放射線分解

放射線分解は、電離放射線による分子の分解です。これは、高エネルギー線束への曝露によって生じる1 つまたは複数の化学結合の切断です。この文脈での放射線は電離放射線と関連しているため、放射線分解は、たとえばCl ₂分子を2 つの Cl-ラジカルに分解する(紫外線または可視スペクトルの光が使用される)光分解とは区別されます。

電離放射線下における濃縮溶液の化学は極めて複雑です。放射線分解により局所的に酸化還元状態が変化する可能性があり、その結果、化合物の 種分化と溶解度が変わります。

研究されてきた放射線ベースの化学反応の中で、最も重要なのは水の分解です。^{[1]放射線にさらされると、水は}過酸化水素、水素ラジカル、オゾンなどのさまざまな酸素化合物に分解され、オゾンが酸素に戻るとき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あるものもあります。この分解は主にアルファ粒子によって行われ、アルファ粒子は非常に薄い水層に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記述できる。^[2]

${\displaystyle {\ce {H2O\;->[{\text{電離放射線}}]\;e_{aq}^{-},HO*,H*,HO2*,H3O^{+},OH^{-},H2O2,H2}}}$

軽水炉の内部冷却ループ内の照射された水中に存在するヒドロキシルの濃度増加は、腐食による冷却材の損失を防ぐために原子力発電所を設計する際に考慮する必要があると考えられています。

水素生成のための非伝統的な方法への最近の関心は、水の放射線分解の再検討を促した。この方法では、さまざまな種類の電離放射線（α、β、γ）が水と相互作用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含まれる大量の放射線源が現在利用可能であることによってさらに促進された。この使用済み燃料は通常、永久処分または再処理を待って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、水素の純生産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、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、放射性廃棄物をエネルギー源として使用して使用済み燃料を再生します。適切な制御の組み合わせを適用することで、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たエネルギーを利用することで得られる平均水素生産率を桁違いに見積もることができることがわかった。一次分子水素収量が 0.45 分子/100 eV であることから、1 日あたり 10 トンの生産が可能となる。この範囲の水素生産率は無視できないが、米国における水素の 1 日あたりの平均使用量 (1972 年) である約 2 x 10^4 トンと比較すると小さい。水素原子供与体を追加すると、この値は約 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追加すると、水素の G 値が吸収される 100 eV あたり約 2.4 分子に増加することが明らかになった。同じ研究では、このような施設の設計は安全があまりにも低く、実現不可能である可能性が高いと結論付けている。^[4]

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や廃棄物の輸送と保管に関する懸念事項となってきました。潜在的に可燃性で腐食性のガスが生成される一方で、化学反応によって水素が除去される可能性があり、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、現時点ではよくわかっていません。

放射線が体内に入ると、細胞（主に水でできている）の原子や分子と相互作用してフリーラジカルや分子が生成され、それらが拡散して細胞内の重要​​な標的であるDNAに到達し、何らかの化学反応によって間接的に DNA を損傷します。これが、外部放射線療法などで使用されてい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さまざまな段階に細分化されます。^[5]

• 物理的段階（）は、電離粒子によるエネルギーの蓄積とそれに伴う水の電離から構成されます。${\displaystyle 10^{-15}~s}$
• 物理化学段階（ ）では、イオン化し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。${\displaystyle 10^{-15}~{\text{-}}~10^{-12}~s}$
• 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。${\displaystyle 10^{-12}~{\text{-}}~10^{-6}~s}$
• 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。${\displaystyle 10^{-6}~s}$
• 最後に、生物学的段階（数日から数年まで）では、損傷を受けた細胞が分裂しようとしたときに、化学的損傷が生物学的細胞死または腫瘍形成につながる可能性があります。

地球の発達の初期段階では、放射能が現在よりも2桁近く高かったため^、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条件を保証していたという説がある[6]。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する可能性もある（Pedersen、1999）。このような推測は、南アフリカのMponeng金鉱山での発見によって裏付けられている。そこで研究者らは、主に放射線分解によって生成されたH _2を餌とするDesulfurotomaculumの新しい系統群が優勢な群集を発見した。^{[7] [8]}

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を開始する最近の方法です。

この技術は、線形加速器によって生成された高加速電子ビームに物質のサンプルをさらすもので、多くの用途があります。この技術は、1950 年代後半から 1960 年代前半にかけて、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。

フラッシュ光分解はパルス放射線分解の代替法であり、化学反応を開始するために電子ビームではなく高出力光パルス（例：エキシマレーザー）を使用します。通常は紫外線が使用されますが、パルス放射線分解で放出される X 線よりも放射線遮蔽が少なくて済みます。

• 放射線化学

• Traité de radioactivité、Marie Skodowska Curie 著、パリの Gauthier 発行、1910 年。
• 凝縮相放射線分解における前駆物質と遷移物質
• ホウ酸塩再生のための放射線分解
• 水の放射線分解は大気中の酸素の潜在的な発生源
• 放射エネルギーによる水の分解
• 放射性廃棄物・物質を収納した容器内のガス発生問題の解決

パルス放射線分解

• パルス放射線分解とは
• [1]
• 水の放射線分解における中間体の生成と検出、放射線研究補足、第 4 巻、水性媒体の放射線化学における基本的メカニズム。米国科学アカデミー - 米国国立研究評議会主催の会議議事録、テネシー州ガトリンバーグ、1963 年 5 月 9 日 - 10 日 (1964 年)、pp. 1-23