CC BY
672ЭКОЛОГИЯ: КОНЦЕПЦИИ И РЕШЕНИЯ
99
ТРАНСМУТАЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ - РЕАНИМАЦИЯ ФАНТАЗИИ АЛХИМИИ ИЛИ ЛАБОРАТОРНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ?
1Высоцкий В. И., 2Корнилова А. А.
1Киевский Национальный университет им. Т.Шевченко, http://www.univ.kiev.ua 01033 Киев, Украина
2Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, http://www.msu.ru 119991 Москва, Россия Поступила в редакцию 24.04.2012
В работе рассмотрены теоретические предпосылки и успешные эксперименты по ускоренной деактивации водных растворов ряда долгоживущих реакторных изотопов на основе реакций ядерных преобразований их в стабильные ядра в ячейках, содержащих растущие микробиологические культуры. Исследованы условия оптимизации процесса деактивации. Обнаружено, что в наиболее оптимальном случае темп уменьшения активности ускоряется в 35 раз по отношению к естественному распаду. Рассмотрены физические и биологические причины этого процесса.
Ключевые слова: реакторные изотопы, деактивация, ядерные реакции, стабильные ядра,
микробиологические культуры.
УДК 539.17.047_________________________
содержание
1. введение (99)
2. физические предпосылки проблемы трансмутации в биологических системах (100)
3. биологические аспекты процесса трансмутации элементов (102)
4. эксперименты по деактивации воды, содержащей радиоизотопы (103)
5. утилизация долгоживущего изотопа Cs137 в растущих ассоциациях микробиологических культур (105)
6. заключение (106) литература (107)
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время задача безопасного хранения, утилизации и деактивации радиоактивных отходов АЭС являются одним из основных факторов всей ядерной энергетики. Актуальность этой проблемы следует из простых цифр. В мире в настоящее время накоплено около 200 тыс тонн отработанных тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), более 1 млн тонн отходов средней активности, такое же количество сильноактивной воды и более 10 млн тон отходов низкой активности. Каждый год эти цифры увеличиваются на 5-7%, однако после аварии на АЭС в Фокусиме «запасы» сильноактивной воды возрастают еще быстрее.
По большому счету проблема утилизации пока никем не решена, а для отработанных ТВЭЛов безальтернативным является
отложенное решение и их складирование на неопределенно длительный срок хранения после первичной переработки. Идея «ядерного выжигания» радиоактивных отходов (РАО) за счет облучения нейтронами относится больше к фантастике, чем к реальности. Для ее реализации нужно построить десятки или сотни сильноточных протонных ускорителей непрерывного действия с энергией частиц много МэВ. Затем ускоренные протоны должны быть конвертированы в нейтроны для последующего облучения РАО с надеждой, что при таком процессе будет происходить ускоренный распад радиоизотопов.
Все программы по созданию таких систем утилизации являются предельно затратными (каждая по несколько десятков миллиардов долларов на ближайшие 40-50 лет) и пока ограничиваются только проектами [1-4]. Практика и элементарный анализ показывает, что при этом будет образовываться большое количество новых радионуклидов. Эта проблема хорошо известна в задаче об управляемом термоядерном синтезе как «проблема первой стенки».
РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1
100
ВЫСОЦКИЙ В. И., КОРНИЛОВА А. А.
ЭКОЛОГИЯ: КОНЦЕПЦИИ И РЕШЕНИЯ
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОБЛЕМЫ ТРАНСМУТАЦИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Существует еще одно направление исследований, связанное с возможностью протекания ядерных превращений при нормальных (не экстремальных) условиях в веществе, находящемся при, например, комнатной температуре. В 90-х годах 20 столетия это направление называлось "холодный ядерный синтез". В настоящее время более употребимым и более близким к сути процессов является термин LENR ("ядерные реакции при низкой энергии"). Необходимо отметить крайне неоднозначное отношение ученых к таким процессам.
Большинство "классических" специалистов по ядерной физике считает, что вероятность ядерных превращений, если их рассматривать методом прямой аппроксимации физики парных ядерных реакций из области высоких энергий к низким энергиям, очень мала и такие эффекты априори не могут иметь практического значения.
Есть и другая точка зрения. Она активно развивается последнее время и базируется на ряде фундаментальных положений квантовой механики. Суть ее состоит в том, что прямая аппроксимация неправомочна, поскольку многие процессы ядерной физики при малой энергии являются коллективными (не парными), подвержены влиянию окружающей среды и могут протекать с достаточно большой вероятностью, что делает их вполне пригодным для практического применения.
Эти результаты, в частности, прямо следуют из специфики поведения частицы, находящейся в нестационарной потенциальной яме (в частности — в нестационарном осцилляторе). В работах последних лет [5-10] было показано, что один из эффективных методов очень существенного увеличения прозрачности потенциального барьера при низкой энергии частиц связан с использованием когерентных коррелированных состояний (ККС) частицы, взаимодействующей с атомами (ядрами), формирующими этот барьер.
Наиболее характерным свойством ККС является видоизмененное соотношение неопределенностей
°a°b ^ |< [AB] >|2/4(1- г2), (1)
г = °лв Ы°л°в , Gab =< IM AB} > /2 =
< ((A - < A >)( B - <B >) + (B -<B >)( A - < A >)) > /2 = = (< AB + BA >) / 2- < A >< B >,
называемое соотношением неопределенностей Шредингера-Робертсона.
Здесь r - коэффициент корреляции, определяющий степень взаимной связи величин A и B в конкретном суперпозиционном состоянии, описываемом волновой функцией ^(q), причем 0 < | r| < 1.
Более наглядно влияние корреляции при | r^| —>1 характеризует величина G = Ihjl - r2, которая изменяется в интервале 1 < | G | < да и которую можно назвать коэффициентом эффективности корреляции [10].
В случае A = q, B = p, <q> = 0, <p> = 0 соотношения (1) для характеристик координаты q и импульсаp принимают вид
8q8p > h/2V1 -r2 = Gh/2,
r(t) =< qp + pq > /28q8p,
8q = =^[<qГ>, 8P = Je~p =yj< P2 >
Формально наличие корреляции в соотношении неопределенностей может быть учтено
заменой h^h * =h hjl — r2 s Gh. В отсутствии корреляции r—0, h*^h, а формула (2) принимает вид «стандартного» соотношения неопределенностей Гейзенберга Spdq > Ь/2. В предельном случае | r|—1 коэффициент эффективности корреляции G — да и дисперсия импульса частицы становится неограниченно большой, а коэффициент прозрачности D потенциального барьера возрастает до максимальной величины D —— 1 при любой малой энергии частицы.
Этот результат непосредственно соответствует приближенной формуле для коэффициента прозрачности барьера при наличии ККС
<г„ =<
Еаэ , (t )\
>=
= N{mf) + N {ьр,ар,,)- (3)
полученной с использованием замены h ^ h* = h / VT -r2 встандартнойквазиклассической формуле для прозрачности барьера в отсутствии корреляции. Оценка эффективности такой
2
1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ
ЭКОЛОГИЯ: КОНЦЕПЦИИ И РЕШЕНИЯ
ТРАНСМУТАЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ 101 В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ...
аппроксимации была проведена в работах [810]. Там было показано, что при реальных параметрах деформации потенциальной ямы возможно увеличение прозрачности барьера при низкой энергии (например, при комнатной температуре) от пренебрежимо малой величины D_0 < 10-100...10-300 до приемлемой величины D ~ 10-1...10-10, достаточной для эффективного
ядерного синтеза с участием изотопов как легких, так и тяжелых элементов.
Нетривиальной физической причиной резкого увеличения прозрачности барьера для частицы, находящейся в ККС, является интерференция взаимно коррелированных флуктуаций импульса частицы, соответствующих разным компонентам нестационарного суперпозиционного состояния, в котором находится частица. Результатом этой интерференции является формирование гигантских флуктуаций импульса и кинетической энергии, что ведет к многократному возрастанию прозрачности барьера.
Этот эффект наглядно следует из простого анализа.
Полная мгновенная флуктуация импульса частицы, находящейся в потенциальной яме с N уровнями в суперпозиционном состоянии,
N
описывается выражением ар )=ZAp«(t).
Соответствующая дисперсия этого импульса определяется величиной
°р =<|XApn(t)| >=
= N {(АР n f) + N 2 ( AP n APm) .
(4)
Средняя итоговая кинетическая энергия частицы в такой яме характеризуется соотношением
< AT >=< Ap(t)2 > /2M =
2
= N2 (ApnApm)/2M + N((Ap„)2)/2M. ^
Из последнего выражения следует, что в отсутствии корреляции состояний частицы на разных уровнях квантованного движения (при (Ари Арт) = 0) имеем «стандартный» результат < AT >= N( (Apn f)/2M ~ N ( полная средняя
энергия частицы в системе уровней энергии равна сумме энергий на всех уровнях, где может находиться частица).
и кинетической энергии частицы в потенциальной яме в коррелированном состоянии.
Однако при наличии такой корреляции результат будет принципиально другой < AT >* N2 (ApnApm)I2M ~ N2.
Этот результат представлен в символичном виде на рис. 1.
Проблема и методы формирования таких состояний рассматривалась в работах [7-10], где было показано, что такие состояния очень эффективно могут формироваться при разной деформации потенциальной ямы, в частности — при ее расширении или сжатии.
Реализация таких процессов возможна как в модельном физическом эксперименте, так и в реальных динамических (в том числе биологических [11-13]) системах.
Хорошо известно, что фронт роста любого биологического объекта никогда не бывает идеально однородным — всегда образуются локальные неоднородности (фактически это потенциальные наноямы), которые в процессе ростанивелируютсяиустраняются.Каждаяизтаких наноям является нестационарным осциллятором для частиц, которые в ней локализованы. В процессе динамического изменения параметров этих ям может формироваться когерентное коррелированное состояние для этих частиц. С этой точки зрения зона фронта роста любого биологического объекта представляет совокупность потенциальным нанореакторов, в каждом из которых возможна реакция с участием этих частиц, а также ядер атомов, образующих «стенки» динамической наноямы.
Правильная интерпретация и
возможное использование рассмотренных ниже экспериментов могут изменить взгляд на взаимосвязь живой природы и существующего на Земле разнообразия химических элементов и изотопов. Вопрос касается возможности протекания ядерных превращений в биологических системах при явно "нереакторных" условиях (комнатная
РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1
102 выс°цкийВ. и корнилова А. А. ЭКОЛОГИЯ: КОНЦЕПЦИИ И РЕШЕНИЯ
температура, нормальное (атмосферное) давление, отсутствие нейтронов и заряженных частиц высокой энергии). Отметим, что с точки зрения возможности осуществления каталитического воздействия на ядерные превращения растущая биологическая среда ничем не хуже (а, скорее всего, лучше), чем, например, обычный кристалл, который чаще всего используется в LENR экспериментах. Лучше она в том смысле, что в отличие от статического кристалла растущая биологическая система является динамическим объектом, что позволяет рассмотреть каждый ее элемент как микроскопическую систему нестационарных потенциальных ям и барьеров.
Возникает вопрос об оптимальном способе регистрации таких процессов. В течение последних 50 лет было проведено несколько экспериментов, основанных на реакциях со стабильными изотопами. Их обзор и анализ содержится в [11, 12]. Если такие реакции трансмутации в биологических системах действительно могут проходить с ощутимой вероятностью, то лучший способ их регистрации связан с изменением активности при трансмутации радиоактивных изотопов. Эти изотопы должны присутствовать в составе питательной среды и непосредственно участвовать в метаболизме.
2. БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ТРАНСМУТАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ
Пробные эксперименты по изучению возможности трансмутации радиоактивных изотопов в растущих биологических системах должны проводится с учетом специфики такой проблемы:
• для того, чтобы эксперименты проводились за достаточно короткое время, скорость роста исследуемого объекта должна быть большой;
• живой объект должен быть достаточно устойчивым к действию сильных радиационных полей, образованных утилизируемыми изотопами;
• должна быть предусмотрена возможность проведения всестороннего анализа изотопного состава биологического объекта;
• должны быть выполнены все требования, связанные с экологией и с проблемами гуманизма (речь идет о живых объектах).
Эти требования привели к естественному выводу о том, что лучшим объектом для таких 1
экспериментов являются микробиологические культуры, характеристики которых с максимальной степенью удовлетворяют перечисленным требованиям. Они являются быстрорастущими, допускают возможность оперативного анализа любой своей части и, наконец, являются несомненными рекордсменами в отношении устойчивости к облучению. Типичная доза, которую выдерживают обычные микробиологические культуры, соответствует уровню около 30 Крад. Если же говорить о синтрофных ассоциациях множества разных штаммов, то они без существенного ослабления своей метаболической активности способны выдерживать на несколько порядков более высокую дозу облучения.
Исходя из таких соображений, процесс деактивации радиоактивных отходов проводился на основе специально разработанных комбинированных МСТ ("microbial catalyst-transmutator") гранул, содержащих:
• концентрированную биомассу
метаболически активных микроорганизмов;
• локальные источники микро и макроэлементов, необходимые для роста культур;
• скрепляющую субстанцию.
Основой МСТ гранул является синтрофная ассоциация (сверхассоциация) многих тысяч различных типов микроорганизмов, принадлежащих к разным физиологическим группам, которые представляют разные группы микробного метаболизма и характеризуются различными механизмами микробной
аккумуляции.
Эти микроорганизмы не находятся в форме простой механической смеси. Они сосуществуют в синтрофной ассоциации в таком состоянии совместного симбиоза, когда, фактически, образуют единый макроорганизм (хотя и с раздельными системами внутреннего метаболизма). В его объеме каждый член и каждая физиологическая группа сообщества максимально адаптированы к совместной жизнедеятельности и находятся в состоянии коллективной взаимопомощи и взаимозащите. Эта система обладает высокой приспосабливаемостью к разным вариациям и "агрессивным" проявлениям внешней среды.
1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ
ЭКОЛОГИЯ: КОНЦЕПЦИИ И РЕШЕНИЯ
ТРАНСМУТАЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ 103 В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ...
Очевидно, что такая система оказывается максимально адаптированной к изменяющимся агрессивным условиям, что соответствует их росту, в том числе, в условиях действия радиации. Эффективность такой "коллективной защиты" исключительно высока. Например, в кислой среде с рН = 2 (достаточно концентрированная соляная кислота) никакие "чистые" штаммы не могут развиваться. В то же время синтрофная ассоциация после некоторого переходного периода прекрасно растет и развивается в такой среде. Приближенно можно считать, что временной интервал адаптации соответствует смене 5-10 поколений, что позволяет оценить этот интервал периодом от 10 часов до нескольких дней.
3. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДЕАКТИВАЦИИ ВОДЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ РАДИОИЗОТОПЫ
В наших начальных исследованиях 90-х годов 20-го столетия была проверена реальность процесса трансмутации стабильных изотопов на основе нескольких базовых реакций [11-13]
Mn55 + d2 = Fe57,
Na23 + P31 = Fe54, (6)
ведущих к образованию редких изотопов железа в среде на основе тяжелой воды, где наряду с необходимыми для роста микробиологических культур микро и макроэлементами присутствовала соль марганца, но полностью отсутствовало железо. Эти реакции были успешно реализованы и образуемые изотопы Fe57 и Fe54 были идентифицированы и исследованы. После этого начались исследования возможности преобразования радиоактивных изотопов.
Первая серия экспериментов [14] была посвящена исследованию возможности влияния на активность проб реакторной воды, извлекаемой из первого контура водо-водяного реактора, который находится в Киеве в Институте ядерных исследований.
Исследуемая вода имела активность около 10-4 Кюри/л и содержала ряд высокоактивных нестабильных изотопов (в частности, Na24, K40, Co60, Sr91, I131, Xe135, Ba140, La140, Ce141, Np239). Спектр гамма-излучения реакторных изотопов, содержащихся в этой воды, представлен на рис. 2.
Одинаковые по объему пробы воды (около 5 мл) помещались в одинаковые стеклянные
соответствуют десятому дню после отбора пробы воды из активной зоны реактора.
тонкостенные закрываемые кюветы объемом около 10 мл. В часть кювет с активной водой помещалось одинаковое по массе количество МСТ гранул.
Остальные кюветы с водой (но без гранул) были контрольными. Суть исследований состояла в периодическом (через 5 дней) исследовании гамма-спектра активной воды. Для устранения влияния фактора расстояния (он может быть связан с небольшим увеличением объема смеси воды и гранул при росте микробиологических культур) использовался амплитудный
германиевый детектор с большим размером кристалла германия, на котором исследуемые кюветы располагались по очереди точно в центре.
На рис. 3 представлены усредненные
результаты зависимости активности изотопов La140 и Co60 в кюветах с МСТ гранулами (Q , ) и в контрольных кюветах (Q ) от времени после
1 'v^control L
начала экспериментов.
Из полученных данных следует, что активность долгоживущего изотопа Со60 в течение
Рис. 3. Зависимость активностиQJt) реакторных изотопов Ba140, La140 и Co60 в пробахреакторной воды в эксперименте по трансмутации (активность QcuultKrss в кюветах в присутствии метаболически активных микроорганизмов) и в контрольных кюветах без микроорганизмов (активность Q ).
а- а- ' —'Control
РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1
ЭКОЛОГИЯ: КОНЦЕПЦИИ И РЕШЕНИЯ
104
ВЫСОЦКИЙ В. И., КОРНИЛОВА А. А.
всего времени измерений (около 40 дней) остается неизменной (как в контрольных кюветах, так и в кюветах с МСТ гранулами). Это свидетельствует о том, что систематические методические ошибки (изменение объема жидкости, изменение положения кюветы относительно центра кристалла детектора и др.) не оказывали существенного влияния на результат.
В то же время был обнаружен разный закон уменьшения активности изотопа La140 в обоих типах кювет. Этот изотоп имеет сравнительно небольшое время жизни (т = 40.3 часов) и является дочерним нестабильным изотопом более долгоживущего изотопа Bauo, у которого время жизни равно т = 12.7 дней:
Ba140 ^ La140 + р. 1 (7)
Начальные активности изотопов Ba140 и La140 (на 10-й день после отбора пробы воды из активной зоны реактора) для каждой из кювет составляла, соответственно Q „„„ = 1.4610-7
’ ^Ba-140
Кюри/л и Q = 2.3110-7 Кюри/л. Поскольку TLa
<< т то наблюдаемое уменьшение активности La140 отображало уменьшение активности Ba140.
Было обнаружено, что уменьшение активности La140 в контрольных кюветах примерно соответствовало закону "стандартного" распада изотопа Ba140 с "табличным" значением времени жизни. Примерно такой же закон уменьшения активности La140 наблюдался в кюветах с гранулами до 10 дня эксперимента. Однако после этого периодические измерения показали, что скорость уменьшения активности La140 (а значит и активности Ba140) соответствует более ускоренному распаду. Экстраполяция показала, что эффективное время жизни этого изотопа уменьшилось примерно в 2 раза по отношению к времени жизни Ba140.
Эти результаты могут быть объяснены на основе предположения о том, что изотоп Ba140 мог быть преобразован в кювете с МСТ гранулами в другой, нерадиоактивный изотоп.
При этом наличие начального, неизменного участка в законе распада, может быть объяснено обсуждаемыми выше процессами адаптации микробиологической ассоциации к действию радиоактивного облучения в кювете с активной водой. Это время (около 10 дней) достаточно хорошо коррелирует с ожидаемым временем смены 10 поколений микробиологических культур.
Анализ возможных преобразований изотопов показал, что в данном случае возможна следующая реакция трансмутации радиоактивного изотопа Ba140 к стабильному ядру другого типа
Ba140 + С12 = Sm152 + ДЕ (8)
Эта реакция является энерговыгодной и характеризуется положительной энергией реакции
ДЕ=EAZ)+WC -EAmZJ = (9)
Необходимый для этой реакции углерод в
избытке содержится в объеме МСТ гранул.
Возникает вопрос о биохимических аспектах целесообразности протекания именно этой реакции в живой системе. Для предположительного ответа на этот вопрос следует отметить, что закон постоянства химического состава биологических объектов является одним из фундаментальных свойств живой материи. Исходя из этого обстоятельства очевидно, что согласно анализу чисто биохимических аспектов процессов ядерной трансмутации [11, 12], реакция трансмутации изотопов в биологической системе будет возможной в том случае, когда результатом реакции является изотоп, соответствующий такому химическому элементу, который либо сам входит в число жизненно необходимых химических элементов (типа H, O, C, K, Ca, N, P, Fe, ...), либо является биохимическим аналогом такого элемента. В последнем случае он должен иметь примерно тот же ионный радиус и, желательно, ту же валентность. При этом эффективность реакции будет большой только тогда, когда жизненно необходимый химический элемент или его биохимический аналог не содержится в питательной среде или содержится в малом количестве.
Простое сопоставление показывает, что ионы Sm2+ и Ca2+ являются биохимическими аналогами и имеют близкий ионный радиус в двухвалентном состоянии (RSm ~ 1.2А, R ~ 1.06А). Как известно, кальций входит в число жизненно необходимых элементов, а его концентрация в объеме гранул была небольшой. В этом случае можно считать, что нехватку кальция растущая микробиологическая ассоциация могла восполнять синтезом ее биохимического аналога (самария). В то же время неизменную активность и количество ядер изотопа Со60 можно объяснить тем, что в данной системе невозможна
1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ
ЭКОЛОГИЯ: КОНЦЕПЦИИ И РЕШЕНИЯ
ТРАНСМУТАЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ 105 В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ...
энерговыгодная реакция трансмутации, в которой участвует Со60 и продуктом которой был бы изотоп того жизненно необходимого химического элемента, который отсутствует в питательной среде. Иначе говоря, Со60 может оказаться просто "не востребованным".
4. УТИЛИЗАЦИЯ ДОЛГОЖИВУЩЕГО ИЗОТОПА CS137 В РАСТУЩИХ АССОЦИАЦИЯХ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ КУЛЬТУР
Нетривиальные результаты, свидетельствующие о аномальном уменьшении активности изотопов Ba140 и Да140 в экспериментах с реакторной водой в присутствии микробиологических культур, стимулировали постановку специальных экспериментов по изучению возможности утилизации долгоживущих "топливных" изотопов, образуемых при эксплуатации ядерных реакторов. Эти работы проводились с участием наших коллег В.Н. Павловича и А. Одинцова из Института ядерных исследований и Института проблем безопасности АЭС в Киеве [15]. Микробиологические гранулы МСТ были приготовлены нашим коллегой А.Б.Таширевым из Института микробиологии.
Утилизация таких изотопов представляет наибольший практический интерес. Рассмотрим эти эксперименты более детально.
В исследованиях использовались одинаковые закрытые стеклянные кюветы, каждая из которых содержала по 10 мл дистиллированной воды, в которой были растворены соли 4-х типов долгоживущих изотопов: Eu154 (начальная
активность в кювете была равна 700 бк), Eu155 (~300 bq), Cs137 (-2.104 bq), Am241 (~1500 bq).
Схема исследований приведена на рис. 4.
Одинаковое количество MCT гранул помещалось в 7 кюветах. В 6 кюветах к активной воде были дополнительно добавлены очищенные соли K, Ca, Na, Fe, Mg и P. Эти химические элементы входят в число жизненно необходимых
при разных условиях.
для любой живой системы. Основной целью использования таких добавок был поиск путей блокирования возможных каналов трансмутации (если в системе присутствует конкретный химический элемент из числа жизненно необходимых, то усвоение его биохимического аналога при трансмутации становится маловероятным). Кроме того, такие замены проводились с целью создания оптимального состава микроэлементов для быстрого роста микроорганизмов. Полученные ниже результаты подтверждают важность подобных замен. Две дополнительные кюветы были использованы для контроля: одна содержала активную воду и MCT (но не содержала дополнительных солей), а другая - только активную воду.
Все кюветы были закрыты и содержались при температуре 20°C. Амплитудный спектр гамма-излучения кювет измерялся каждые 7 дней на одном и том же детекторе, в котором использовался кристалл Ge. Особое внимание уделялось ослаблению влияния погрешностей, связанных с процессом измерений. Для этой цели использовались кюветы с малой высотой, а детектор - с большим размером кристалла Ge. Кюветы при каждом измерении устанавливались в одинаковое положение в центре кристалла детектора.
Результаты изменения относительной активности изотопа Cs137 представлены на рис. 5 и в таблице.
Из полученных данных следует, что в течение 100 дней наблюдения регистрировалось устойчивое уменьшение активности изотопа Cs137 во всех кюветах, содержащих активную воду и МСТ. В контрольной кювете, содержащей только
в "биологических ячейках" в присутствии МСТ и разных химических элементов.
РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1
ЭКОЛОГИЯ: КОНЦЕПЦИИ И РЕШЕНИЯ
106
ВЫСОЦКИЙ В. И., КОРНИЛОВА А. А.
Таблица
Изменение активности разных долгоживущих изотопов в "оптимальной" среде (MCT + активная вода + соль CaCO3)
Начало экспериментов Промежуточный финиш (100 дней)
изотоп Энергия, keV N1, число отсчетов за 103 секунд N2, число отсчетов за 103 секунд Ошибки: абсолютная (относительная) Природный распад за 100 дней Относительное изменение активности (N2 - Ni)/N2
Cs137 661.7 266900 216800 ±478(±0.2%) -0.6% -24%
Cs137 соответствовало стандартному спонтанному Ba138. Энергия реакции является положительной распаду с временим жизни около 30 лет. Для и равна ДЕ = 5.58 MeV.
других исследуемых изотопов изменения были намного слабее.
Самое быстрое уменьшение активности (оно было эквивалентно уменьшению времени жизни Cs137 в 35 раз до величины т* ~ 310 дней) наблюдалось в кювете, содержащей соль кальция. В кювете, содержащей дополнительную соль калия, уменьшение активности Cs137 соответствовало времени жизни 10 лет. Это уменьшение активности не было связано с ускоренным распадом, а являлось результатом реакции утилизации радиоактивного изотопа Cs137 в стабильный изотоп другого элемента.
Анализ возможных путей трансмутации должен основываться на нескольких
фундаментальных логических предпосылках:
• этот процесс должен быть
энерговыгодным, т.е. реакция трансмутации должна характеризоваться положительной энергией;
• исходя из того, что реакция должна быть в определенном смысле адаптированной к биологической системе, результатом реакции должен быть изотоп, соответствующий одному из жизненно необходимых элементов или его биохимическому аналогу;
• при прочих равных условиях исходный изотоп реакции трансмутации должен отражать (коррелировать) количественный состав среды;
• среди разных исходных изотопов, участвующих в реакции, предпочтение должно быть отдано самым легким изотопам, для которых влияние потенциальных барьеров должно быть наименьших среди возможных.
Исходя из этих условий, можно ожидать, что утилизация Cs137 связана с реакцией
Cs137 + p1 = Ba138 + ДЕ, (10)
протекающей с участием протонов воды. Результатом реакции является стабильный изотоп
Относительно "биологической
целесообразности" такой гипотезы можно отметить, что ионы Ba2+ and K+ являются биохимическими аналогами: они имеют
примерно одинаковые ионные радиусы в двухвалентном состоянии (RBa ~1.4Д, RK — 1.33Д). Поскольку заменяемый элемент (калий) входит в число жизненно необходимых микроэлементов, то вероятность такой замены представляется достаточно большой и ионы синтезируемого бария могут замещать ионы калия в метаболических процессах при росте культур. Такая замена представляется более эффективной, чем "прямая" замена калия на цезий в случае дефицита калия (это видно из большой разницы ионных радиусов цезия RCs — 1.65-1.69Д и калия RK -1.33Д). Следует отметить, что подобная замена ионов ранее наблюдалась и анализировалась в экспериментах с микробиологической культурой BlаstоdadiеПа emersonii [16]. В этих экспериментах регистрировалось достаточно эффективная замена ионов K+ на ионы Rb+ и Ba2+. Эти ионы могут заменять друг друга в процессах, связанных с ионным транспортом сквозь мембрану в клетку.
Можно утверждать, что стереохимическая аналогия металлов и неспецифическая аккумуляция металлов вследствие
стереохимической аналогии — распространенное явление в мире микроорганизмов. Приведенные факты позволяют сделать вывод о том, что неспецифический транспорт, биоаккумуляция стереохимических аналогов микроорганизмами, а возможно и трансмутация изотопов являются общебиологической закономерностью.
Очевидно, что аккумуляция металлов микроорганизмами вследствие активного транспорта особенно эффективна в тех случаях, когда их концентрация сопоставима с "физиологически необходимой концентрацией" макроэлемента.
1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ
ЭКОЛОГИЯ: КОНЦЕПЦИИ И РЕШЕНИЯ
ТРАНСМУТАЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ 107 В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ...
Если учесть тот факт, что потребность популяции микроорганизмов в макроэлементах (и в микроэлементах) составляет от 10 до 20 мГ/л, можно предположить, что именно в этом концентрационном диапазоне будет реализовываться неспецифическая микробная аккумуляция металлов и, соответственно, эта величина определяет предел процесса трансмутации.
Еще один вопрос связан с причиной увеличения эффективности утилизации при использовании дополнительной соли кальция. По-видимому такой эффект связан с общей закономерностью метаболизма микробиологических культур: оптимальный рост культуры соответствует необходимому балансу всех микро- и макроэлементов. Возможно, что именно дефицит кальция был тем "узким местом", которое тормозило процесс роста и сопутствующую трансмутацию в растущей микробиологической системе.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты свидетельствуют о реальности процесса трансмутации радиоактивных изотопов, сопровождающей рост микробиологических культур. Авторы отдают себе отчет в том, что совокупность наблюдаемых явлений и, особенно, их интерпретация не совпадают с традиционными представлениями и могут вызвать серьезные критические замечания. С другой стороны, такие процессы имеют чисто физическую основу и прямо не связаны именно со спецификой развития живых организмов, хотя и стимулируются таким процессом.
В нашем сознании прочно закреплены некоторые стереотипы, среди которых вопрос об "индустриальном" характере ядерных превращений является одним из наиболее устойчивых. На основе предыдущего опыта создания и эксплуатации крупномасштабной ядерной энергетики сложно себе представить, что подобные процессы (но в несопоставимо меньших масштабах) могут протекать в живом организме. Однако, по большому счету, никакого существенного противопоставления нет. Весь вопрос только в целесообразности таких превращений и в их очень низкой эффективности, вызванной взаимным отталкиванием ядер из-за
наличия кулоновского барьера. На молекулярном уровне специфика взаимодействия и движения микрочастиц полностью описывается законами квантовой механики и электродинамики как для живой, так и для неживой природы. С этой точки зрения различия между ними нет. Как показывает анализ [5-10], в нестационарных системах типа потенциальной ямы возможно интерференционное кратковременное
подавление такого отталкивания. Такие процессы могут успешно реализовываться в любых системах, если выполнены необходимые предпосылки.
Очевидно, что такие ядерные реакции ни в коем случае нельзя назвать полумистическим термином "биологическая трансмутация". Это -обычные ядерные реакции, но протекающие в растущих биологических системах и находящиеся под каталитическим воздействием динамических электрических полей, сопровождающих атомномолекулярные процессы, которые имеют место при росте и развитии этих систем.
В любом случае решающее значение имеет эксперимент.
В нашем понимании влияние самого биологического объекта на процесс ядерных преобразований состоит в следующих обстоятельствах:
• динамическая пространственная структура растущего биообъекта на молекулярном и атомарном уровне выполняет роль «пространственного катализатора» ядерной реакции, обеспечивающего кратковременное устранение фактора кулоновского барьера реакции,
• специфика развития конкретного биологического объекта обеспечивает селективные функции, характеризующие эффективность конкретной реакции.
В завершение можно сказать несколько слов о биологической специфике наблюдавшихся явлений. Самое явление превращения химических элементов и изотопов в биологических системах основано, прежде всего, на многократно проверенном условии постоянства элементного состава микроорганизмов. Из этого факта следует эвристическое предположение, согласно которому в том случае, когда в системе отсутствуют некоторые из требуемых макро- или
РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1
ЭКОЛОГИЯ: КОНЦЕПЦИИ И РЕШЕНИЯ
108
ВЫСОЦКИЙ В. И., КОРНИЛОВА А. А.
микроэлементов, то появляются предпосылки того, что они будет синтезироваться и фиксироваться в конечном виде в результате физически обоснованных ядерных реакций.
В заключение отметим, что слова В.И.Вернадского о том, что биосфера является природообразующим и рельефообразующим фактором эволюции Земли могут быть дополнены замечанием о том, что она может быть и изотопопреобразующим фактором, существенно изменяющим распределение и количество разных элементов и изотопов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Minato K, Ikegami T, Inoue T. Recent research and development activities on partitioning and transmutation of radioactive nuclides in Japan.
Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation. Eight Information Exchange Meeting.. USA, Las-Vegas, November 2004, p.29-47.
2. Savage C. Overview of United States P&T Programme. Ibid, p. 49-56.
3. Ponomarev LI. Overview of Russia P&T Programme. Ibid, p. 79-90.
4. Stanculescu A. IAEA Activities in the aria of partitioning and transmutation. Ibid, p.101-108.
5. Высоцкий ВИ, Адаменко СВ. Коррелированные состояния взаимодействующих частиц и проблема прозрачности кулоновского барьера при низкой энергии в нестационарных системах. ЖТФ, 2010, 80(5):23-31.
6. Высоцкий ВИ, Высоцкий МВ, Адаменко СВ. Особенности формирования и применения коррелированных состояний в нестационарных системах при низкой энергии взаимодействующих частиц. ЖЭТФ, 2012, 141:276-287.
7. Высоцкий ВИ, Адаменко СВ, Высоцкий МВ. Формирование коррелированных состояний и увеличение прозрачности барьера при низкой энергии частиц в нестационарных системах с демпфированием и флуктуациями. ЖЭТФ, 2012, 142:627-643.
8. Vysotskii VI, Adamenko SV, Vysotskyy MV Acceleration of low energy nuclear reactions by formation of correlated states of interacting particles in dynamical systems. Annals of Nuclear Energy, 2013, 62:618-625.
9. Vysotskii VI, Vysotskyy MV Coherent correlated states and low-energy nuclear reactions in non stationary systems. European Physical Journal A, 2013, 49(8):99.
10. Высоцкий ВИ, Высоцкий МВ. Коррелированные 1
состояния и прозрачность барьера для частиц низкой энергии при монотонной деформации потенциальной ямы с диссипацией и стохастической силой. ЖЭТФ, 2014, 145:615-632.
11. Высоцкий ВИ, Корнилова АА. Ядерный синтез и трансмутация изотопов в биологических системах. М., Мир, 2003.
12. Vysotskii VI, Kornilova AA. Nuclear transmutation of stable and radioactive isotopes in biological systems. India, Pentagon Press, 2010.
13. Vysotskii VI, Kornilova AA. Transmutation of stable isotopes and deactivation of radioactive waste in growing biological systems. Annals of Nuclear Energy, 2013, 62:626-633.
14. Vysotskii VI, Shevel VN, Tashirev AB, Kornilova
AA. Successful experiments on utilization of high-activity waste in the process of transmutation in growing associations of microbiological cultures. Programm and Abstracts of 10th Intern. Conf. on Cold Fusion (ICCF-10), 2003, p. 121.
15. Vysotskii VI, Odintsov A, Pavlovich VN, Tashirev
AB, Kornilova AA. Experiments on controlled decontamination of water mixture of long-lived active isotopes in biological cells. Proc. 11th Int. Conf. on CondensedMatterNuclear Science, 2004, France, Marseilles, World Scientific, Singapore, 2006, p. 530-536.
16. Van Brunt J, Caldwell JH, Harold FM. Circulation of potassium across the plasma embrane of Blastocladiella emersonii: K-chanel. J. Bacteriol, 1982, 150(3):1449-1561.
Высоцкий Владимир Иванович
д.ф.-м.н, проф, член-корреспондент РАЕН Киевский национальный университет им. Т.Шевченко, радиофизический факультет 64, ул. Владимирская, Киев 01033 Украина +380 44 526 0583, [email protected]
Корнилова Альбина Александровна
k. ф.-м.н, с.н.с, член-корреспондент РАЕН
МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет
l, стр.2, Ленинские горы, Москва 119991 Россия +7 495 939 1313, [email protected]
1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ
ECOLOGY: CONCEPTS AND SOLUTIONS
109
TRANSMUTATION RADIONUCLIDE IN BIOLOGICAL SYSTEMS - REANIMATION FANTASY ALCHEMY LABORATORY OR REALITY?
Vysotskii Vladimir I.
Kiev National Shevchenko University, Faculty of Radiophysics, http://www.univ.kiev.ua
01033 Kiev, Ukraine,
Kornilova Al’bina A.
Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics, http://www.phys.msu.ru 119991 Moscow, Russian Federation,
The paper discusses the theoretical background and successful experiments on rapid deactivation of aqueous solutions of a number of long-lived isotopes reactor based on nuclear reactions convert them into stable nuclei in cells containing growing microbiological cultures. The conditions for optimization of the process deactivation. It was found that in the most optimal case, rate of decrease in the activity 35 times accelerated relative to the natural decay. The physical and biological causes of this process.
Keywords: reactor isotopes, deactivation, nuclear reactions, stable nuclei, microbiological cultures.
UDC 539.17.047
Bibliography — 16 references Received 24.04.2014
RENSIT, 2014, 6(1):99-109
REFERENCES 10.
1. Minato K, Ikegami T, Inoue T. Recent research and development activities on partitioning and transmutation of radioactive nuclides in Japan. Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation. Eight Information Exchange Meeting;. USA, Las-Vegas, November 2004, p.29-47.
2. Savage C. Overview of United States P&T Programme. Ibid, p. 49-56.
3. Ponomarev LI. Overview of Russia P&T Programme. Ibid, p. 79-90.
4. Stanculescu A. IAEA Activities in the aria of partitioning and transmutation. Ibid, p.101-108.
5. Vysotskii VI, Adamenko SV Korrelirovannye sostoyaniya vzaimodeystvuyuschikh chastits i problema prozrachnosti kulonovskogo bar'era pri nizkoy energii v nestatsionarnykh sistemakh. ZhTF, 2010, 80(5):23-31 (in Russ.).
6. Vysotskii VI, Vysotskyy MV, Adamenko SV. Osobennosti formirovaniya i primeneniya korrelirovannykh sostoyaniy v nestatsionarnykh sistemakh pri nizkoy energii vzaimodeystvuyuschikh chastits. ZhETF, 2012, 141:276-287 (in Russ.).
7. Vysotskii VI, Adamenko SV, Vysotskyy MV Formirovanie korrelirovannykh sostoyaniy i uvelichenie prozrachnosti bar'era pri nizkoy energii chastits v nestatsionarnykh sistemakh s dempfirovaniem i fluktuatsiyami. ZhETF, 2012, 142:627-643 (in Russ.).
8. Vysotskii VI, Adamenko SV, Vysotskyy MV Acceleration of low energy nuclear reactions by formation of correlated states of interacting particles in dynamical systems. Annals of Nuclear Energy, 2013, 62:618-625.
9. Vysotskii VI, Vysotskyy MV Coherent correlated states and low-energy nuclear reactions in non stationary systems. European Physical Journal A, 2013, 49(8):99.
Vysotskii VI, Vysotskyy MV Korrelirovannye sostoyaniya i prozrachnost' bar'era dlya chastits nizkoy energii pri monotonnoy deformatsii potentsial'noy yamy s dissipatsiey i stokhasticheskoy siloy. ZhETF, 2014, 145:615-632 (in Russ.).
11. Vysotskii VI, Kornilova AA. Yaderny sintez i transmutatsiya izotopov v biologicheskikh sistemakh. Moscow, Mir Publ., 2003.
12. Vysotskii VI, Kornilova AA. Nuclear transmutation of stable and radioactive isotopes in biological systems. India, Pentagon Press, 2010.
13. Vysotskii VI, Kornilova AA. Transmutation of stable isotopes and deactivation of radioactive waste in growing biological systems. Annals of Nuclear Energy, 2013, 62:626633.
14. Vysotskii VI, Shevel VN, Tashirev AB, Kornilova AA. Successful experiments on utilization of high-activity waste in the process of transmutation in growing associations of microbiological cultures. Programm and Abstracts of 10th Intern. Conf. on Cold Fusion (ICCF-10), 2003, p. 121.
15. Vysotskii VI, Odintsov A, Pavlovich VN, Tashirev AB, Kornilova AA. Experiments on controlled decontamination of water mixture of long-lived active isotopes in biological cells. Proc. 11th Int. Conf. on Condensed Matter Nuclear Science, 2004, France, Marseilles, World Scientific, Singapore, 2006, p. 530-536.
16. Van Brunt J, Caldwell JH, Harold FM. Circulation of potassium across the plasma embrane of Blastocladiella emersonii: K-chanel. J. Bacteriol., 1982, 150(3):1449-1561.
РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1
