Radiolüüs

Radiolüüs on molekulide lõhustamine radioaktiivse kiirgusega.
See on molekulide ühe või mitme keemilise sideme lõhkumine suure energiaga jõuväljaga. Selles kasutatud radiatsioon on võrreldav radioaktiivset lagunemist põhjustava radiatsiooniga, seetõttu on radiolüüs eristatav näiteks Cl2 fotolüüsist, kus Cl2 molekul lagundatakse kaheks Cl radikaaliks, kasutades nähtavat või ultravioletset valgust.
Näiteks vesi lõhustub alfakiirguse käes vesiniku radikaalideks ja hüdroksüülradikaalideks. Vee ionisatsiooni puhul laguneb vesi vesinikioonideks ja hüdroksüülioonideks. Ioniseeriva kiirguse mõju all olevate kontsentreeritud lahuste keemiline koostis on väga keeruline ning seetõttu võib radiolüüs muuta kohalikult redoksreaktsioonide tingimusi ja sellest tulenevalt mõjutada ühendite tekkimist ja lahustumist.
Vee lagunemine.
Kõikidest radiatsiooni abil algatatavatest keemilistest reaktsioonidest, mida on uuritud, on kõige tähtsam vee lagunemine. Kui kiiritatakse vett, siis läbib vesi lagunemistsükli, mille käigus laguneb vesi peroksiidiks, vesiniku radikaalideks ja erinevateks hapnikuühenditeks. Üks hapnikuühendite näiteid on osoon, mis tagasi hapnikuks lagunedes vabastab suures koguses energiat. Mõned sellised reaktsioonid on plahvatusohtlikud. Selline lagunemine on peamiselt põhjustatud alfaosakestest, mis absorbeeruvad juba väga õhukeses veekihis.
Kasutusvõimalused.
Korrosiooni ennetamine tuumaelektrijaamades.
Puhta veega tuumaenergiareaktorite planeerimisel tuleb arvesse võtta, et jahutussüsteemis oleval kiiritatud veel on hüdroksüülioonide kontsentratsioon suurem kui mittekiiritatud veel, ning arvestada jahutuse mõju vähenemist tulenevalt hüdroksüülioonide korrodeeruvast mõjust.
Vesiniku tootmine.
Praegune huvi ebatraditsiooniliste vesiniku tootmismeetodite vastu on põhjustanud taaskülastuse vee radiolüüse lõhustamise juurde, kus erinevate kiirguste (alfa-, beeta- ja gammakiirgus) ja vee koosmõjul saab toota molekulaarset vesiniku. Selle protsessi ümberhindamise üheks põhjuseks on tuumareaktorites kasutatud tuumkütuses sisalduvate radiatsiooni allikate kerge kättesaadavus, mis ootavad käitlemist või ümbertöötamist hoiustatuna veebasseinides. Vesiniku saak vee kiiritamisel beeta- ja gammakiirgusega on madal (G väärtus= &lt;1 molekul 100 kasutatud elektronvoldi kohta). See tuleneb suuresti radiolüüsi protsessi käigus tekkinud ühendite kiirest taasühinemisest. Keemilise tasakaalu ärahoidmiseks saab kasutada lisandeid või muuta protsessi füüsikalisi tingimusi. Tasakaalu ärahoidmisega saab märkimisväärselt suurendada radiolüüsi teel veest toodetud vesiniku netotoodangut.
Teine lähenemine kasutab radioaktiivseid jäätmeid energiaallikaks, muutes naatriumboraati boraathüdriidiks, et regenereerida kasutatud tuumkütust. Kasutades õigeid juhtimisseadmeid, saab toota ja kasutada vesiniku kütuse salvestuskandjatena stabiilseid boraathüdriidi ühendeid.
Kasutatud tuumkütus.
Aastaid on olnud murekohaks radioaktiivsete materjalide ja jääkide hoiustamine ning transportimine. Kasutatud tuumkütuse lagunemisprotsess ei ole lõppenud ja kulgeb edasi transpordi ja hoiustamise ajal. Vesinikku sisaldavate materjalide radiolüütilise lagunemise, käigus emiteeruvad potentsiaalselt plahvatusohtlikud ja korrodeeruvad gaasid. Need gaasid võivad eralduda, aga samas mõnedes lagunemisreaktsioonides neid ka seotakse. Radiatsiooni juuresolekul eraldumis- ja sidumisreaktsioonid tugevnevad, aga nende reaktsioonide vaheline tasakaal nõuab veel edaspidist uurimist, sest sellest ei teata veel väga palju. Tasakaalu uurimisel saab õppida kallutama reaktsioone siduma gaase, et radioaktiivsete materjalide ja jääkide hoiustamine ning transportimine oleks ohutum.
Maa ajalugu.
On esitatud hüpotees, et Maa arengu varasemates etappides, kui Maa radioaktiivsuse tase oli peaaegu kaks magnituudi palli kõrgem praegusest tasemest võis atmosfäärse hapniku peamine tekkeprotsess olla radiolüüs, tagades hapniku vabanemisega elu arengu võimalikkuse Maal. Samuti võisid vee radiolüüsi käigus tekkinud molekulaarsed vesinikud ja oksüteerijad olla jätkuvaks energiaallikaks maapinnaalustele mikroobikooslustele (Pedersen, 1999). Seda hüpoteesi kinnitab leid Lõuna-Aafrika Mponengi kullakaevandusest, kus teadlased leidsid mikroobikoosluse, milles domineeris uut tüüpi fülotüüp Desulfotomaculum, mis toitus peamiselt radioaktiivselt toodetud H2-st.
Meetodid.
Impulssradiolüüs.
Impulssradiolüüs on meetod, mis töötati välja kiirete reaktsioonide algatamiseks, et uurida reaktsioone lahustes, kui lihtsalt reagentide segamine oleks liiga aeglane ja reaktsiooni algatamiseks oleks vaja kasutada teistsuguseid meetodeid.
Protsess kujutab endast uuritava materjali proovi paljastamist suure energiaga (tavaliselt 3–10 MeV) elektronkiirtevihule. Kiirtevihku saab genereerida erinevate seadmetega, näiteks LINAC (lineaarne osakestekiirendi), Febetron 708 osakestekiirendi või Van de Graaffi osakestekiirendi poolt. Peamiselt tulemused saadakse proovide ESR (electron spin resonance) spektroskoopiaga radikaalide uurimisel, või proovi juhtivuse muutuste uurimisel, millega saab tuvastada ioonikontsentratsioonimuutusi. Impulssradiolüüsil on palju kasutusvõimalusi keemias, füüsikas ja bioloogias, näiteks hemoglobiini sidumise ja fotosünteesi reaktsioonide uurimisel. Uurimismeetodi eelis teiste võimaluste ees on nanosekundiline ajaskaala. Impulssradiolüüsi töötasid välja John Keene Manchesterist ja Jack W. Boag Londonist 1950. aastate lõpus ja 1960. aastate alguses. Tehnoloogia edasiarendamisel on jõutud juba isegi ülikiirete pikosekundiliste reaktsioonide uurimiseni.
Välgatusfotolüüs.
Välgatusfotolüüs on impulssradiolüüsi alternatiiv, kus keemilise reaktsiooni algatamiseks kasutatakse suure energiaga valguse kiirt (näiteks eksimeerlaserist), mitte elektronkiirtevihku. Tavaliselt kasutatakse ultraviolettvalgust, mis vajab vähem radiatsiooni varjestamist kui impulssradiolüüsis kasutatavad röntgenikiired.