Метод предотвращения распространения радиации путем использования молекул фуллерена

1 1. Область, к которой относится изобретение В настоящем изобретении детально описывается внедрение радиоактивного вещества в молекулярную решетку фуллерена. Данное радиоактивное вещество, включая ядерные отходы или специально выбранный радиоактивный материал, и излучаемая подобным веществом радиация, полностью удерживаются внутри молекулярной решетки (предотвращение распространения радиации зависит от структуры выбранной решетки и условий хранения вещества), тем самым обеспечивая привлекательную возможность долгосрочного хранения радиоактивных отходов. Также обсуждается выделение излучающей радиации. Настоящее изобретение относится к средствам и продуктам, которые обеспечивают безопасное хранение радиоактивных материалов, одновременно снижая вредные радиоактивные излучения в окружающую среду. 2. Предпосылки создания изобретения Во всем мире обеспечение долгосрочного удаления радиоактивных ядерных отходов стало критическим вопросом. Постепенно каждая развитая страна разработала свой собственный,часто сложный подход к долгосрочному хранению и безопасному удалению радиоактивных отходов. В настоящее время Соединенные Штаты планируют хранить радиоактивные отходы внутри стеклянных, керамических, бетонных или глиняных герметизирующих контейнеров. Эти контейнеры сконструированы так, чтобы удерживать опасные радиоактивные материалы в течение сотен лет. Учитывая опасности, связанные с радиоактивными излучениями от ядерных отходов, просто удерживания этих отходов внутри герметизирующих сосудов недостаточно. Действительно, принимая во внимание известные опасности от радиации, вызываемой хранением радиоактивных отходов, Соединенные Штаты, в стремлении свести к минимуму риск распространения радиоактивности, планируют захоронение этих контейнеров, удерживающих радиоактивность в геологически безопасных средах (например,природных соляных пластовых формациях). Однако разработка, эксплуатация и поддержание этих необычных мест хранения чрезвычайно дорога. Более того, существуют реальные этические соображения, входящие в планирование безопасного хранения отходов, имеющих опасные периоды полураспада в несколько раз превышающие самую продолжительную известную выжившую человеческую цивилизацию. Например, период полураспада гаммаизлучения U238 составляет 4,51109 лет, а период полураспада бета-излучения Рu244 составляет 7,6107 лет. Вопрос, которому следует уделить внимание, заключается в том, как обеспечить безопасность настоящего и будущих поколений от воздействия высокоэнергетического ионизи 001125 2 рующего излучения, производимого ядерными отходами. Этот вопрос беспокоит не только научную общественность, но и всю общественность в целом. Действительно, проблема соответствующего и безопасного удаления ядерных отходов воспринимается как не имеющая плодотворного решения. Выражаясь простым языком, люди боятся планов хранения радиоактивных отходов где-либо вблизи них, и выбор приемлемого места хранения служил поводом для ряда острых юридических и политических дебатов. В попытке решить проблему хранения ядерных отходов другая группа исследователей запатентовала структурные преимущества молекул фуллерена и их преимущественное использование для хранения материалов отходов,основываясь на структуральных и химических свойствах всего класса фуллеренов. Этот подход раскрывается в патенте США 5.350.569,выданном Николасу В. Коппа в сентябре 1994 г.(называемом патентом Коппа). Признавая характерную структуральную прочность молекул фуллерена, патент Коппа призывает хранить ядерные отходы внутри молекул фуллерена. В частности, патент Коппа обращается к структурным и химическим свойствам, которые делают фуллерены приемлемыми в качестве механизма хранения, и в нем критикуются известные методы хранения радиоактивных отходов (например, ионы металла в стеклянной матрице),как подверженные структурному повреждению,такому как разрушение, вызванное радиоактивным распадом. Во втором, связанном с данным, исследовании, направленном на хранение радиоактивных отходов, используются очень крупные молекулярные решетки фуллерена (гигантские онионы или нанотрубки) для связывания радиоактивного материала. Крупные молекулярные образования сажи, возникающие при данном подходе, обычно измеряются сотнями нанометров и не вращаются. Результаты данного исследования были недавно опубликованы в Аргентине (Акт 0333793, дата представления 10.10.95) доктором Энрике Паскуалини и др.(называемом патент Паскуалини). Важно отметить, что как в патенте Коппа, так и в патенте Паскуалини, не показано: (1) как использовать определенные специфические молекулярные решетки фуллерена для предотвращения распространения генерируемых внутри радиоактивных излучений, (2) какие молекулярные решетки фуллерена будут предотвращать распространение или снижать подобные излучения или(3) внешние физические условия, необходимые для сохранения физических свойств удержания/абсорбции фуллеренов ХrаdС 60. Действительно, полная защита от излучения путем классической абсорбции (как в этих двух связанных патентах) в статические гексагональные решет 3 ки углерода потребовала бы поперечных сечений материала, измеряемых метрами. В более отдаленно сопоставимом использовании молекулярных решеток фуллерена, австралийский ученый Билл Брух из Национального Университета Канберры использует молекулярные решетки углеродистого фуллерена в качестве медицинского агента, вводимого в живые ткани, для получения изображения. Гигантские фуллерены, используемые Брухом, имеют 540 или более атомов углерода с радиоактивным материалом, технецием (Tc), включенным в большие полые внутренние части молекулярных решеток. Метод называется "Технегаз", название, полученное от метода, используемого для получения изображения внутренней части легких. До получения изображения субъект вдыхает газ с содержанием TcС 540+, который заполняет легкие. Излучение технеция детектируется путем использования камеры, чувствительной к гамма-лучам, тем самым создавая изображение внутренней части легких. Сегодня существует приблизительно 150 систем Технегаз в 18 странах мира, включая Объединенное Королевство,Германию, Францию, Италию и Японию. Однако, как и патенты Коппа и Паскуалини, подход Технегаз не может научить использованию молекулярной решетки фуллерена для удерживания генерируемых внутри радиоактивных излучений. 3. Относящаяся к проблеме информация о фуллерене В сентябре 1990 г. в первый раз после открытия фуллеренов в 1985 г., исследовательская группа Хафмана/Кратшмера разработала метод получения макроскопических количеств твердого С 60 в электрической дуге (заявка на патент номер PCT/US91/05983, дата подачи 21 августа 1991 г.). Эта разработка стимулировала большое количество новых исследований по фуллеренам и их возможному использованию научным и техническим сообществом. Теперь существует несколько методов производства фуллерена. 3.1. Основные свойства фуллерена,относящиеся к теме Геометрическая структура молекул фуллерена должна иметь точно 12 пентагональных граней, но может иметь любое количество (кроме 1) гексагональных граней. Так называемая икосаэдральная симметрия - Ih) характерна для особой подгруппы фуллеренов. Первые четыре фуллерена с симметрией Ih, это С 20, С 60, C80 и С 140. С 60, квинтэссенция фуллеренов, называется бакминстерфуллерен. Фуллерены описываются общей формулой С 20+2H, где Н является числом гексагональных граней. Для С 60, как теоретические расчеты, так и эксперименты со сканирующей туннельной микроскопией (STM) показали, что в пентагонах и гексагонах молекулы существуют электронные токи. Рассчитанные на основе Лондонской теории химические сдвиги указывают на суще 001125 4 ствование заметных кольцевых токов piэлектрона в пентагонах. Эксперименты с STM(сканирующей туннельной микроскопией) демонстрируют как высокий уровень концентрации поверхностной энергии в пентагонах, так и замкнутую оболочечную электронную структуру С 60. Таким образом, С 60 уникален среди фуллеренов, обладая замкнутой электронной оболочкой с очень высокой концентрацией энергии в пентагонах. Электронная замкнутость молекулы фуллерена означает, что облако электронов, окружающее молекулу, является непрерывным. В фуллеренах с одним слоем, отличных от С 60,гексагоны представляют собой области, которые не являются замкнутыми электронно. Для С 60 комбинация абсолютной икосаэдральной симметрии и замкнутой электронной оболочки придает молекуле С 60 свойства "большого атома". 3.2. Фуллерены могут удерживать другие материалы Вскоре после открытия Хаффмана и Кратшмера исследователи, включая настоящего изобретателя, обнаружили, что электронно замкнутая структура оболочки молекулы фуллерена С 60 приводит к тому, что включаемое пространство полностью свободно от любого вещества,обеспечивая абсолютный вакуум. Позднее, используя различные методы изготовления, было обнаружено, что во внутренние полости фуллерена могут быть внедрены ионы металла - процесс, который обычно называется "заправкой" фуллерена. Возможны многочисленные методы получения "заправленных" фуллеренов, тем самым создавая другую абсолютно новую серию материалов. Так как объем пустой молекулы С 60 больше, чем любой атом в периодической системе элементов, должны существовать все возможности для формирования комплексов МС 60. (Примечание: символозначает, что атом металла, М, находится внутри молекулярной решетки С 60). Например, макроскопические количества фуллеренов, содержащих атом металла, были впервые получены с использованием атомов лантана. Это было достигнуто лазерным испарением La2O3 на графитовом композитном электроде в трубчатой печи при 1200 С. Другие методы образования заправленных фуллеренов МС 60 включают использование методики лазерного испарения (изготовление с СаО в высокотемпературной печи) - получение графитового стержня путем смешивания порошка графита и графитового цемента, что приводит к образованию комплексов СаС 60. Все еще продолжают разрабатываться эффективные методы для"заправки" фуллеренов. 3.3. Фуллереновые трубки, капсулы и онионы Фуллереновые капсулы и нанотрубки представляют собой цилиндрические молекулы 5 углерода со структурно замкнутыми решетками. Капсулы имеют полусферические замкнутые концы, при этом каждый конец имеет шесть пентагонов (тоже, что и 1/2 бакминстерфуллерена). Нанотрубки замкнуты с одного конца полусферой с шестью пентагонами, но остаются открытыми на другом конце. Фуллереновые капсулы имеют диапазон длины от 2 нм до 100 нм. Нанотрубки имеют диаметр от 1 нм до 100 нм и длину от 0,1 мкм до 10 мкм. Капсулы и нанотрубки могут образовываться в качестве концентрических многослойных или однослойных оболочек. Из-за их более короткой длины капсулы могут быть расположены в качестве внутренних слоев либо внутри более крупных капсул, либо внутри нанотрубок. Онионы фуллерена являются многослойными сферическими углеродистыми решетчатыми структурами с точно 12 пентагонами в каждом слое. Пентагоны расположены на икосаэдрических осях, а количество гексагонов колеблется. Между любыми двумя слоями (оболочками) эффекты притяжения ван дер Ваалса вырабатывают оптимизованную относительную позицию и расстояния. 4. Информация, относящаяся к излучению Ядерные материалы дают пять (5) основных типов излучения: (1) альфа-излучение (ядро гелия со скоростью около 109 см/с), (2) бетаизлучение (высокоскоростной /отрицательный/ электрон; скорость некоторых бета-частиц достигает 0,996 скорости света), (3) гаммаизлучение (электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны и высокой энергией,которое выделяется, когда нейтрон ударяет протон), (4) рентгеновские лучи (излучение с чрезвычайно короткой длиной волны, очень высокой энергией и часто связанное с электромагнитными волнами) и (5) нейтронное излучение,испускаемое некоторыми радиоактивными материалами (подобная же высокая энергия, но не столь часто встречающееся). Эти пять типов ионизирующего излучения называются здесь"вредное излучение". Даже после того, как радиоактивный материал был поставлен на безопасное хранение в больших герметичных контейнерах, существование данных вредных излучений требует принятия дополнительных мер для защиты от будущего вредного излучения. 5. Цели настоящего изобретения Хотя в патенте Коппа раскрывается внедрение в фуллерены ионов металла в качестве способа хранения радиоактивных материалов,описанный процесс не устраняет опасности,вызываемые излучением, испускаемым данными комплексами отходов в фуллерене. Действительно, для того, чтобы безопасно и последовательно устранить вредное высокоэнергетическое излучение, необходимо рассмотреть радиацию, излучаемую конкретными хранящимися отходами, точную используемую молекулы фуллерена и условия, при которых сохраняется 6 молекула. Это выполняется идентификацией конкретных полезных свойств различных классов фуллеренов и их использованием для получения желаемых результатов. Таким образом, одной целью настоящего изобретения является обеспечить средство хранения радиоактивных отходов или других радиоактивных материалов, при этом предотвращая распространение, поглощая, улавливая или подавляя вредные радиоактивные излучения,генерируемые распадом хранящегося материала. Предотвращение распространения этих радиоактивных излучений сводит к минимуму радиационные опасности и устраняет необходимость создания сложных подземных площадок для хранения, которые предусматриваются в настоящее время. Другой целью настоящего изобретения является обеспечение средством хранения радиоактивных материалов, при этом снижая и/или перенаправляя внешние излучения вредной радиации, испускаемые от молекулы-хранилища. Другие цели и дополнительные полезные признаки изобретения изложены в следующем описании. Общие сведения об изобретении Изобретение обеспечивает метод предотвращения заключения/абсорбции всех типов высокоэнергетического ионизирующего излучения путем использования молекул фуллерена. При определенных условиях вредное излучение,испускаемое атомами, ионами и/или молекулами радиоактивных материалов, может быть снижено или устранено. Описанная здесь молекула-хранилище предотвратит выделение вредной радиации до отдаленного будущего. Детальное описание Настоящее изобретение обеспечивает средство и механизм, с помощью которых радиоактивные материалы могут быть постоянно изолированы от внешней среды, в то же время одновременно снижая или устраняя опасности,предоставляемые радиоактивными излучениями из этих материалов. Главным в изобретении является точное, основанное на знании, использование бакминстерфуллеренов и фуллеренов. Существует три типа молекул фуллерена,которые могут быть успешно использованы для снижения или устранения излучаемой радиации. В частности одна молекула фуллерена, молекула бакминстерфуллерена с шестьюдесятью атомами углерода (обозначаемая С 60) используется как молекула первичного хранения для того,чтобы предотвратить распространение всего вредного высокоэнергетического ионизирующего ядерного излучения, испускаемого хранящимся радиоактивным материалом. В дополнении к этому, онионы фуллерена и нанотрубки и капсулы фуллерена могут также быть использованы для снижения вредного высокоэнергетического ионизирующего излучения. 7 1.0. Бакминстерфуллерен. С 60, совершенный фуллерен, полностью предотвращает распространение радиации С 60 является единственной однослойной молекулой фуллерена, которая полностью предотвращает распространение высокоэнергетического ионизирующего излучения. При определенных условиях температуры и давления С 60 может полностью абсорбировать пять основных типов вредного высокоэнергетического ионизирующего излучения, а именно: альфа-, бета-,гамма-, рентгеновское излучение и нейтронное излучение. Хотя способностью частично поглощать вредное излучение от заключенного в капсулу радиоактивного материала обладают разные фуллерены, только молекула С 60 может удерживать вредное внешнее излучение через частотно-зависимые Доплеровские эффекты. Для радиации, возникающей внутри быстро вращающейся молекулы С 60, не существует классического наложения излучения. Этот механизм удержания/абсорбции называется здесь"резонантной релятивистской абсорбцией". Чтобы понять, как работает данный метод удержания/абсорбции радиоактивных эмиссий,необходимо точно понять три ключевых момента в отношении фуллеренов. Эти три ключевых момента представляют собой 1) С 60 имеет уникальную трехмерную сферическую структуру, которая обладает электронно-замкнутой оболочкой,2) С 60 обладает абсолютным вакуумом внутри своей молекулярной решетки, достаточно крупной для двух атомов (или, часто, многих ионов) любого элемента из периодической таблицы элементов, включая такие крупные радиоактивные элементы, как уран или плутон, и 3) С 60 вращается с одинаковой вероятностью во всех направлениях с очень высокими скоростями (между десятью и тридцатью миллиардов раз в секунду) в вакууме, газовой фазе и твердом состоянии. Если поддерживать определенные условия,тогда из-за этих трех ключевых моментов С 60 проявляет то, что называется здесь термином"явление резонантной релятивистской абсорбции" для эффективного удержания всего вредного излучения. 1.1. С 60 удерживает широкий диапазон вредного излучения Способность С 60 эффективно абсорбировать или удерживать испускаемое внутри излучение описывается здесь для всех пяти типов вредного излучения: альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного. Альфа-излучение, испускаемое заключенным в капсулу радиоактивным материалом, будет удерживаться внутри молекулы-хранилища С 60. Альфа-частица эквивалентна ядру гелия,комплексу из двух протонов и двух нейтронов. Классически, альфа-излучение легче всего поглощать. При использовании С 60 в качестве мо 001125 8 лекулы-хранилища, абсорбция альфа-излучения может быть выполнена релятивистски, основываясь на Доплеровском эффекте. Основываясь на предварительном расчете электронного сродства комплекса уран-С 60,взаимодействия между ураном и внутренней частью С 60 будут сильно ковалентными, так как энергия связи в 1,87 эВ ниже, чем в нормальном ковалентном состоянии UО 2. Это означает, что уран будет находиться в фиксированной позиции на внутренней поверхности решетки С 60. Более того, два электрона 7s и один электрон 6d перейдут на молекулярную орбиту T1u фуллерена С 60, увеличивая электронную плотность молекулярной решетки. Это является четким указанием на то, что основным состоянием комплекса UС 60 является 3T1u. Однако в связи с присутствием атома урана внутри молекулярной решетки будет существовать альфа-частица,которая примет два электрона с молекулярной орбиты Нu фуллерена С 60. Так как фуллерен С 60 при соответствующих условиях очень быстро вращается (31010s-1 в твердом состоянии) и так как альфачастицы передвигаются в радиальном направлении (при приблизительно 109 см/с), два момента взаимодействуют как ортогональный и будут иметь постоянные соединительные связи в пространственно временной системе с одной точкой. Эти явления приводят к "мягкому соприкосновению" между электронной поверхностью внутренней части решетки (дилокализованныеpi-электроны) и альфа-частицей. Значительный вклад в формирование "мягкого соприкосновения" вносится энергией поляризации, генерируемой высокими скоростями вращения молекулярных решеток. Альфачастица слабо нейтрализуется ("ложный гелий") и передвигается вокруг внутренней поверхности решетки, основываясь на изначальной энергии альфа-частицы (около 4 МэВ), вращении фуллерена и слабом взаимодействии с дилокализованным электронным облаком. "Ложный гелий" будет оставаться захваченным движущимся внутри молекулярной решетки С 60. Радиоактивная альфа-эмиссия от связанного радиоактивного материала будет навсегда удерживаться внутри молекулы фуллерена. Быстро вращающийся фуллерен С 60 будет также удерживать бета-излучение, испускаемое от заключенных в нем материалов. Бетаизлучение возникает, когда нейтрон преобразуется в протон. Бета-частицы, являющиеся быстро движущимися электронами, имеют энергию до около 1,610-13 Дж. Так как бета-частицы имеют значительно меньшую массу, чем другие заряженные частицы, они достигают скоростей,которые составляют заметную долю скорости света (0,97 до 0,999% скорости света). Существует важное различие между классической абсорбцией, в которой используется 9 фиксированный абсорбент, и релятивистской абсорбцией (основанной на Доплеровском эффекте), и в этом случае абсорбент вращается со скоростями, приближающимися к скорости излучения (света). В данной последней ситуации будет существовать как явление временного резонанса, так и передача энергии от очень быстрого электрона (бета-излучение) на С 60 и от С 60 на дилокализованную энергетическую оболочку вокруг С 60. Это и есть "резонантная релятивистская абсорбция", ссылка на которую делается выше. В случае бета-излучения релятивистские явления сначала приводят к абсорбции бетаизлучения (увеличенное вращение) и затем к перераспределению в дилокализованной электронной оболочке. Максимальная энергия, которая может быть абсорбирована путем обычной абсорбции (Еа) С 60 в своих незанятых орбитах, составляет только около 320 эВ (шестьдесят электронов в восьми молекулярных орбитах T2g,Gu, Gg, Нu, Т 2u, Hg, T1g и T1u с соответственно 48,60, 52, 55, 30, 48, 15 и 12 эВ). Эта классически поглощаемая энергия будет увеличивать как кольцевой ток в пентагонах и гексагонах, так будет увеличивать и объем С 60. Повышение кольцевых токов также слегка увеличивает скорость вращения молекулы С 60. Однако общая величина энергии бета-излучения, поглощенной таким образом, является минимальной. Таким образом, большинство энергии бета-излучения должно поглощаться молекулой С 60 через резонантную релятивистскую абсорбцию. Как упоминалось выше, способность С 60 использовать релятивистскую абсорбцию для поглощения вредного излучения существенно зависит от скорости вращения молекулыхранилища. Экспериментальное свидетельство указывает, что С 60 вращается при 1,81010s-1 в растворе (толуол) и при 3,01010s-1 в твердом состоянии. Энергетическими источниками данного вращения являются кольцевые токи в 12 пентагонах и 20 гексагонах. Релятивистские резонантные аспекты удержания бета-излучения в С 60 требуют рассмотрения отношения энергии через закон сохранения энергии (Епервоначальное = Еконечное). Энергия излучения (Еr) внутри С 60, энергия поглощения С 60 (Еа) и внешняя энергия в дилокализованном облаке С 60 (Еh) относятся друг к другу по закону сохранения энергии как Еr = Еа + (КEh), где В приведенном выше выражении Vr является скоростью излучения (пространственновременные явления), аявляется вращением С 60 (временные явления). Для явлений пространственной релятивистской абсорбции основным признаком является К, который зависит от диэлектрической проницаемости k. Так как внутренняя часть С 60 пред 001125 10 ставляет собой абсолютный вакуум, проницаемость (ео) составляет 8,85410-12 С 2 N-1 m2. Имея в виду, что энергия излучения (Еr) и внешнее дилокализованное электрическое облако (Eh) имеют одинаковые значения, тогда диэлектрическая проницаемость (Er/Eh) электронной оболочки С 60 равна приблизительно 1 или немногим меньше 1, при этом разница находится в диапазоне от 110-10 до 10-20. Общее уравнение для релятивистского отношения между частотами, измеренными в двух системах координат в пространстве, дается в релятивистском Доплеровском уравнении Отношение между частотами, измеряемыми в двух системах координат в пространстве,которые движутся перпендикулярно, как в случае комплекса UС 60 (= /2, cos= 0), составляет Когда одна система координат в пространстве (С 60) очень быстро вращается (31010s-1) вокруг источника излучения, в то время как другая система координат (излучение) перемещается со скоростью близкой (несколько меньшей) к скорости света (31010 см/с), явление,называемое здесь резонантной релятивистской абсорбцией, происходит в пространстве 1 см от источника излучения. Это явление выражается как Соответственно, ключевыми моментами в отношении релятивистской абсорбции бетаизлучения (частота около 1020s-1) являются скорость вращения С 60 (чрезвычайно высокая) и дилокализованное электронное облако (очень большое при радиусе приблизительно 1 см, с частотой приблизительно 1,411010s-1 комплекса ХradС 60. Эти свойства являются главными для разрешения использования С 60 в качестве молекулы-хранилища, которая может защитить внешнюю среду от генерируемого внутри вредного бета-излучения. Обратившись к гамма-излучению с точки зрения возможности излучения ядерных отходов, гамма-лучи могут быть представлены как частицы света или пучки энергии (фотоны). Гамма-луч может быть представлен либо как импульс энергии (частица), либо как волна, которая представляет собой разность энергии связи между ядром, которое расщепляется, и последующим ядром, которое образуется. Существует три дополнительных основных типа гамма-излучения, генерируемых другими видами взаимодействия частиц. Эти три вторичные формы гамма-излучения производят 11 ся (1) эффектом рассеяния Комптона, (2) фотоэлектрическим эффектом, и (3) созданием пары электрон-позитрон. Из трех типов гаммаизлучения, производимого подобными взаимодействиями, внутри фуллерена возможен только фотоэлектрический эффект. Фотоэлектрический эффект происходит,когда гамма-фотон ударяет орбитальный электрон атома и передает свою энергию электрону,который затем выходит на внешнюю оболочку. По мере того как подвергнутый влиянию электрон возвращается в свое первоначальное положение, энергия повторно излучается в качестве гамма-излучения с более длинной длиной волны, чем первоначальное гамма- излучение. Созданные данным эффектом гаммафотоны с большей длиной волны будут иметь значительно меньшую проникающую силу, чем исходные гамма-лучи, которые их создали, и,следовательно, они классически легче поглощаются. В случае ядерных материалов, связанных внутри фуллерена, как гамма-лучи высокой энергии (от внутреннего ядерного материала),так и низкоэнергетический гамма-луч (производимый фотоэлектрическим эффектом) улавливаются вращающимися молекулами с электронно-замкнутой оболочкой. К удержанию всех типов гамма-излучения в пределах С 60 подходят во многом так же, как и к удержанию альфа- и бета-излучения. А именно, для расчета энергетического баланса используется принцип резонантной релятивистской абсорбции. Гамма-излучение внутри молекулы С 60 (имеющее частоту приблизительно 1022 Гц со скоростью излучения очень близкой или такой же, как и скорость света) будет полностью поглощаться в дилокализованное электронное облако (частота равна нулю) и увеличит скорость вращения у молекулы С 60. Решение может быть найдено по уравнению Переменная с 60 представляет скорость вращения для С 60. Для чистого С 60 данная скорость вращения начинается либо у порогового значения, равного 2,99721010s-1, либо ниже, в зависимости от состояния материала. (Данная скорость в других местах данного документа приводится равной 31010s-1). Скорость вращения гранецентированного С 60 в твердом состоянии равна пороговому значению 31010s-1; жидком и газообразном состояниях - вращаются со скоростями меньшими, чем данное значение. Для С 60 с внедренным радиоактивным материалом (ХradС 60), значение С 60 увеличивается в результате энергетического влияния гаммаизлучения. Очень быстро скорость превышает это пороговое значение, тем самым герметизируя генерируемое внутри гамма-излучение от внешнего мира. 12 Обратившись к рентгеновскому и нейтронному излучениям, можно заметить, что как рентгеновские лучи, так и нейтроны возникают значительно менее часто, чем альфа-, бета- и гамма-излучение во время хранения радиоактивных материалов в фуллеренах. Однако для полноты картины и чтобы продемонстрировать диапазон релятивистской абсорбции, приводится информация, описывающая удержание С 60 этих двух форм излучения. Рентгеновские лучи появляются, когда орбитальные электроны в атоме изменяют свою нормальную конфигурацию под воздействием некого процесса возбуждения, который приводит этот атом в возбужденное состояние на короткий период времени. Существует естественная тенденция для возбужденных электронов перестраиваться и возвращать атом к своему состоянию с минимальной энергией или к основному состоянию в течение времени, которое в твердом материале обычно равно наносекунде или менее. Энергия, высвобождаемая при подобном переходе из возбужденного в основное состояние, принимает форму рентгеновского фотона, чья энергия равна разнице энергии между первоначальным и конечным состоянием. Подобно бета-излучению внутренние генерируемые рентгеновские лучи от комплекса ХradС 60 будут улавливаться и добавят энергии дилокализованному электронному облаку вокруг С 60. Чистый источник рентгеновских лучей будет излучать энергию от 5,6 до 6,2 КэВ. Электронная структура молекулы С 60 поглотит только 320 эВ от любого типа чистого источника излучения, возникающего внутри С 60 (приблизительно 5% энергии рентгеновского луча). Это означает, что когда происходит абсорбция чистого рентгеновского излучения, 95% энергии рентгеновского луча будет удерживаться посредством резонантной релятивистской абсорбции и приводит как к дилокализации электронного облака, так и к увеличению скорости вращения комплекса ХradС 60. Если другие дополнительные формы излучения одновременно излучаются из заключенного в капсулу материала,как, например, во время ядерных процессов внутреннего преобразования, которые дают как гамма-, так и рентгеновское излучение, то больше чем 95% энергии рентгеновского луча будет поглощаться в дилокализованном электронном облаке и путем увеличения скорости вращения С 60. Другой тип рентгеновского излучения состоит из тяжелых заряженных частиц. Эти частицы ведут себя как альфа-частицы и поглощаются во многом так же, как и альфа-излучение. Оно прекращается, когда "ложный гелий" захватывается на внутренней части молекулярной решетки. Нейтронное излучение - это наиболее редко встречающийся тип излучения, который мо 13 жет возникнуть в молекуле фуллерена. Хотя этот вопрос и является необычным в данном контексте хранения, рассматривается здесь для полноты картины. Хорошо известно, что ядра с энергией возбуждения, превышающей энергию связи нейтрона, могут распадаться при нейтронном излучении. Радиоизотопные нейтронные источники,расположенные в молекуле фуллерена, основываются либо на спонтанном делении, либо на ядерных реакциях, для которых падающая частица является продуктом обычного процесса распада. Многие трансурановые тяжелые нуклиды имеют заметную вероятность спада интенсивности спонтанного деления. Каждый случай деления производит ряд быстрых нейтронов. Когда они намеренно используются как источник нейтронов, изотоп заключается в капсулу в достаточно толстый контейнер, чтобы из источника появлялись только быстрые нейтроны и гамма-лучи. Энергетический спектр нейтронов составляет от 0,2 до 5 МэВ. Свободные нейтроны имеют периоды полураспада, равные приблизительно 12 мин,после чего каждый из них разделяется на протон и электрон. При взаимодействии с фуллереном энергия электрона, производимого распадом нейтрона, заполнит одну или более незанятых молекулярных орбит (LUMO), в то время как протон будет взаимодействовать через одну или более занятых орбит (HOMO). Энергетически(подобно рентгеновским лучам), небольшая доля нейтронной энергии (в данном случае 1%) будет поглощаться электронной структурой С 60,но значительно больше энергии (99%) будет поглощаться в дилокализованном облаке и путем увеличения вращения С 60. 1.2. Свойства С 60 по предотвращению распространения излучения зависят от скорости вращения С 60 При всех формах вредных радиоактивных излучений способность молекулы С 60 улавливать подобные излучения зависит от скорости вращения фуллерена. Нормальная скорость вращения для С 60 составляет 31010s-1 в твердом состоянии. В жидком состоянии скорость значительно снижается. Например, сниженные скорости вращения равны 1,81010s-1 в толуоле и 5109s-1 в нитробензоле. Чтобы удерживать излучающуюся радиацию, комплекс XradС 60 должен вращаться со скоростями, превышающими или равными пороговому значению, которое равно скорости вращения С 60 в твердом состоянии. Если скорость вращения С 60 падает ниже приблизительно 31010s-1, тогда излучение больше не будет безопасно удерживаться внутри молекулы-хранилища. Однако более медленные скорости вращения, вызванные жидким и газообразным состоянием, не представляют проблемы, так как удержание материалов, излу 001125 14 чающих радиацию, увеличивает скорость вращения на несколько порядков по сравнению с порогом этой величины для молекул С 60 в любой форме (газообразной, жидкой, твердой). Это особенно относится к альфа- и гаммаизлучению, которые фокусируют всю или большую часть энергии на увеличение скорости вращения и меньшую - на формирование дилокализованных электронных облаков (бета- и рентгеновские лучи). Для того чтобы получить положительный результат предотвращения распространения излучения, среда, являющаяся внешней по отношению к молекуле-хранилищу С 60, должна поддерживаться при температуре выше минимальной и при давлении, ниже максимального. Только при поддержании внешней среды, в которой хранятся комплексы ХradС 60, в диапазоне приемлемых условий, комплексы ХradС 60 смогут сохранять свои чрезвычайно высокие скорости вращения (выше пороговой скорости) и тем самым уменьшать опасности излучения. Если комплексы ХradС 60 подвергаются воздействию таких условий, которые существуют в водах океана на глубине, превышающей 800 м,тогда комплексы XradС 60 замедляются ниже порога выделения излучения (приблизительно 31010s-1), и имеющееся излучение будет выделяться в окружающую среду. Таким образом,удаление радиоактивных отходов в С 60 в глубину океана не желательно по сравнению с другим менее подверженным внешнему воздействию геологическим удалением. Однако, что легко достижимо, земельные условия хранения позволят молекуле-хранилищу С 60 вращаться со скоростями, превышающими уровень порога выделения излучения, и будут служить для поддержания полезной функции предотвращения распространения излучения. 2.0. Онионы фуллерена Онионы фуллерена представляют собой концентрические углеродные молекулярные решетки, образованные в слоях около центральной точки. Онионы фуллерена могут использоваться селективно для улучшения способности С 60 удерживать излучение. Для наших целей онионы фуллерена существуют в двух основных классах: онионы с С 60 внутри и онионы без С 60 в качестве одного из внутренних слоев. Онионы фуллерена, содержащие С 60, могут быть далее подразделены на два типа, а именно, те, которым присуща абсолютная икосаэдрическая симметрия, и те, которые не обладают подобной абсолютной симметрией. Следующие онионы фуллеренов или гиперфуллерены обладают абсолютной икосаэдрической симметрией: Гиперфуллерен С 60C180 С 60 С 240 С 60 С 540 С 60 С 240 С 540 Промежуток между слоями 0,274 нм 0,352 нм 0,701 нм 0,352-0,350 нм 15 Они имеют существенное значение для удержания радиоактивных излучений, так как абсолютная икосаэдрическая симметрия их внешних слоев означает, что не будет сопротивления критическому вращательному движению внутренней молекулы С 60. Следовательно, когда в них внедряют радиоактивные материалы, они будут обладать всеми свойствами резонантной релятивистской абсорбции, основанной на Доплеровском эффекте, с улавливанием излучения чистого ХradС 60. Оболочки внутри гиперфуллерена мобильны посредством вращения. Действительно, С 60 в комплексе С 60 С 240 будет вращаться вокруг оси С 5, в то же время оставаясь концентрически сцентрованным. По мере того, как более крупные оболочки добавляются к этим комплексам,уменьшается межслойный энергетический барьер. Так как пентагоны остаются энергетически выровненными,различия энергии в С 60 С 240 С 540 вызывают то, что С 240 сжимается и становится менее круглым, в то время как С 540 расширяется и становится более круглым. В данном комплексе энергия пентагонов С 60 приводит вращение всех оболочек. Однако центральная оболочка С 240 вращается значительно медленнее из-за энергии пентагонов C540, которая препятствует вращению второго слоя. Расчеты мобильностей внутренней оболочки гиперфуллерена(например,С 60 С 240 С 540) указывают, что (1) из-за своей идеально сферической формы только сердцевинная решетка С 60 может претерпевать абсолютно сцентрованное концентрическое вращение в онионах фуллерена и вращаться на скорости, равной или превышающей свою естественную скорость в твердом состоянии, составляющую 31010s-1; (2) из-за их многоугольной формы вращение более крупных углеродных оболочек сильно затрудняется, и (3) С 60 свободно перемещается вдоль оси С 5 в пределах расстояния около 0,04 нм вокруг своего равновесного положения. Не удивительно, что комплекс радиоактивного материала, трехслойного ониона фуллерена с абсолютной икосаэдрической (Ih) симметрией, ХradС 60 С 240 С 540, является очень привлекательным кандидатом в качестве фуллеренового комплекса для долгосрочного удаления радиоактивных отходов. Внутренний С 60 будет удерживать излучение посредством Доплеровских эффектов (обсуждавшихся выше) и внешние слои, которые идеально выровнены с осями пентагонов, будут служить для усиления внутреннего С 60, который может после многих тысячелетий накопить внутренние силы, адекватные для разрушения ХradС 60, в зависимости от хранящегося материала. Подобное разрушение возможно в однослойном ХradС 60 из-за того, что непрерывные процессы радиоактивного распада, происходящие внутри молекулы-хранилища С 60, могут со 16 временем нарушить физическую целостность самой молекулы-хранилища. Для U239 С 60 и Рu243 С 60 (двух радиоактивных изотопов, специально отобранных из-за того, что они выделяют большое количество альфа- и гаммачастиц), при условии наличия крепкой связи углерод-углерод (С-С) во время высокоскоростного вращения, пройдет приблизительно 72000 лет для накопления достаточного количества внутренних частиц и сопровождающих сил,чтобы вызвать разрыв молекулы С 60 (С 60 С 58+ С 2). В данный момент С 60 быстро выделит значительную часть радиационного излучения,улавливаемого в течение предшествующих 72000 лет, и затем навсегда прекратит удерживать выделяющееся излучение. Для U237 С 60 внутреннее давление накапливается медленнее,занимая приблизительно 105 лет для разрыва С 60. Различные изотопы будут сохраняться различное время вдоль этих (экспоненциальных) линий. Некоторые могут никогда не разрушить свои решетки С 60. Даже с учетом подобного длительного срока постепенное разрушение этих молекул чрезвычайно нежелательно. Более безопасной альтернативой является использование ониона фуллерена для хранения радиоактивного материала. Онионы фуллерена обеспечивают молекулу-хранилище С 60 дополнительными внешними ограничениями, чтобы обеспечить возможность молекуле-хранилищу продолжать удерживать радиоактивные излучения даже за пределами ожидаемого момента разрыва. В частности, по причинам как выживания в более широком диапазоне внешних условий, так и большей продолжительности во времени,ХradС 60 С 240 С 540 идеально удерживает вредное высокоэнергетическое ионизирующее излучение и хорошо подходит для использования в качестве механизма долгосрочного хранения. Учитывая его внутренние силы, данный конкретный онион фуллерена значительно увеличит безопасную глубину удаления отходов в океан, так что даже подобный вариант удаления отходов станет приемлемым. В случае онионов фуллерена, которые не обладают идеальной икосаэдрической (Ih) симметрией, скорость вращения внутреннего С 60 может быть замедлена, и/или вращение наружных слоев может быть значительно увеличено. Далее, усиливающие свойства несимметричных онионов уменьшаются, делая их менее желательными для постоянного хранения. Однако те несимметричные онионы, которые включают молекулу-хранилище С 60 в качестве внутреннего слоя, могут быть адекватны для хранения низкоактивных отходов или для хранения определенных высокоактивных отходов с меньшим количеством получаемых в результате распада частиц. И в заключение, даже в случае внедрения радиоактивного материала внутрь ониона фул 17 лерена, который не содержит С 60, эмиссия генерируемого внутри излучения может быть уменьшена путем добавления слоев углерода,которые напрямую поглощают излучение. В то время как С 60 будет удерживать или абсорбировать все генерируемое внутри излучение посредством явления резонантной релятивистской абсорбции, основанной на Доплеровском эффекте, не содержащие С 60 онионы, имеющие три налагающихся слоя оболочек углерода, будут частично поглощать подобное излучение, основываясь на энергетическом или электронном замыкании гексагонов фуллерена (слабое явление), а также на классической абсорбции (самое слабое явление). При наличии трех или более слоев углерода, каждый слой будет перекрывать другие,энергетически запирать гексагоны и герметизировать энергетические дыры, обнаруживаемые в гексагональных решетках с одним слоем углерода. Но без необходимого вращения С 60, эти онионы фуллерена не обязательно уловят все излучение. Конечно, энергетическое запирание молекулы-хранилища уменьшит интенсивность выделяющегося излучения, но подобное запирание не обязательно полностью устранит его. Данное энергетическое запирание накладывающихся гексагонов, вместе с многослойностью онионов фуллерена, создает возможность для преднамеренного уменьшения излучения, выделяющегося из хранилища фуллерен/ядерный материал. Данное энергетическое запирание и многослойность также позволяют создавать настроенные (амплитуда через слоистость и запирание гексагонов, а также частота через выбор включенного источника) источники излучения. Путем выбора типа излучения, включаемого в фуллерен, и числа используемых слоев углерода, можно использовать комбинацию, обеспечивающую настроенный источник излучения. 3.0. Нанотрубки и капсулы фуллерена Углеродные трубки наноразмера были предметом интенсивных прикладных исследований после их открытия в 1991 г. Здесь мы используем эти молекулы для уменьшения излучения, выделяемого в окружающую среду. Для наших целей поглощения излучения нанотрубки и капсулы фуллерена ведут себя во многом как онионы фуллерена, которые не содержат С 60 или вращаются с очень высокими скоростями. Структура трубок состоит из коаксиальных решеток из замкнутых графитовых листов. В любой данной трубке пентагоны углерода расположены по спирали вокруг оси, при этом изменение угла наклона от трубки к трубке позволяет оптимизировать расстояние между слоями(0,34-0,35 нм). Это немного больше, чем расстояние идеального графита и действительно более характерно для трубослойного углерода. Так как нанотрубки и капсулы не вращаются,они не обеспечивают явление, основанное на 18 Доплеровском эффекте, резонантной релятивистской абсорбции, проявляемой молекулойхранилищем С 60. Однако благодаря энергетическому запиранию гексагонов тремя или более слоями углерода, нанотрубки и капсулы будут уменьшать излучение, но они не обязательно полностью остановят его. Если мы будем иметь в виду энергетическое запирание слоистых (три или более слоя) нанотруб фуллерена и примем к сведению, что некоторые классы нанотрубок обладают металлическими свойствами, в то время как другие имеют полупроводниковые свойства, а еще другие обладают переходными свойствами между металлическими и полупроводниковыми состояниями, тогда комбинация всех этих свойств наделяет данные нанотрубки интересным потенциалом для функционирования в качестве направляющей для излучения, которая служит для направления испускаемого излучения вдоль первичной оси трубки или капсулы. Таким образом, эти материалы могут использоваться для направления выделяемой радиоактивной энергии к конкретному месту или для конкретной цели. 4. Производство комплексов UCn Существуют экспериментальные свидетельства того, что комплексы UCn образуются в электрических дугах. Интересно отметить, что во время подобного образования наиболее обильно создаваемыми группами являютсяU28 и U60. Имея в виду особую электронную молекулярную структуру С 60 с замкнутой оболочкой, ожидается распространенность UС 60. Также учитывая тот факт, что процесс кристаллизации С 60 происходит вокруг точки, разумно предположить, что один атом урана (UС 60) будет более часто запираться внутри решетки,чем два атома (U2 С 60). Однако из-за обычной электронной структуры С 28 с открытой оболочкой, распространенность UC28 объяснить менее легко. Основное электронное состояние С 28 (симметрия Тd) является A52, с одним электроном на орбите a1 и тремя электронами на орбите t2. Эта ситуация приводит к свободным связям, расположенным у каждого из четырех атомов углерода в четырехгранных вершинах структуры Тd. Электронная структура А 52 с открытой оболочкой основного состояния С 28 запирается атомом урана(внутри решетки), являющимся тетравалентным атомом, тем самым объясняя результат. Расширив данные наблюдения простыми объемными вычислениями, мы получаем дальнейший полезный вывод. Диаметр основного состояния С 60 составляет 0,71 нм; связь С-С между С 60 и С 28 равна 0,145 нм; и самый длинный диаметр основного состояния С 28 составляет 0,41 нм. Таким образом возможно, что могут также образовываться комплексы (UC28)С 60. Полезность этого факта для методов хранения радиоактивного материала очевидна: так как 19 подобные тетравалентные атомы естественно предпочтительны в фазе формирования и еще могут быть заключены в капсулу в С 60, процесс производства внедрения радиоактивных отходов может быть сделан более эффективным. В то время как изобретение было описано в связи с тем, что в настоящее время считается наиболее практичным и предпочтительным примером осуществления изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытым примером осуществления изобретения, а наоборот, предполагается включение различных модификаций и эквивалентных мероприятий, соответствующих духу и объему прилагаемых пунктов патентной формулы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ захоронения радиоактивных материалов, отличающийся тем, что в качестве хранилища радиоактивных материалов используется молекула С 60 бакминстерфуллерен,имеющая электронно-замкнутую оболочку и поддерживающаяся в состоянии вращения с минимальной скоростью, составляющей 31010s-1, для улавливания вредного излучения,выделяемого связанным в молекуле радиоактивным материалом. 2. Способ захоронения радиоактивных материалов, отличающийся тем, что в качестве хранилища радиоактивных материалов используется анион фуллерена, имеющий молекулу С 60 бакминстерфуллерен как внутренний углеродный кластерный слой; имеющую электроннозамкнутую оболочку и вращающуюся со скоростью, достаточной для улавливания вредного излучения, испускаемого связанным в молекуле радиоактивным материалом. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что анион фуллерена имеет абсолютную икосаэдрическую симметрию. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что молекула С 60 бакминстерфуллерен вращается с минимальной скоростью, составляющей 31010s-1. 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что внешняя оболочка аниона фуллерена является молекулой C180. 6. Способ по п.2, отличающийся тем, что внешняя оболочка аниона фуллерена является молекулой С 240. 7. Способ по п.2, отличающийся тем, что внешняя оболочка аниона фуллерена является молекулой С 540. 8. Способ по п.2, отличающийся тем, что промежуточная оболочка аниона фуллерена является молекулой С 240, а внешняя оболочка аниона фуллерена является молекулой С 540. 9. Способ захоронения радиоактивных материалов, отличающийся тем, что в качестве хранилища и средства для снижения высокоэнергетического ионизирующего излучения ис 001125 20 пользуется энергетически замкнутая молекулярная решетка, имеющая, по крайней мере, три слоя углерода, при этом вышеупомянутые три углеродных слоя представляют собой внутренний слой, промежуточный слой и внешний слой,при этом удержание радиоактивного материала происходит во внутреннем слое углерода. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что слои углерода образуются сферическими слоями анионов фуллерена. 11. Способ по п.9, отличающийся тем, что слои углерода образуются капсулами фуллерена, имеющими два замкнутых конца. 12. Способ удержания и абсорбции высокоэнергетического ионизирующего излучения,отличающийся тем, что в качестве хранилища используется энергетически замкнутая молекулярная решетка, имеющая, по крайней мере, три слоя углерода, при этом вышеупомянутые три углеродных слоя представляют собой внутренний слой, промежуточный слой и внешний слой,и радиоактивный материал заключается в капсулу во внутреннем слое углерода, а вышеупомянутые слои углерода образуются нанотрубкой фуллерена, имеющей один замкнутый конец. 13. Способ создания энергетически замкнутой фуллереновой структуры, отличающийся тем, что он включает этапы- образования первого углеродного слоя путем использования молекулы фуллерена,имеющей первую конфигурацию,- заключения радиоактивного материала в капсулу внутри первого углеродного слоя;- образования второго углеродного слоя вокруг первого углеродного слоя, используя молекулу фуллерена, имеющую такую же конфигурацию, как и первая конфигурация; и- образования третьего углеродного слоя вокруг второго углеродного слоя, используя молекулу фуллерена, имеющую такую же конфигурацию, как и первая конфигурация. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что первый, второй и третий углеродные слои образуются с использованием анионов фуллерена. 15. Способ по п.13, отличающийся тем, что первый, второй и третий углеродные слои образуются с использованием нанотрубок фуллерена. 16. Способ по п.13, отличающийся тем, что первый, второй и третий углеродные слои образуются с использованием капсул фуллерена. 17. Способ по п.13, отличающийся тем, что первый углеродный слой образуется с использованием капсулы фуллерена, а второй и третий слои углерода образуются с использованием нанотрубок фуллерена. 18. Способ абсорбции радиоактивного излучения, включающий этапы- удержания радиоактивного материала в молекуле-хранилище С 60; и- контролирование условий среды, окружающей молекулу-хранилище таким образом,чтобы молекула-хранилище С 60 вращалась с минимальной скоростью, составляющей 31010s-1. 19. Способ оптимизации производства молекул фуллерена С 60, удерживающих радиоактивный материал, включающий этап использо 22 вания тетравалентного фуллерена для инициации образования оболочек С 60. 20. Способ по п.19, отличающийся тем, что тетравалентный фуллерен представляет собой