من بين جميع النظائر المشعة الاصطناعية المستخدمة من قبل البشرية ، يتم استخدام الكوبالت 60 على نطاق واسع. يحتوي هذا النظير على مزيج من نشاط محدد عالي ، وطاقة إشعاع غاما عالية ، وعمر نصف مناسب ووجود نظير واحد ثابت طبيعي فقط (والذي يبسط التحويل). في الواقع ، تعد مصادر إشعاع غاما التي تعتمد على الكوبالت 60 خيارًا قياسيًا حيثما تكون هناك حاجة إلى فوتونات ذات طاقات أعلى من 1 MeV. اليوم سأخبرك بكيفية الحصول على هذا النظير واستخدامه.
يتم تخفيض المشع البانورامي للكوبالت 60 إلى حوض السباحة من أجل الصيانة. مثل هذا المشع قادر على إنشاء معدل جرعة يصل إلى 2 مليون أشعة سينية في الساعة على مسافة 20 سم من السطح.الإنتاج
الكوبالت 60 هو نظير تنشيط ، أي يتم الحصول عليه نتيجة لامتصاص الكوبالت الطبيعي للنيوترونات 59. هذه العملية لها أقصى قدر من الكفاءة (37 حظيرة) على النيوترونات الحرارية ، وبالتالي ، بشكل عام ، أي مفاعل تقريبًا مناسب للإنتاج.
أكبر منتجي 60 كو في العالم هم مفاعلات القنوات - الماء الثقيل CANDU (الكندي بروس NPP ، الكوري Wolsong والأرجنتيني Embalse) والجرافيت الماء RBMKs المثبتة في Leningrad NPP. ميزة مفاعلات القناة هي إمكانية تفريغ وتحميل الأهداف المشعة ، بغض النظر عن دورة تشغيل المفاعل.
هدف تشعيع الكوبالت في المفاعل الأمريكي ATR.بالمناسبة ، كان أحد أحدث التغييرات المهمة في سوق الكوبالت هو مشروع إنتاج هذا النظير في بطانيات مفاعل BN-800 ، والذي يوفر تدفقًا نيوترونيًا كبيرًا ويسمح لك بالحصول على منتج ذو نشاط محدد عالي بشكل أسرع. ومع ذلك ، لن يظهر المنتج الأول حتى عام 2019.
عملية إنتاج الكوبالت -60 نفسها بسيطة نسبيًا (بالنسبة إلى 238Pu ، على سبيل المثال). يتم وضع أشكال مختلفة من معدن الكوبالت (طلقة ، سلك ، عناصر أسطوانية) في هدف مصنوع من الزركونيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ ، مثبتة في جهاز تشعيع ، ويتم إنزالها في المفاعل. بعد التعرض للنشاط المطلوب ، يتم استخراج الأهداف وفتحها في غرفة ساخنة ، ويتم فرز الكوبالت 60 حسب النشاط وإعادة تعبئتها إلى المصادر ، وبعد ذلك يتم شحنها إلى العميل.
عناصر مصنوعة من الكوبالت الطبيعي ، وقلم رصاص مزدوج الجدار ، وجهاز لنقل أقلام الرصاص وحاوية بجدران 27 سم من الرصاص والفولاذ للنقل تزن حوالي 6 أطنان.يبلغ إجمالي إنتاج الكوبالت 60 في العالم اليوم حوالي 75 مليون كوري سنويًا ، وينقسم إلى نوعين: الكوبالت مع نشاط منخفض ومتوسط (يصل إلى 100 كوري لكل غرام) والكوبالت عالي النشاط (250+ كوري لكل غرام). يعتبر هذا الأخير منتجًا عالي التقنية ويستخدم بشكل رئيسي في التطبيقات الطبية ؛ يبلغ إنتاجه ~ 2.5 مليون كوري سنويًا. بتكلفة كوري واحد من الكوبالت منخفض النشاط حوالي 2 دولار لكل كوري ونشط للغاية حوالي 25 دولارًا لكل كوري ، يبلغ إجمالي السوق لهذا النظير ~ 200 مليون دولار ، متجاوزًا 99Mo والسيليكون المخدر نوويًا من حيث الحجم. بالمناسبة ، من حيث التكلفة ، يبدو أن هذا هو أرخص (أو واحد من أرخص) بواعث غاما المشعة - على الأقل عدة مرات أرخص من 137C و 90Sr من حيث 1 كوري.
أهداف محددة عالية النشاط مشععة بالكوبالت في مجموعة التعرض لـ Bruce NPPلماذا يوجد طلب 60Co كثيرًا (والسوق ينمو بمعدل 4٪ سنويًا)؟ يتحلل الكوبالت 60 إلى أشعة جاما التي ينبعث منها 60 ني بطاقة تصل إلى 1.3 ميجا فولت ، والتي تخترق بعمق أي مادة تقريبًا وفي نفس الوقت تتمتع بقدرة تأين عالية. أثناء التعقيم ، يسمح لك هذا ، على سبيل المثال ، "بإضاءة" كميات كبيرة من المنتج على الفور ، وعند قياس سمك المادة - لقياس الأجزاء المعدنية السميكة جدًا التي لا يمكن الوصول إليها من قبل وحدات الأشعة السينية.
الزيادة في النشاط المحدد لأهداف الكوبالت أثناء التشعيع في مفاعل بتدفق 10 ^ 14 n / cm ^ 2 * cبالإضافة إلى ذلك ، فإن عمر النصف للكوبالت 60 هو 5.27 سنة. من ناحية ، كلما زاد عمر النصف ، كلما عمل المصدر لفترة أطول ، ولكن من ناحية أخرى ، كلما كانت عملية دفنه أكثر تعقيدًا وتكلفة. في حالة 60Co ، حالة نموذجية لمشعّة بانورامية (حولها أدناه) ، تحتوي في البداية على 6000-8000 Ci (100 جرام من الكوبالت مع نشاط محدد 60-80 Ci / g) بعد 20 عامًا من الاستخدام ، لديها 431-576 Ci ويمكن إطلاقها من الفئة النفايات المشعة بعد 120-130 سنة ، أي لا يتطلب دفنًا مكلفًا تحت الأرض ، ولكن التخزين فقط. في الوقت نفسه ، لم تعد النظائر التي تنبعث من جاما مع نصف عمر أقصر ، على سبيل المثال 22Na مع نصف عمر 2.6 سنة و 192 Ir مع نصف عمر 78 يومًا ، لم تعد ملائمة من حيث تكرار الاستبدال وأحجام اللوجستيات المرتبطة بها (الصوديوم أيضًا يجد تطبيقًا واسعًا بسبب النشاط الكيميائي وتورم المصادر من منتج الاضمحلال - النيون).
لا يزال هناك عدد قليل من الحاويات لنقل الكوبالت 60. في كل عام ، يتم إجراء حوالي 1000 عملية نقل لهذه الحاويات في العالم.المنافس الرئيسي لـ 60Co هو نظير تجزئة 137C سيئ السمعة. تشمل مزايا الكوبالت هنا:
- عملية إنتاج أبسط لا تتطلب كيمياء إشعاعية
- ضعف طاقة إشعاع جاما
- السيزيوم هو عنصر كيميائي نشط للغاية ومتغير.
- سيستغرق إطلاق السيزيوم 137 من فئة النفايات المشعة مئات السنين.
أين ينطبق كوبالت 60؟
التعقيم
السوق الرئيسي حيث يتم استخدام 60Co هو تعقيم الأجهزة الطبية ومجموعة متنوعة من المنتجات الغذائية ، مثل التوابل والمأكولات البحرية والمانجو. عادة ، يتم تنفيذ هذه العمليات في محطات التعقيم المركزية ، حيث يتم تركيب مشع بانورامي يحتوي على 2-4 مليون كوري من الكوبالت 60 وناقل يتحرك المنتجات المعقمة حول هذا المشعاع.
يتم استخدام المشعات البانورامية من علب الأقلام المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ مع أقراص الكوبالت. عادة ما تحتوي علبة القلم الرصاص على جدار مزدوج ويتم فحصها للتأكد من عدم وجود تسرب.يحتوي تعقيم جاما على بديلين متشابهين - تعقيم الأشعة السينية وتعقيم الحزمة الإلكترونية. الفرق التكنولوجي بين النوعين الأخيرين هو استخدام مسرع صغير لإنشاء تيار إلكتروني (وبدلاً من ذلك ، إشعاع الأشعة السينية من تيار الإلكترون هذا). ميزة تعقيم الكوبالت هنا هي جهاز أبسط والقدرة على العمل بكميات كبيرة من المواد المشعة ، والعيب هو عدم القدرة على "إيقاف" الإشعاع (على الرغم من أن هذا يتم حله عن طريق غمر المشعاعات في بركة من الماء) ، والعمل بكميات كبيرة من المواد المشعة وانخفاض الجرعات المتاحة مقارنةً مع شعاع الإلكترون.
خطة لمركز تعقيم جاما نموذجي. يتحرك ناقل يحتوي على منتجات مشععة حول المشع البانورامي ، وتحيط بغرفة المعالجة الحماية الحيوية من جميع الجوانب ، ويمكن خفض المشعع البانورامي نفسه إلى حوض السباحة للعمل مع معدات غرفة التشعيع. يتم استبدال حالات قلم الكوبالت أيضًا تحت الماء.بالنسبة إلى المعقم البانورامي النموذجي ، فإن وقت التشعيع من عدة ثوان (على سبيل المثال ، يستغرق تعقيم الحشرات لقمع سكانها في الطبيعة الكثير) ما يصل إلى 10 ساعات للمجموعات الصيدلانية من أجل الحقن في الوريد أو المعدات الجراحية. علاوة على ذلك ، في غرفة التعقيم على الناقل يمكن أن تصل إلى عدة أطنان ، أي الأداء العام لهذه الطريقة مرتفع جدًا.
فيديو عن عمل مركز تعقيم جاما.ومع ذلك ، على الرغم من عيوب تعقيم الحزمة الإلكترونية (يمكن أن تشمل أيضًا تكلفة الكهرباء والعمل فقط مع طبقة 2-3 سم) ، فإن هذه الطريقة تغزو السوق تدريجيًا من تعقيم الكوبالت بسبب إمكانية توصيل المعجل إلى كل مستشفى كبير و ليس لديهم مشاكل في الخدمات اللوجستية.
وتقدر الوكالة الدولية للطاقة الذرية أن هناك حوالي 200 مركز تعقيم كبير مع مشعات بانورامية تعمل في العالم.
تطبيق صناعي
هناك العديد من المجالات حيث يتم استخدام مصادر الكوبالت 60 في الصناعة. الأقدم والأكثر تطورًا هي مقاييس السُمك وأجهزة قياس الكثافة. كما يوحي الاسم ، يتم تحديد سمك مادة ذات كثافة أو كثافة معروفة بسماكة معروفة (على سبيل المثال ، محتوى الخام في اللب) عن طريق امتصاص إشعاع غاما من المصدر إلى الكاشف. يتم استخدام عشرات الآلاف من هذه الأجهزة في العالم ، وهي مجهزة بشكل أساسي بمصادر مع 137C و 60Co ، على الرغم من استخدام النظائر مثل 22Na في بعض الأحيان. علاوة على ذلك ، بالمقارنة مع المشعات البانورامية ، فإن محتوى النظائر المشعة صغير هنا - عادة 1 ... 10 كوري.
إلى جانب الاستخدامات الأخرى ، يعد قياس كثافة التربة والرطوبة أحد أكثرها فاعلية.من أكثر التطبيقات شيوعًا للمصادر بالكوبالت 60 هو فحص أشعة جاما - بشكل رئيسي اللحامات السميكة (من 20 إلى 200 مم). تشبه التكنولوجيا الحصول على صور الأشعة السينية ، فقط سمك كبير للمعدن يتطلب استخدام الإشعاع بطاقة أكبر مما يمكن أن يعطيه أنبوب الأشعة السينية. تأتي مكشافات عيب أشعة جاما بسعات مختلفة (محسوبة لسمك معدني مختلف) وعادة ما تحتوي على 10 إلى 400 كوري من الكوبالت 60. كما تستخدم نظائر السيلينيوم 75 والإيريديوم 192 الأقل عمرًا.
أشعة الموت المحمولة باليد ، والمعروفة أيضًا برؤوس كاشفات أشعة جامابالإضافة إلى ما سبق ، فإن المصادر التي تحتوي على تطبيق الكوبالت تجدها (وإن كانت ضيقة) كمقياس الارتفاع ، على سبيل المثال ، تم تجهيز جهاز هبوط Soyuz بجهاز مماثل يقيس تدفق أشعة غاما المنعكسة من السطح ويقدر المسافة إليه. يتم استخدام تقنية مماثلة أيضًا لقياس ارتفاع المواد الصلبة السائبة في الحاويات ، على الرغم من أنني لم أجد أي أمثلة إنتاج محددة حيث تم تركيب هذا العداد.
خارجياً ، "الصبار" غير ملحوظ بشكل خاص.أخيرًا ، من التطبيقات المهمة تشعيع البوليمرات البلاستيكية لتحسين خواصها. من خلال هذا الكتيب ، يحسن بشكل حاسم جميع خصائص المواد البلاستيكية بسبب تكوين الروابط الكيميائية المستعرضة. بشكل أساسي ، يتم تحقيق مجموعة جرعات باستخدام إشعاع بيتا (أي شعاع إلكترون من المسرع) ، ومع ذلك ، يتم تنفيذ حوالي 25 ٪ من هذه العمليات باستخدام بواعث بانورامية مماثلة لتلك المستخدمة في التعقيم (علاوة على ذلك ، بعض مراكز تعقيم جاما إجراء تشعيع لدائن على نفس المعدات).
ومع ذلك ، يتم تشعيع البلاستيك بشكل أساسي بمسرعات الإلكتروستاتيك الإلكتروستاتيكية هذه بطاقات تتراوح من 0.7 إلى 1.5 MeV ، نظرًا لمعدل الجرعات العالية للغاية.الطب
في الستينيات ، كانت المصادر المتوازنة لإشعاعات جاما القائمة على راديو الكوبالت هي الوسيلة الرئيسية للعلاج الإشعاعي.يستخدم الكوبالت 60 بنشاط في الطب ، بشكل رئيسي في مجال علاج السرطان. على الرغم من أن هذا النظائر المشعة قد تم استبداله عمليا الآن من العلاج الإشعاعي القياسي من خلال تسريع مصادر الإشعاع المؤين ، فإنه لا يزال يستخدم على نطاق واسع في سكاكين جاما والعلاج الموضعي.
مبدأ العمل وسكين غاما الحقيقي. في الصورة ، من الواضح ، تخطيطات المصادر ، وإلا كان المصور سيحصل على عدد قليل من ريمس في أحسن الأحوال.سكين غاما هو جهاز لجراحة الأورام بالأشعة في الدماغ. من الناحية الفنية ، يتكون التثبيت من عدة مئات من مصادر أشعة غاما المتوازنة المغطاة بستارة ماصة تقع حول رأس المريض. للعلاج ، تتقاطع أشعة المصادر النقطية مع الأورام ، مما يخلق معدل الجرعة اللازمة في هذا المكان. لسكين غاما يتطلب الكوبالت 60 مع نشاط محدد عالي. ميزة 60Co هنا هي الطاقة العالية لأشعة جاما ، التي يمتصها النسيج بشكل ضعيف وإشعاع الطاقة الأحادية تقريبًا ، على عكس العديد من النظائر الطبية الأخرى.
صورة أخرى لسكين جاما والمصدر القياسي المستخدم فيه. الكوبالت عبارة عن قطع صغيرة من المواد في الجزء السفلي من الصورة المصدر ، والباقي عبارة عن قذائف وميزان.الاستخدام الرئيسي الثاني للكوبالت المشع في الطب هو العلاج الإشعاعي - حقن عدة كبسولات مع نظير مشع في الورم للإشعاع الداخلي ، خاصة في الحالات التي تحتاج فيها إلى مصدر يحتوي على إشعاع غاما عالي الطاقة (على سبيل المثال ، سرطان الثدي). هنا ، يتميز 60Co بمزايا الضرر الإشعاعي الأقل للأعضاء المحيطة وإمكانية الجرعات العالية.
مصدر مشع لعلاج السرطان الموضعي الذي يتم إدخاله في جسم المريض.العلم
يعتبر الكوبالت نظيرًا مناسبًا لإنشاء حقول إشعاع جاما القوية ، والتي تستخدم بشكل رئيسي في دراسة التغيرات في خصائص المواد والمعدات تحت تأثير إشعاع غاما. على سبيل المثال ، تحسين خصائص البلاستيك أو تحديد المقاومة الإشعاعية للدوائر الدقيقة. تعمل حوالي 30 منشأة تشعيع في مختبرات حول العالم.
بالإضافة إلى ذلك ، يعد الكوبالت 60 أحد المعايير المترولوجية التي يتم فيها معايرة جميع أجهزة قياس أشعة جاما.
المختبر النموذجي لمعايرة معدات القياس هو المصدر في الحماية على اليسار (محرك الغالق الكهربائي مرئي) ، عربة لتحريك الجهاز باستخدام مقياس إشعاع معايرة مثبت.
أحد المصادر القياسية التي يتم من خلالها فحص ومعايرة الجرعات وأجهزة قياس الإشعاع في بلدنا.ومع ذلك ، يمكن للعلماء استخدام ألعاب أخرى ، على سبيل المثال ، مصدر نبض 400 جيجاوات من إشعاع غاما HERMES-III
الاستنتاجات
على الرغم من حقيقة أنه في العقود الأخيرة ، تم استبدال مصادر 60Co للإشعاع المؤين من بعض المنافذ عن طريق تسريع مصادر الإشعاع ، يظل هذا النظير الرخيص والمريح مصدرًا واسع النطاق لإشعاع غاما. وبالنسبة للصناعة النووية ، فهي بدورها من أهم المنتجات المطلوبة خارج الصناعة نفسها. ومع ذلك ، فإن الاستخدام الواسع للكوبالت الراديوي مقيد بتعقيد وتكلفة التدابير الأمنية التي يجب اتخاذها أثناء نقل واستخدام المواد المشعة.
سكرتير خاص وحول قنبلة الكوبالت. هذه الفكرة التي تم نشرها على نطاق واسع من الخمسينيات ليس لها معنى عملي يذكر. أولاً ، لا تحتوي الذخائر النووية الحديثة على عدد كبير من النيوترونات الزائدة لتنشيط كميات ملحوظة من الكوبالت ، وثانيًا ، فإن عملية التنشيط هذه بواسطة النيوترونات السريعة ليست فعالة للغاية ، ثالثًا ، الذخائر النووية بسبب خطوات الانشطار تعطي كميات كبيرة من النويدات المشعة ، وما إلى ذلك. علاوة على ذلك ، تؤدي الاختلافات الأخيرة في المظهر الجانبي المتساقط لهطول الأمطار في انفجار نووي إلى حقيقة أنه حتى مع زيادة كمية النويدات المشعة بمقدار 2-3 مرات ، فإننا نزيد قليلاً من المنطقة المصابة.