種が DNA の化学結合を破壊し、酵素や免疫システムなどの反応を引き起こす可能性があります。10−6 s{\displaystyle 10^{-6}~s}
  • 最後に、生物学的段階（数日から数年）では、損傷を受けた細胞が分裂しようとする際に、化学的損傷が生物学的細胞死や腫瘍形成につながる可能性があります。

地球の歴史

地球の発達初期、放射能が現在よりも2桁近く高かった時代には、放射線分解が大気中の酸素の主な供給源であり、生命の起源と発達のための条件を保証していたという説がある[7]。水の放射線分解によって生成される分子状水素と酸化剤は、地下の微生物群集に継続的なエネルギー源を提供している可能性もある（Pedersen, 1999）。こうした推測は、南アフリカのムポネン金鉱山で発見された、主に放射線分解によって生成される水素を餌とするデスルフォトマクルム属の新系統群が優占する群集の発見によって裏付けられている[ 8 ] [ 9 ]。

方法

パルス放射線分解

パルス放射線分解は、試薬の単純な混合では遅すぎて他の反応開始方法を使用しなければならない場合に、約 100マイクロ秒よりも速い時間スケールで発生する反応を研究するための高速反応開始法の最近の方法です。

この技術は、線形加速器（リニアック）で生成された高加速電子ビームに試料を照射するものです。この技術は多くの用途があります。1950年代後半から1960年代初頭にかけて、マンチェスターのジョン・キーンとロンドンの ジャック・W・ボーグによって開発されました。

フラッシュ光分解

フラッシュフォトリシスは、パルス放射線分解の代替法であり、電子ビームではなく高出力光パルス（例えばエキシマレーザーなど）を用いて化学反応を開始します。通常は紫外線が使用され、パルス放射線分解で放出されるX線よりも放射線遮蔽の必要性が低くなります。

参照

参考文献

  1. ^マリー・キュリー。Traité de radioactivité、pp. v–xii。 1910 年にパリのゴティエ ヴィラールによって出版されました。
  2. ^ Le Caër, Sophie (2011). 「水の放射線分解：イオン化放射線下における酸化物表面の水素生成への影響​​」 . Water . 3 : 235–253 . doi : 10.3390/w3010235 .
  3. ^ 「放射線分解による水の分解：Pm3-a原子炉での実証」 。 2016年3月18日閲覧。
  4. ^ Sauer, MC Jr.; Hart, EJ; Flynn, KF; Gindler, JE (1976).溶解核分裂生成物による水の放射線分解における水素収量の測定（報告書）. doi : 10.2172/7347831 . OSTI 7347831. 2019年9月26日閲覧。 
  5. ^ Vandenborre, J.; Guillonneau, S.; Blain, G.; Haddad, F.; Truche, L. (2024). 「核廃棄物から水素生産へ：過去の影響から将来の展望まで」 . International Journal of Hydrogen Energy . 64 : 65– 68. Bibcode : 2024IJHE...64...65V . doi : 10.1016/j.ijhydene.2024.03.244 . 2025年7月4日閲覧。
  6. ^ Hall, EJ; Giaccia, AJ (2006).放射線科医のための放射線生物学（第6版）.
  7. ^サンクトペテルブルク国立大学のR・ボグダノフとアルノ・トゥーマス・ピフラク
  8. ^ Li-Hung Lin; Pei-Ling Wang; Douglas Rumble; Johanna Lippmann-Pipke; Erik Boice; Lisa M. Pratt; Barbara Sherwood Lollar ; Eoin L. Brodie; Terry C. Hazen; Gary L. Andersen; Todd Z. DeSantis; Duane P. Moser; Dave Kershaw & TC Onstott (2006). 「高エネルギー・低多様性地殻バイオームの長期的持続可能性」 . Science . 314 ( 5798): 479– 82. Bibcode : 2006Sci...314..479L . doi : 10.1126/science.11 ​​27376. OSTI 920334. PMID 17053150 . S2CID 22420345。   
  9. ^ 「放射能は地中深くや他の惑星の生命の燃料となる可能性がある」 Quanta Magazine 2021年5月24日2021年6月3日閲覧。
パルス放射線分解
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