Химия и Химики № 3 2022
Журнал Химиков-Энтузиастов
| Оглавление | Видео опыты по химии | Видео опыты по физике | На главную страницу |
|
Химия и Химики № 3 2022 Журнал Химиков-Энтузиастов |
Кобальт-60 Cobalt-60 |
|
Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
Среди всех искусственных радиоактивных изотопов, используемых человечеством, наиболее широкое применение нашел кобальт-60. Этот изотоп обладает сочетанием высокой удельной активности, высокой энергии гамма-излучения, удобного периода полураспада и того факта, что кобальт имеет всего один стабильный природный изотоп (что упрощает трансмутацию). Фактически источники гамма-излучения на базе кобальта-60 являются неким стандартным вариантом везде, где нужны фотоны с энергией больше 1 МэВ. Сегодня я расскажу, как получают и где применяют этот изотоп.
|
Панорамный облучатель из кобальта-60 опущен в бассейн для обслуживания. Подобный облучатель способен создать мощность дозы до 2 млн рентген в час на расстоянии 20 см от поверхности. |
|
Производство
Кобальт-60 является активационным изотопом, т.е. его получают в результате поглощения нейтронов природным кобальтом-59. Этот процесс имеет максимальную эффективность (37 барн) на тепловых нейтронах, поэтому в целом, для производства подходит практически любой реактор. Крупнейшими производителями 60Co в мире являются канальные реакторы - тяжеловодные CANDU (Канадская АЭС Bruce, корейская Wolsong и аргентинская Embalse) и водно-графитовые РБМК, установленные на Ленинградской АЭС. Преимущество канальных реакторов - в возможности выгрузки и загрузки облучаемых мишеней независимо от рабочего цикла реактора. |
Мишень для облучения кобальта в американском реакторе ATR |
|
Кстати, одним из последних значимых изменений на рынке кобальта стал проект по производству этого изотопа в бланкетах реактора БН-800, который обеспечивает большой нейтронный поток и позволяет получать продукт с высокой удельной активностью быстрее. Впрочем, первый продукт появится не раньше 2019 года.
Сам процесс производства кобальта-60 относительно прост (по сравнению с 238Pu, например). Различные формы металлического кобальта (дробь, проволока, цилиндрические элементы) помещаются в мишень из циркония или нержавеющей стали, устанавливаются в облучательное устройство и опускаются в реактор. После выдержки до нужной активности мишени извлекаются, вскрываются в горячей камере, кобальт-60 сортируется по активности и переупаковывается в источники, после чего отгружается заказчику. |
Элементы 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 |
|
Элементы 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 на сегодня порядка 75 миллиона кюри в год, которое делится на два типа: кобальт с низкой и средней активностью (до 100 кюри на грамм) и высокоактивный кобальт (250+ кюри на грамм). Последний считается высокотехнологичным продуктом и используется в основном в медицинских целях, его выпуск составляет ~2,5 млн кюри в год. При стоимости одного кюри низкоактивного кобальта около 2 долларов за кюри и высокоактивного около 25$ за кюри общий рынок этого изотопа составляет ~200 млн долларов, превосходя по объемам рынки молибдена 99Mo и ядерно-легированного кремния. Кстати, по стоимости, похоже, это самый дешевый (или один из самых дешевых) радиоактивный гамма-эмиттер - как минимум в несколько раз дешевле 137Cs и 90Sr в пересчете на 1 кюри. |
Облученные мишени с кобальтом с высокой удельной активностью в бассейне выдержки АЭС Bruce |
|
Почему же 60Co настолько востребован (и рынок растет темпом 4% в год)? Кобальт-60 распадается в 60Ni излучая гамма-кванты с энергией ~1,3 МэВ, которые глубоко проникают практически в любые материалы и при этом обладают высокой ионизирующей способностью. При стерилизации это, например, позволяет "засвечивать" сразу большие объемы продукта, а при измерении толщины материала - измерять весьма толстые металлические детали, недоступные рентгеновским установкам.
|
Скорость роста удельной активности кобальтовых мишеней при облучении в реакторе с потоком 1014 нейтр./(см2*c) |
|
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 захоронения. В случае 60Co типичный пенал для панорамного облучателя (о них ниже), содержащий в начале около 6000-8000 Ки (100 грамм кобальта удельной активностью 60-80 Ки/г) через 20 лет использования имеет 431-576 Ки и может быть высвобожден из категории радиоактивных отходов через 120-130 лет, т.е. не требует дорогого подземного захоронения, а лишь хранения. В то же время гамма-эмитирующие изотопы с еще более коротким периодом полураспада, например, 22Na с периодом полураспада 2,6 года и 192Ir с периодом полураспада 78 суток являются уже не такими удобными в плане частоты замены и сопутствующих объемов логистики (натрий, кроме того, не находит широкого применения в силу химической активности и распухания источников от продукта распада - неона).
|
Еще немножко контейнеров для перевозки кобальта-60. Ежегодно в мире совершается около 1000 перевозок подобных контейнеров |
|
Основным конкурентом 60Co является небезызвестный осколочный изотоп 137Cs. К плюсам кобальта тут можно отнести:
" Более простой процесс получения, не требующий радиохимии " Вдвое большая энергия гамма-излучения " Цезий - крайне химический активный и летучий элемент. " Высвобождение цезия 137 из категории радиоактивных отходов займет сотни лет. Где же применяется кобальт-60? Стерилизация Основным рынком, где используется 60Co, является стерилизация медицинских изделий и разнообразных продуктов питания, например специй, морепродуктов и манго. Обычно эти операции производятся на централизованных станциях стерилизации, где установлен панорамный облучатель, содержащий 2-4 миллиона кюри кобальта-60 и конвейер, перемещающий стерилизуемые продукты вокруг этого облучателя. |
Панорамные облучатели набираются из таких пеналов из нержавеющей стали с таблетками кобальта. Пенал обычно имеет двойную стенку и проверяется на герметичность |
|
Гамма-стерилизация имеет две схожие альтернативы - рентгеновская стерилизация и стерилизация электронным лучом. Технологическое отличие последних двух типов в использовании небольшого ускорителя для создания потока электронов (и как вариант - рентгеновского излучения из этого потока электронов). Преимуществом кобальтовой стерилизации тут является более простое устройство и возможность работы с большими объемами облучаемого материала, а недостатком - невозможность "выключить" излучение (хотя это решается погружением облучателей в бассейн с водой), работой с большими количествами радиоактивного материала и более низкие доступные дозы по сравнению с электронным лучем.
|
План типичного центра гамма-стерилизации. Вокруг панорамного облучателя движется конвейер с облучаемой продукцией, камера обработки со всех сторон окружена биозащитой, а сам панорамный облучатель можно опустить вниз, в бассейн для работы с оборудованием облучательной камеры. Замена пеналов с кобальтом тоже осуществляется под водой |
|
Для типичного панорамного стерилизатора время облучения составляет от нескольких секунд (например, столько занимает стерилизация насекомых для подавления их популяции в природе) до 10 часов для фармацевтических наборов для внутривенного вливания или хирургического оборудования. При этом в камере стерилизации на конвейере может находится до нескольких тонн, т.е. общая производительность этого метода весьма высока.
Видео про работу гамма-стерилизационного центра: |
|
Впрочем, несмотря на недостатки стерилизации электронным лучом (к ним можно отнести еще расходы на электроэнергию и работу только со слоем в 2-3 см), этот метод постепенно отвоевывает рынок у кобальтовой стерилизации из-за возможности поставить ускоритель в принципе в каждый большой госпиталь и не иметь проблем с логистикой.
МАГАТЭ оценивает, что в мире работает порядка 200 больших центров стерилизации с панорамными облучателями. Промышленное применение. Существует несколько направлений, где используются источники с кобальтом 60 в промышленности. Самое старое и развитое - это толщинометры и плотномеры. Как понятно из названия, толщина материала с известной плотностью или плотность при известной толщине (например, содержание руды в пульпе) определяется по поглощению гамма-излучения от источника к детектору. В мире используются десятки тысяч подобных устройств, снабженные в основном источниками с 137Cs и 60Co, хотя иногда используются и такие изотопы как 22Na. При этом, по сравнению с панорамными облучателями содержание радиоактивных изотопов тут невелико - обычно 1...10 кюри. |
Наряду с другими использованиями одно из самых активных - измерение плотности и влажности грунта |
|
Еще более распространенным применением источников с кобальтом-60 является гамма-дефектоскопия - в основном толстых сварных швов (от 20 до 200 мм). Технология схожа с получением рентгеновских изображений, только большая толщина металла требует применения излучения с бОльшей энергией, чем может дать рентгеновская трубка. Гамма-дефектоскопы бывают разной мощности (рассчитанные на разную толщину металла) и обычно содержат от 10 до 400 кюри кобальта-60. Так же находят применения более короткоживущие изотопы селен-75 и иридий-192.
|
Переносные лучи смерти, также известные как излучающие головки гамма-дефектоскопов |
|
Кроме перечисленного, источники с кобальтом находят применение (правда узкое) в качестве высотомеров, например, посадочный аппарат корабля "Союз" снабжен подобным устройством, измеряющим поток отраженных от поверхности гамма-квантов и оценивающим расстояние до нее. Подобная технология также используется для измерения высоты жидкости в баках, хотя никаких конкретных примеров производства, где бы был установлен такой измеритель я не нашел.
|
Внешне "Кактус" ничем особо не примечателен |
|
Наконец, важным применением является облучение пластиковых полимеров для улучшения их свойств. Если судить по специализированной брошюрке [ссылка], улучшаются решительно все свойства пластиков за счет образования поперечных химических связей. В основном набор дозы достигается с помощью бета-излучения (т.е. луча электронов из ускорителя), однако примерно 25% таких операций выполняется с помощью панорамных излучателей, схожих с теми, что используются в стерилизации (более того, некоторые центры гамма-стерилизации выполняют и облучение пластиков на том же оборудовании).
|
Впрочем, в основном облучение пластиков производят на вот таких вот электростатических ускорителях электронов с энергией 0,7-1,5 МэВ - из-за их крайне высокой производительности |
|
Медицина
|
В 60-х годах коллимированные источники гамма-излучения на основе радиокобальта были основным средством для радиотерапии |
|
Кобальт-60 активно используется в медицине, в основном в области терапии рака. Хотя этот радиоизотоп на сегодня практически вытеснен из стандартной лучевой терапии ускорительными источниками ионизирующего излучения, он все еще широко находит применение в гамма-ножах и брахитерапии.
|
Принцип действия и реальный гамма-нож. На фотографии, очевидно, макеты источников, иначе бы фотограф получил бы несколько бэр в лучшем случае |
|
Гамма-нож - это устройство для радиохирургии опухолей в головном мозге. Технически установка состоит из нескольких сотен коллимированных источников гамма-излучения, закрытых поглощающей шторкой, расположенных вокруг головы пациента. Для терапии лучи точечных источников пересекаются на опухоли, тем самым создавая в этом месте необходимую мощность дозы. Именно для гамма-ножа нужен кобальт-60 с высокой удельной активностью. Преимуществом 60Co тут является высокая энергия гамма-излучения, слабо поглощаемая тканью и практически моноэнергетичность излучения, в отличии от многих других медицинских изотопов.
|
Еще изображение гамма-ножа и стандартного источника, используемого в нем. Кобальт - это маленькие кусочки материала внизу изображения источника, остальное - это оболочки и коллиматор |
|
Вторым большим применением радиокобальта в медицине является брахитерапия - ввод в опухоль нескольких капсул с радиоизотопом для внутреннего облучения, особенно для тех случаев, когда нужен источник с гамма-излучением высокой энергии (например, рак груди). Здесь 60Co имеет преимущества меньшего повреждения излучением окружающих органов и возможности набора бОльших доз.
|
Радиоактивный источник для брахитерапии рака, устанавливаемый в тело пациента |
|
Наука
Кобальт является удобным изотопом для создания мощных полей гамма-излучения, которые используются в основном при исследовании изменения свойств материалов и оборудования под воздействием гамма-излучения. Например, улучшения свойств пластиков или определения радиационной стойкости микросхем. Порядка 30 подобных облучательных установок работает в лабораториях по всему миру. Облучение кобальтом-60 - высокая мощность дозы (видео):
|
|
Кроме того, кобальт-60 является одним из метрологических стандартов, на котором калибруется все оборудования для измерения мощности гамма-излучения.
|
Типичная лаборатория для калибровки измерительной аппаратуры - слева источник в защите (виден электропривод затвора), тележка для перемещения прибора с установленным поверочным радиометром |
Один из стандартных источников, по которым проверяют и калибруют дозиметры и радиометры |
|
Впрочем, ученые могут использовать и другие игрушки, например 400-гигаваттный импульсный источник гамма-излучения HERMES-III:
|
|
|
Выводы
Несмотря на то, что последние десятилетия источники ионизирующего излучения на базе 60Co вытесняются из некоторых ниш ускорительными ИИИ, этот дешевый и удобный изотоп остается широко используемым источником гамма-излучения. Для атомной индустрии, в свою очередь, он является одним из важнейших продуктов, который востребован за пределами самой индустрии. Более широкое применение радиокобальта, впрочем, сдерживается сложностью и дороговизной мер безопасности, которые приходится предпринимать при транспортировке и использовании радиоактивных материалов. https://tnenergy.livejournal.com/115798.html
|
