Среди всех искусственных радиоактивных изотопов, используемых человечеством, кобальт 60 имеет наиболее широкое применение.
Этот изотоп сочетает в себе высокую удельную активность, высокую энергию гамма-излучения, удобный период полураспада и наличие только одного природного стабильного изотопа (что упрощает трансмутацию).
Фактически, источники гамма-излучения на кобальте-60 являются своего рода стандартным вариантом там, где необходимы фотоны с энергией более 1 МэВ.
Сегодня я расскажу вам, как производят и используют этот изотоп.
Панорамный питатель Cobalt 60 опускается в бассейн для проведения технического обслуживания.
Такой облучатель способен создавать мощность дозы до 2 миллионов рентген в час на расстоянии 20 см от поверхности.
Производство
Кобальт 60 является активационным изотопом, т.е.его получают путем поглощения нейтронов природным кобальтом 59. Этот процесс имеет максимальную эффективность (37 барн) на тепловых нейтронах, поэтому в целом для производства пригоден практически любой реактор.
Крупнейшими производителями 60Со в мире являются канальные реакторы - тяжеловодные CANDU (канадская AЭS Bruce, корейская Wolsong и аргентинская Embalse) и водографитовый РБМК, установленные на Ленинградском АЭС.
Преимуществом канальных реакторов является возможность выгрузки и загрузки облученных мишеней независимо от рабочего цикла реактора.
Мишень для облучения кобальта в американском реакторе ATR.
Кстати, одним из последних существенных изменений на рынке кобальта стал проект производства этого изотопа в бланкетах реактора БН-800, что обеспечивает высокий поток нейтронов и позволяет получать продукт с высокой удельной активностью.
Быстрее.
Однако первый продукт появится не раньше 2019 года.
Сам процесс производства кобальта-60 относительно прост (по сравнению, например, с 238Pu).
Различные формы металлического кобальта (дроба, проволока, цилиндрические элементы) помещаются в мишень из циркония или нержавеющей стали, установленную в облучательном устройстве и опускаемую в реактор.
После отверждения до нужной активности мишени извлекают, вскрывают в горячей камере, кобальт-60 сортируют по активности и переупаковывают в исходники, после чего отгружают заказчику.
Ээлементы из природного кобальта, пенал с двойными стенками, устройство для транспортировки пеналов и контейнер с 27-сантиметровыми стенками из свинца и стали для перевозки весом почти 6 тонн.
Общее производство кобальта 60 в мире сегодня составляет около 75 миллионов кюри в год, который делится на два типа: кобальт низкой и средней активности (до 100 кюри на грамм) и кобальт высокой активности (250+ кюри на грамм).
Последний считается высокотехнологичным продуктом и используется в основном в медицинских целях, его производство составляет ~2,5 млн кюри в год. При стоимости одного кюри низкоактивного кобальта около 2 долларов за кюри и высокоактивного кобальта около 25 долларов за кюри, общий рынок этого изотопа составляет ~ 200 миллионов долларов, превосходя рынки молибдена 99Mo и кремния, легированного ядерным оружием, в США.
объем.
Кстати, по стоимости, похоже, это самый дешевый (или один из самых дешевых) радиоактивных гамма-излучателей - как минимум в несколько раз дешевле 137Cs и 90Sr в пересчете на 1 кюри.
Облученные мишени с кобальтом с высокой удельной активностью в бассейне охлаждения AЭC Bruce
Почему 60Co так востребован (а рынок растет со скоростью 4% в год)? Кобальт 60 распадается на 60Ni, испуская гамма-лучи с энергией ~1,3 МэВ, которые глубоко проникают практически в любой материал и при этом обладают высокой ионизирующей способностью.
При стерилизации это позволяет, например, «обнажить» сразу большие объемы продукта, а при измерении толщины материала — измерить очень толстые металлические детали, недоступные рентгеновским аппаратам.
Увеличение удельной активности кобальтовых мишеней при облучении в реакторе с потоком 10^14 н/см^2*с
Кроме того, кобальт 60 имеет довольно удобный период полураспада — 5,27 года.
С одной стороны, чем выше период полураспада, тем дольше работает источник, но с другой стороны, тем сложнее и дороже процесс его утилизации.
В случае 60Со типичный корпус панорамного облучателя (подробнее о них ниже), содержащий вначале около 6000-8000 Ки (100 грамм кобальта с удельной активностью 60-80 Ки/г), после 20 лет использования имеет 431-576 Ки и могут быть выведены из категории радиоактивных отходов через 120-130 лет, т.е.
не требуют дорогостоящего подземного захоронения, а только хранения.
В то же время гамма-излучающие изотопы с еще меньшим периодом полураспада, например 22Na с периодом полураспада 2,6 года и 192Ir с периодом полураспада 78 дней, уже не столь удобны с точки зрения частоты замены и сопутствующие объемы логистики (натрий, кроме того, не находит широкого применения из-за химической активности и набухания источников от продукта распада - неона).
Еще несколько контейнеров для перевозки кобальта-60. Ежегодно по миру осуществляется около 1000 отправок таких контейнеров.
Главным конкурентом 60Co является известный фрагментационный изотоп 137Cs. К преимуществам кобальта относятся:
- Более простой производственный процесс, не требующий радиохимии.
- Вдвое больше энергии гамма-излучения
- Цезий — чрезвычайно химически активный и летучий элемент.
- Выброс цезия-137 из категории радиоактивных отходов займет сотни лет.
Стерилизация
Основным рынком, где используется 60Co, является стерилизация медицинских изделий и различных пищевых продуктов, таких как специи, морепродукты и манго.Обычно эти операции выполняются на централизованных стерилизационных станциях, где установлены панорамный облучатель, содержащий 2-4 млн кюри кобальта 60, и конвейер, перемещающий стерилизуемые изделия вокруг этого облучателя.
Панорамные облучатели собраны из корпусов из нержавеющей стали с кобальтовыми таблетками.
Пенал обычно имеет двойные стенки и проверяется на герметичность.
Гамма-стерилизация имеет две схожие альтернативы — рентгеновскую стерилизацию и стерилизацию электронным лучом.
Технологическая разница между двумя последними типами заключается в использовании небольшого ускорителя для создания потока электронов (и, как вариант, рентгеновского излучения из этого потока электронов).
Преимущество кобальтовой стерилизации здесь – более простое устройство и возможность работы с большими объемами облучаемого материала, а недостаток – невозможность «выключить» излучение (хотя это можно решить, погрузив облучатели в бассейн с водой).
), работающий с большими количествами радиоактивного материала и более низкими доступными дозами по сравнению с электронным лучом.
План типичного центра гамма-стерилизации.
Вокруг панорамного облучателя движется конвейер с облучаемыми продуктами, камера обработки со всех сторон окружена биозащитой, а сам панорамный облучатель может быть опущен вниз в бассейн для работы с оборудованием камеры облучения.
Замена пеналов на кобальт производится и под водой.
Для типичного панорамного стерилизатора время облучения варьируется от нескольких секунд (например, сколько времени требуется для стерилизации насекомых для подавления их популяции в природе) до 10 часов для фармацевтических капельниц или хирургического оборудования.
При этом стерилизационная камера на конвейере может вмещать до нескольких тонн, т.е.
общая производительность этого метода очень высока.
https://youtu.be/XVcmGSPBGyM Видео о работе гамма-стерилизационного центра.
Однако, несмотря на недостатки электронно-лучевой стерилизации (к ним относятся стоимость электроэнергии и работа только со слоем 2-3 см), этот метод постепенно отвоевывает рынок у стерилизации кобальтом за счет возможности установки ускорителя в В принципе, каждая крупная больница и никаких проблем с логистикой.
МАГАТЕ? По оценкам, в мире действует около 200 крупных стерилизационных центров с панорамными облучателями.
Промышленное применение
Существует несколько областей применения источников с кобальтом 60 в промышленности.Самыми старыми и развитыми являются толщиномеры и плотномеры.
Как следует из названия, толщина материала известной плотности или плотность при известной толщине (например, содержание руды в пульпе) определяется поглощением гамма-излучения от источника к детектору.
В мире используются десятки тысяч таких устройств, питаемых в основном источниками, содержащими 137Cs и 60Co, хотя иногда используются и такие изотопы, как 22Na. При этом по сравнению с панорамными облучателями содержание радиоактивных изотопов здесь невелико – обычно 1…10 кюри.
Наряду с другими применениями, одним из наиболее активных является измерение плотности и влажности почвы.
Еще более распространенное применение источников кобальта 60 — гамма-дефектоскопия — преимущественно сварных швов большой толщины (от 20 до 200 мм).
Технология аналогична получению рентгеновских изображений, только большая толщина металла требует использования излучения с большей энергией, чем может обеспечить рентгеновская трубка.
Гамма-дефектоскопы бывают разной мощности (рассчитаны на разную толщину металла) и обычно содержат от 10 до 400 кюри кобальта 60. Используются также короткоживущие изотопы селен 75 и иридий 192. 
Портативные лучи смерти, также известные как гамма-дефектоскопы.
Помимо вышеперечисленного, источники с кобальтом используются (хотя и узко) в качестве высотомеров, например, посадочный аппарат космического корабля «Союз» оснащен аналогичным устройством, измеряющим поток гамма-лучей, отраженных от поверхности, и оценивающим расстояние до нее.
Подобная технология применяется и для измерения высоты сыпучих веществ в таре, хотя конкретных примеров производств, где был установлен такой счетчик, я не нашел.
Внешне «Кактус» ничем особо не примечателен.
Наконец, важным применением является облучение пластиковых полимеров для улучшения их свойств.
Судя по этой брошюре, все свойства пластмасс улучшаются за счет образования поперечных связей.
Большая часть получения дозы достигается с помощью бета-излучения (т.е.
пучка электронов из ускорителя), но примерно 25% таких операций выполняется с использованием панорамных излучателей, аналогичных тем, которые используются при стерилизации (фактически, в некоторых центрах гамма-стерилизации также проводится облучение пластмасс).
выполняется с использованием того же оборудования).
Однако пластмассы в основном облучаются в электростатических ускорителях электронов с энергией 0,7-1,5 МэВ из-за их чрезвычайно высокой дозовой производительности.
Лекарство
В 1960-е годы основой лучевой терапии были коллимированные источники гамма-излучения на основе радиокобальта.
Кобальт 60 активно используется в медицине, главным образом в области терапии рака.
Хотя этот радиоизотоп в настоящее время в значительной степени заменен из стандартной лучевой терапии ускорительными источниками ионизирующего излучения, он по-прежнему широко используется в гамма-ножах и брахитерапии.
Принцип действия и настоящий гамма-нож.
Фотографии явно являются макетами исходников, иначе фотограф получил бы в лучшем случае несколько ремов.
Гамма-нож — прибор для радиохирургии опухолей головного мозга.
Технически установка состоит из нескольких сотен коллимированных источников гамма-излучения, прикрытых поглощающей завесой, расположенной вокруг головы пациента.
Для терапии лучи точечных источников пересекаются на опухоли, тем самым создавая необходимую мощность дозы в этом месте.
Именно для гамма-ножа нужен кобальт-60 с высокой удельной активностью.
Преимуществом 60Co здесь является высокая энергия гамма-излучения, слабо поглощаемая тканями и практически моноэнергетическое излучение, в отличие от многих других медицинских изотопов.
Еще одно изображение Гамма-ножа и использованного в нем стандартного источника.
Кобальт — это небольшие кусочки материала внизу исходного изображения, остальное — оболочки и коллиматор.
Вторым крупным применением радиокобальта в медицине является брахитерапия — введение в опухоль нескольких капсул радиоизотопа для внутреннего облучения, особенно для тех случаев, когда необходим источник высокоэнергетического гамма-излучения (например, рак молочной железы).
Здесь 60Co имеет преимущества меньшего радиационного повреждения окружающих органов и способности доставлять более высокие дозы.
Радиоактивный источник для брахитерапии рака, помещенный в тело пациента.
Наука
Кобальт — удобный изотоп для создания мощных полей гамма-излучения, которые используются в основном при изучении изменения свойств материалов и оборудования под воздействием гамма-излучения.Например, улучшение свойств пластмасс или определение радиационной стойкости микросхем.
В лабораториях по всему миру действует около 30 подобных облучательных установок.
Кроме того, кобальт 60 является одним из метрологических эталонов, по которому калибруется все оборудование для измерения мощности гамма-излучения.
Типичная лаборатория для калибровки измерительной техники – слева защищенный источник (виден электропривод затвора), тележка для перемещения прибора с установленным калибровочным радиометром.
Один из эталонных источников, по которым проверяются и калибруются дозиметры и радиометры в нашей стране.
Однако учёные могут использовать и другие игрушки, например, импульсный источник гамма-излучения HERMES-III мощностью 400 гигаватт. 
выводы
Несмотря на то, что в последние десятилетия источники ионизирующего излучения на основе 60Co были вытеснены из некоторых ниш источниками ускорительного излучения, этот дешевый и удобный изотоп остается широко используемым источником гамма-излучения.Для атомной отрасли, в свою очередь, это один из важнейших продуктов, востребованный за пределами самой отрасли.
Однако более широкое использование радиокобальта сдерживается сложностью и дороговизной мер безопасности, которые необходимо принимать при транспортировке и использовании радиоактивных материалов.
P.S. И по поводу кобальтовой бомбы.
Эта широко разрекламированная идея 50-х годов на самом деле не имеет большого практического смысла.
Во-первых, в современном ядерном оружии нет большого количества дополнительных нейтронов для активации заметных количеств кобальта, во-вторых, сам по себе этот процесс активации быстрыми нейтронами не слишком эффективен, в-третьих, ядерное оружие за счет стадий деления уже производит большие объемы радионуклиды, Более того, разные, в конечном счете, экспоненциальные профили выпадений ядерного взрыва приводят к тому, что, даже увеличивая количество радионуклидов в 2-3 раза, мы несколько увеличиваем загрязненную территорию.
Теги: #Популярная наука #физика #радиоактивность #кобальт #кобальтовая бомба #ядерная медицина
-
Что Такое Управление Знаниями?
19 Oct, 24 -
Рептиенты
19 Oct, 24 -
Flash Builder 4 И Модульные Тесты
19 Oct, 24 -
Мобильная Рация – Ptt
19 Oct, 24 -
Как Удобно Делать Заметки В Pdf Файлах
19 Oct, 24
