Кобальт 60 в быту и на работе

    Среди всех искусственных радиоактивных изотопов, используемых человечеством наиболее широкое применение нашел кобальт 60. Этот изотоп имеет сочетание высокой удельной активности, высокой энергии гамма-излучения, удобного периода полураспада и наличия всего одного природного стабильного изотопа (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 применяют этот изотоп.

    image
    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.

    image
    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 (относительно 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.

    image
    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 среднеей активностью (до 100 кюри на грамм) и высокоактивный кобальт (250+ кюри на грамм). Последний считается высокотехнологичным продуктом и используется в основном в медицинских применениях, 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.

    image
    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.

    image
    Рост удельной активности кобальтовых мишеней при облучении в реакторе с потоком 10^14 н/см^2*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).

    image
    Еще немножко контейнеров для перевозки кобальта 60. Ежегодно в мире совершается около 1000 перевозок подобных контейнеров.

    Основным конкурентом 60Co является небезизвестный 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.

    image
    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.

    image
    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.

    image
    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 (расчитанные 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.

    image
    Переносные лучи смерти, так же известные как излучающие головки гамма-дефектоскопов

    Кроме перечисленного, источники с кобальтом находят применение (правда узкое) в качестве высотомеров, например посадочный аппарат КК “Союз” снабжен подобным устройством, измеряющим поток отраженных от поверхности гамма-квантов и оценивающим расстояние до нее. Подобная технология также используется для измерения высоты сыпучих веществ в емкостях, хотя никаких конкретных примеров производства, где бы был установлен такой измеритель я не нашел.

    image
    Внешне «Кактус» ничем особо не примечателен.

    Наконец, важным применением является облучение пластиковых полимеров для улучшения их свойств. Если судить по этой брошюрке, 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).

    image
    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 дозовой производительности.

    Медицина


    image
    В 60х 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.

    image
    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.

    image
    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.

    image
    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.



    Кроме того, кобальт 60 является одним из метрологических стандартов, на котором калибруется все оборудования для измерения мощности гамма-излучения.

    image
    Типичная лаборатория для калибровки измерительной аппаратуры — слева источник в защите (виден электропривод затвора), тележка для перемещения прибора с установленным поверочным радиометром.

    image
    Один из стандартных источников, по которым проверяют и калибруют дозиметры и радиометры у нас в стране.

    Впрочем ученые могут использовать и другие игрушки, например 400 гигаваттный импульсный источник гамма-излучения HERMES-III

    image

    Выводы


    Не смотря 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.

    P.S. И про кобальтовую бомбу. Эта широко разрекламированная идея из 50х годов на деле имеет мало практического смысла. Во-первых в современных ядерных боеприпасах нет большого количества лишних нейтронов, что бы активировать заметные количества кобальта, во-вторых и сам этот процесс активации быстрыми нейтронами не сильно эффективен, в-третьих ядерных боеприпас за счет ступеней деления и так дает большие объемы радионуклидов, причем разных, наконец экспоненциальные профили выпадения осадков ядерного взрыва приводят к тому что, даже увеличив количество радионуклидов в 2-3 раза мы слабо увеличиваем зараженную территорию.
    Share post
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More
    Ads

    Comments 41

      0
      А какой слой воды нужен для защиты от гамма-излучения уровня 2 млн. рентген в час? На видео про гамма-стерилизацию резервуар с водой выглядит весьма скромно.
        +2

        Порядка двух метров.

          0

          Получается человек вблизи такого за секунды может хватануть несколько летальных доз?

            0

            Да, причем при такой мощности дозы потеряет сознание и умрет практически мгновенно.

              0
              Возникает мысль, нельзя ли использовать подобный излучатель как оружие. Например, маскируем такой источник под небольшой кусок ржавого железного листа, в контейнере перевозим в зону боевых действий, с помощью коптера и длинной лески он переносится на тропу, где вскоре пройдёт большой караван террористов. Прошедший по нему караван ловит ОЛБ. Нет ни опасного боя, ни демаскирующей стрельбы. Понятно, что придумал на ходу и звучит топорно, но можно придумать что-то и получше в том же ключе.
                +6

                Как мне показалось, дешевле будет забросать террористов золотыми кирпичами. По крайней мере, нет опасности, что радиоактивные материалы попадут в руки террористов.

                  +1
                  а можно ещё кассетные бомбы сбрасывать… хотя… почему-то тоже нельзя…
                    0
                    Ээ? Почему нельзя? И кому? Они есть на вооружении практически всех стран.
                      0
                      я хотел обыграть физическую возможность и морально-этическую недопустимость подобного… вышло пожалуй тоньше чем хотелось.

                      так-то да увы главные производители оружия конвенцию на полный запрет не подписали и скорее всего никогда не подпишут… ну хоть в густонаселённых районах обещали не применять.
                        +3
                        Ну, как бы альтернативы-то у военных нет. Либо разбросать на территории кучу маленьких зарядов, либо бросить заряд настолько большой мощности, что покроет всю эту территорию. Мораль тут такая, что воевать не надо вообще.
                          0
                          альтернатива всегда есть. просто кому-то проще её не искать, увы это нормально.
                          0
                          Какая к дьяволу мораль? Кто перекуёт мечи на орала — будет пахать на тех, кто не перековал.
                          А конкретно кассетные боеприпасы ничем не аморальнее других обычных видов вооружения.
                            –1
                            одно дело нажимать на курок вбирая цель, другое разбрасывать мины которые взорвутся в случайный момент в будущем и поразят случайную цель…
                              0
                              одно дело нажимать на курок вбирая цель, другое разбрасывать мины которые взорвутся в случайный момент в будущем и поразят случайную цель…

                              Вот, блин, цели большая разница, от пули умереть или от взрыва. Хватил лицемерия, неварварского оружия не бывает.
                              Ещё скажите, что пехотинец не случайно цель выбирает. У него тоже есть стандартная процедура опознания цели и принятия решения на её уничтожения.
                                –2
                                варварское? мы тут про гуманизм это несколько разные понятия не знаю как их можно смешивать…

                                и да у пехотинца есть выбор и возможность оценить сопутствующий ущерб.( не у каждого) у кассетной бомбы нет таких возможностей, кассетные бомбы слишком случайны и принципиально не точны…
                                  +1
                                  Гуманизм тоже сдох в корчах как только на сцене появилось оружие. Ещё раз: хватит лицемерить.

                                  У пехотинца нет выбора. У него есть приказ. И цель он может опознать только как «человек там, где не положено» — большего возможности наблюдения не позволяют.
                                    0
                                    ну если так оценивать, то вообще никакого выбора ни у кого нет… там инстинкты, тут рефлексы… и всегда только две противоположные стороны.

                                    останусь пожалуй в более вариативной системе оценок и недоумении при чём тут лицемерие вообще к обсуждаемому вопросу… но ок. я понимаю, проще придерживаться простых высококатегоричных парадигм.
                                      +2
                                      Лицемерие при том, что Вы, вероятно, считаете один вид оружия гуманнее другого. У меня такая дичь в голове не укладывается. И, да, я был военным.
                                        0
                                        более того я настаиваю на широком спектре значений гуманности для оценки применения… всего.
                                        более того оценка гуманности оружия учитывает не только тип применяемого оружия, но и цели применения.

                                        на всякий случай, я не считаю что называя что-то гуманным это становится правильным или оправдывает что-либо.

                                        тем не менее всё ещё не ясно при чём тут лицемерие, вероятно тут нужен какой-то другой маркер-упрёк, выражающий ваше со мной несогласие и\или непринятие моей точки зрения. но скорее всего вы как и многие люди домысливаете что-то сверх того что я написал… тут могу только сверяться со статистикой и строить модели.
                                          +1
                                          Хотел было написать про неверную оценку кассетных боеприпасов в этом контексте.
                                          Но мне вся ваша идея кажется попыткой перевалить с больной головы на здоровую.
                                          Я считаю, более того, я настаиваю, что раз появилась военная необходимость убить вражеского солдата — о гуманизме думать уже поздно.
                                          А рассуждения о «широком спектре» — это попытка отмыть свои руки (да, я хоть ни разу и не воевал, но я отношу себя к тем, кому в случае войны придётся).

                                          Впрочем, пожалуй, всё-таки допишу: мне кажется, что у Вас неверное или неточное представление о том, что собой представляет кассетный боеприпас.
                                          Суббоеприпасы-то могут быть любыми. Я, например, сперва подумал о противотанковых суббоеприпасах, в которых не вижу ничего особенного.
                                          Если Вы имеете в виду средство дистанционного минирования (в частности — противопехотного), исполненное в виде кассетного боеприпаса, то проблема не в боеприпасе, а в минировании. Способ минирования — вопрос десятый, важна цель минирования и конкретная номенклатура устанавливаемых изделий.
                                          Минное поле может быть оборонительным и наступательным. Против первого — не понимаю, какие могут быть возражения, на нём подрываются только те, кто сам на него полез. Второе — штука неоднозначная, честно говоря, не представляю какая военная необходимость могла бы потребовать его установки…
                                          Что касается устанавливаемых изделий. Например, РФ придерживается второго протокола Женевской конвенции для большинства видов боеприпасов, в частности, пункта, требующего наличия у боеприпаса самоликвидации по истечении заданного времени. Т.е. мины не останутся в земле после прекращения боевых действий, следовательно не угрожают нокомбатантам.
                      0
                      Насколько я помню, нечто подобное (только там рентгеновская трубка использовалась) пытался использовать кто-то в США — не помню только против кого. Но там фигурировала машина и направленное рентгеновское излучение.
                +3
                Каждые 18 см слоя воды снижают дозу радиации в два раза. Чтобы сравняться по уровню излучения с природным фоном (около 20 мкР/ч) — потребуется примерно 4,5 метра. Чтобы показательно сильно не повышали природный фон — потребуется примерно 5,5-6 метров.
                  0
                  и все равно они там все лысые ходят… как то боязно выглядит. И еще светится все это дело красиво
                    +1

                    Намного дополню. Слой половинного ослабления зависит от энергии. Причем зависит очень сильно. В вики указывается толщина слоя для какого то сферического излучения в вакууме. Для излучения кобальта-60 толщина слоя половинного ослабления будет еще меньше.


                  +2
                  В бассейнах черенковское излучение от гамма-источника?
                    0

                    От бета-излучения. Кобальт и бета-источник неплохой.

                      +1

                      На самом деле гамма-кванты неплохо выбивают электроны из молекул воды (собственно, поэтому излучение и ионизирующее) и вот эти выбитые электроны оставляют не меньше черенковского излучения, чем бета-излучения кобальта (которое имеет очень низкую энергию, и в случае стерилизатора скорее всего за стенки пенала не выходи).

                    +2

                    Если излучение производится сшивка полимеров(тот же сшитый полиэтилен для труб) то… разве не происходит подобной сшивки в продуктах питания?

                      +2

                      Очень разные дозы используются для стерилизации и сшивки (в 30...100 раз). Вот стерилизация медицинских изделий с пластиком требует аккуратного подхода.

                      • UFO just landed and posted this here
                          0

                          Ну, положим, коллаген способен сшиваться. Но рубцевание шва — это образование коллагена, излучение тут никак не поможет.

                        –1

                        Я, наверное, чего-то в этой жизни не понимаю… да какая разница, что доза разная? Доза — это количество гамма-квантов верно? Т.е. сшивка все равно будет происходить только в количество будет в 30-100 раз меньше. А стериолизуют от чего? Да и сама стерилизация — это повреждение клеток. Т.е. побочные продукты такой стерилизации должны присутствовать. Инте ре мно бы было почитать, что и в каких количествах образуется и как это сказывается на организме потребителя.

                          +1

                          Стерилизация заключается в разрушении ДНК (РНК, ещё каких-нибудь уязвимых молекул) микроорганизмов. Причём в первую очередь не напрямую радиацией, а образующимися во время облучения свободными радикалами, в основном из воды. (inb4 — естественно, эти радикалы успевают благополучно прореагировать задолго до попадания к потребителю) Необходимые для стерилизации дозы — 25 кГр (рекомендуемая по ISO) для медицинского оборудования и до 10 кГр для продуктов (редко больше). Как правило, стараются в первую очередь именно не ухудшить пищевые качества.


                          Сшивка происходит только в определённых полимерах, типа полиэтилена и ПВХ, часто в присутствии специальных добавок, ускоряющих сшивку, и дозы требуются от нескольких десятков (для красок и покрытий) до сотен килоГрей.

                            0
                            В любом случае свободные радикалы "портят" продукт — в нем появляются соединения, которых там не было. На сколько они полезны/вредны — вопрос.
                              +3

                              Безусловно, портят, и безусловно, такой вопрос стоит.


                              И, представьте себе, проводятся исследования, которые для различных продуктов устанавливают допустимые дозы облучения. Допустимые — значит такие, при которых получающиеся вещества безопасны. Как я выше сказал, это дозы до 10 кГр. А вы думали, эти значения с потолка берутся?

                          0
                          А зачем стерилизовать манго радиацией? Почему именно манго?
                            +2

                            Дорогостоящий быстропортящийся продукт. Чем бы предложили его стерилизовать вы?

                              +1
                              Просто заинтересовало почему не ананас, клубника или там маракуя, а именно манго. Как будто в манго что-то особо заразное.
                                +1

                                Ну, ананас вроде сам по себе достаточно "живуч", а в отношении остального — может и стерилизуют. Просто я знаю только про манго :)

                                  +1
                                  Плотная корка, через которую не налезут новые бактерии.
                              0
                              В неразрушающем контроле (толщинометрии и контроле швов) на Сахалине мы применяем в основном иридий, на объектах иностранных компаний кобальт и вовсе запрещен — слишком высокая интенсивность и большой период полураспада. Если такая таблеточка упадет в море рядом с платформой последствия будут не самые приятные. Если требуются более высокие энергии — выручает бетатрон (обычно используется бетатрон мощностью 7МЭВ)

                              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.