Kobalt 60 zu Hause und bei der Arbeit

Unter allen künstlichen radioaktiven Isotopen, die von der Menschheit verwendet werden, ist Kobalt 60 am weitesten verbreitet. Dieses Isotop weist eine Kombination aus hoher spezifischer Aktivität, hoher Gammastrahlungsenergie, einer geeigneten Halbwertszeit und dem Vorhandensein nur eines natürlichen stabilen Isotops auf (was die Transmutation vereinfacht). Tatsächlich sind Gammastrahlungsquellen auf Cobalt 60-Basis eine Standardoption, wenn Photonen mit Energien über 1 MeV benötigt werden. Heute werde ich Ihnen sagen, wie Sie dieses Isotop erhalten und verwenden können.


Die Panorama-Bestrahlung aus Kobalt 60 wird zur Wartung in den Pool abgesenkt. Ein solcher Bestrahler kann eine Dosisleistung von bis zu 2 Millionen Röntgenstrahlen pro Stunde in einem Abstand von 20 cm von der Oberfläche erzeugen.

Produktion

Kobalt 60 ist ein Aktivierungsisotop, d.h. Es wird durch Absorption von Neutronen durch natürliches Kobalt 59 erhalten. Dieses Verfahren hat einen maximalen Wirkungsgrad (37 bar) gegenüber thermischen Neutronen, daher ist im Allgemeinen fast jeder Reaktor für die Produktion geeignet.

Die größten 60Co-Hersteller der Welt sind Kanalreaktoren - Schwerwasser-CANDU (kanadisches Bruce-KKW, koreanisches Wolsong und argentinisches Embalse) und im Leningrader KKW installierte Wassergraphit-RBMK. Der Vorteil von Kanalreaktoren ist die Möglichkeit, bestrahlte Ziele unabhängig vom Betriebszyklus des Reaktors zu entladen und zu laden.


Ziel für die Bestrahlung von Kobalt im amerikanischen Reaktor ATR.

Eine der letzten bedeutenden Veränderungen auf dem Kobaltmarkt war übrigens das Projekt zur Herstellung dieses Isotops in Decken des BN-800-Reaktors, das einen großen Neutronenfluss liefert und es Ihnen ermöglicht, ein Produkt mit hoher spezifischer Aktivität schneller zu erhalten. Das erste Produkt wird jedoch erst 2019 erscheinen.

Das Verfahren zur Herstellung von Cobalt-60 selbst ist relativ einfach (beispielsweise im Vergleich zu 238Pu). Verschiedene Formen von Kobaltmetall (Schrot, Draht, zylindrische Elemente) werden in ein Target aus Zirkonium oder Edelstahl gegeben, in eine Bestrahlungsvorrichtung eingebaut und in den Reaktor abgesenkt. Nach dem Aussetzen an die gewünschte Aktivität werden die Ziele extrahiert, in einer heißen Kammer geöffnet, Kobalt-60 wird nach Aktivität sortiert und in Quellen umgepackt, wonach es an den Kunden versendet wird.


Elemente aus natürlichem Kobalt, ein doppelwandiges Federmäppchen, ein Gerät zum Transport von Federmäppchen und ein Behälter mit 27-Zentimeter-Wänden aus Blei und Stahl für den Transport mit einem Gewicht von fast 6 Tonnen.

Die Gesamtproduktion von Kobalt 60 in der Welt beträgt heute etwa 75 Millionen Curies pro Jahr, die in zwei Arten unterteilt sind: Kobalt mit geringer und mittlerer Aktivität (bis zu 100 Curie pro Gramm) und hochaktives Kobalt (250+ Curie pro Gramm). Letzteres gilt als High-Tech-Produkt und wird hauptsächlich in medizinischen Anwendungen eingesetzt. Die Produktion beträgt ~ 2,5 Millionen Curies pro Jahr. Bei einem Preis von einem Curie Kobalt mit geringer Aktivität von etwa 2 USD pro Curie und einem hochaktiven Kobalt von etwa 25 USD pro Curie beträgt der Gesamtmarkt für dieses Isotop ~ 200 Mio. USD und übersteigt das Volumen von 99 Mo und kerndotiertem Silizium. Übrigens scheint es in Bezug auf die Kosten der billigste (oder einer der billigsten) radioaktive Gammastrahler zu sein - mindestens ein Vielfaches billiger als 137Cs und 90Sr in Bezug auf 1 Curie.


Mit hoher spezifischer Aktivität bestrahlte Ziele mit Kobalt im Expositionspool des KKW Bruce

Warum ist 60Co so gefragt (und der Markt wächst mit einer Rate von 4% pro Jahr)? Cobalt 60 zerfällt in 60Ni emittierende Gammastrahlen mit einer Energie von ~ 1,3 MeV, die tief in nahezu jedes Material eindringen und gleichzeitig eine hohe Ionisierungsfähigkeit aufweisen. So können Sie beispielsweise während der Sterilisation sofort große Mengen des Produkts „beleuchten“ und bei der Messung der Materialdicke sehr dicke Metallteile messen, die für Röntgengeräte unzugänglich sind.


Die Zunahme der spezifischen Aktivität von Kobalttargets während der Bestrahlung in einem Reaktor mit einem Fluss von 10 ^ 14 n / cm ^ 2 * c

Darüber hinaus hat Kobalt 60 eine recht günstige Halbwertszeit von 5,27 Jahren. Einerseits, je höher die Halbwertszeit, desto länger arbeitet die Quelle, andererseits ist der Prozess ihrer Bestattung umso komplizierter und teurer. Im Fall von 60Co hat ein typischer Fall für einen Panorama-Bestrahler (ungefähr unten), der zu Beginn etwa 6000-8000 Ci (100 g Kobalt mit einer spezifischen Aktivität von 60-80 Ci / g) nach 20 Jahren Gebrauch enthält, 431-576 Ci und kann aus der Kategorie freigesetzt werden radioaktiver Abfall nach 120-130 Jahren, d.h. Es erfordert keine teure unterirdische Bestattung, sondern nur Lagerung. Gleichzeitig sind Gamma-emittierende Isotope mit einer noch kürzeren Halbwertszeit, beispielsweise 22Na mit einer Halbwertszeit von 2,6 Jahren und 192Ir mit einer Halbwertszeit von 78 Tagen, hinsichtlich der Austauschhäufigkeit und der damit verbundenen Logistikvolumina (auch Natrium) nicht mehr so ​​bequem findet breite Anwendung aufgrund chemischer Aktivität und Quellung von Quellen aus dem Zerfallsprodukt (Neon).


Es gibt noch einige Container für den Transport von Kobalt 60. Jedes Jahr werden weltweit rund 1000 Transporte solcher Container durchgeführt.

Der Hauptkonkurrent von 60Co ist das berüchtigte Fragmentierungsisotop von 137C. Die Vorteile von Kobalt sind hier:

• Ein einfacherer Produktionsprozess, der keine Radiochemie erfordert
• Zweimal die Gammastrahlungsenergie
• Cäsium ist ein extrem chemisch aktives und flüchtiges Element.
• Die Freisetzung von Cäsium 137 aus der Kategorie der radioaktiven Abfälle wird Hunderte von Jahren dauern.

Wo gilt Cobalt 60?

Sterilisation

Der Hauptmarkt, auf dem 60Co verwendet wird, ist die Sterilisation von Medizinprodukten und einer Vielzahl von Lebensmitteln wie Gewürzen, Meeresfrüchten und Mangos. Typischerweise werden diese Vorgänge an zentralen Sterilisationsstationen durchgeführt, an denen ein Panorama-Bestrahlungsgerät installiert ist, das 2 bis 4 Millionen Cobalt 60-Curies enthält, und ein Förderer, der die sterilisierten Produkte um diesen Bestrahlungsgerät herum bewegt.


Panorama-Bestrahlungsgeräte werden aus solchen Edelstahl-Federmäppchen mit Kobalttabletten rekrutiert. Ein Federmäppchen hat normalerweise eine doppelte Wand und wird auf Undichtigkeiten überprüft.

Die Gammasterilisation bietet zwei ähnliche Alternativen: Röntgensterilisation und Elektronenstrahlsterilisation. Der technologische Unterschied zwischen den letzten beiden Typen besteht in der Verwendung eines kleinen Beschleunigers zur Erzeugung eines Elektronenstroms (und alternativ Röntgenstrahlung von diesem Elektronenstrom). Der Vorteil der Kobaltsterilisation ist hier eine einfachere Vorrichtung und die Fähigkeit, mit großen Mengen an bestrahltem Material zu arbeiten, und der Nachteil ist die Unfähigkeit, die Strahlung auszuschalten (obwohl dies durch Eintauchen der Bestrahlungsgeräte in ein Wasserbecken gelöst wird), mit großen Mengen an radioaktivem Material zu arbeiten und im Vergleich zu niedrigeren verfügbaren Dosen mit einem Elektronenstrahl.


Plan eines typischen Gamma-Sterilisationszentrums. Ein Förderer mit bestrahlten Produkten bewegt sich um den Panoramabestrahler herum, die Behandlungskammer ist allseitig von Bioprotektion umgeben, und der Panoramabestrahler selbst kann in den Pool abgesenkt werden, um mit der Ausrüstung der Bestrahlungskammer zu arbeiten. Kobaltstiftetuis werden auch unter Wasser ausgetauscht.

Für einen typischen Panorama-Sterilisator beträgt die Bestrahlungszeit von mehreren Sekunden (zum Beispiel dauert die Sterilisation von Insekten zur Unterdrückung ihrer Population in der Natur so viel) bis zu 10 Stunden für pharmazeutische Sets für intravenöse Infusionen oder chirurgische Geräte. Darüber hinaus kann in der Sterilisationskammer auf dem Förderer bis zu mehreren Tonnen sein, d.h. Die Gesamtleistung dieser Methode ist sehr hoch.


Video über die Arbeit des Gamma-Sterilisationszentrums.

Trotz der Nachteile der Elektronenstrahlsterilisation (sie können auch die Stromkosten einschließen und nur mit einer Schicht von 2-3 cm arbeiten) erobert diese Methode den Markt allmählich von der Kobaltsterilisation, da der Beschleuniger an jedes große Krankenhaus geliefert werden kann keine Probleme mit der Logistik.

Die IAEO schätzt, dass weltweit rund 200 große Sterilisationszentren mit Panorama-Bestrahlungsgeräten in Betrieb sind.

Industrielle Anwendung

Es gibt mehrere Bereiche, in denen Kobaltquellen 60 in der Industrie verwendet werden. Die ältesten und am weitesten entwickelten sind Dickenmessgeräte und Densitometer. Wie der Name schon sagt, wird die Dicke eines Materials mit einer bekannten Dichte oder Dichte bei einer bekannten Dicke (zum Beispiel der Erzgehalt in der Pulpe) durch die Absorption von Gammastrahlung von der Quelle zum Detektor bestimmt. Zehntausende solcher Geräte werden auf der Welt verwendet und hauptsächlich mit Quellen mit 137C und 60Co ausgestattet, obwohl manchmal Isotope wie 22Na verwendet werden. Darüber hinaus ist der Gehalt an radioaktiven Isotopen hier im Vergleich zu Panorama-Bestrahlungsgeräten gering - normalerweise 1 ... 10 Curie.


Neben anderen Anwendungen ist die Messung von Bodendichte und Feuchtigkeit eine der aktivsten.

Eine noch häufigere Anwendung von Quellen mit Kobalt 60 ist die Gammastrahleninspektion - hauptsächlich dicke Schweißnähte (von 20 bis 200 mm). Die Technologie ähnelt dem Erhalten von Röntgenbildern, nur eine große Dicke des Metalls erfordert die Verwendung von Strahlung mit mehr Energie, als die Röntgenröhre geben kann. Gammastrahlen-Fehlerdetektoren haben unterschiedliche Kapazitäten (berechnet für unterschiedliche Metalldicken) und enthalten normalerweise 10 bis 400 Kobaltcuries 60. Es werden auch kürzer lebende Isotope von Selen 75 und Iridium 192 verwendet.


Handgehaltene Todesstrahlen, auch als Gammastrahlendetektorköpfe bekannt

Darüber hinaus finden Quellen mit Kobalt Anwendung (wenn auch schmal) als Höhenmesser. Beispielsweise ist das Sojus-Landegerät mit einer ähnlichen Vorrichtung ausgestattet, die den Fluss der von der Oberfläche reflektierten Gammastrahlen misst und die Entfernung zu dieser schätzt. Eine ähnliche Technologie wird auch verwendet, um die Höhe von Schüttgütern in Behältern zu messen, obwohl ich keine spezifischen Produktionsbeispiele gefunden habe, in denen ein solches Messgerät installiert wurde.


Äußerlich fällt "Cactus" nicht besonders auf.

Eine wichtige Anwendung ist schließlich die Bestrahlung von Kunststoffpolymeren zur Verbesserung ihrer Eigenschaften. Nach dieser Broschüre zu urteilen, werden alle Eigenschaften von Kunststoffen durch die Bildung transversaler chemischer Bindungen entscheidend verbessert. Grundsätzlich wird ein Dosissatz unter Verwendung von Betastrahlung (d. H. Einem Elektronenstrahl vom Beschleuniger) erreicht, jedoch werden ungefähr 25% solcher Operationen unter Verwendung von Panoramaemittern durchgeführt, die denen ähnlich sind, die bei der Sterilisation verwendet werden (außerdem einige Gammasterilisationszentren Bestrahlung von Kunststoffen mit demselben Gerät durchführen).


Aufgrund ihrer extrem hohen Dosisleistung werden jedoch hauptsächlich Kunststoffe mit solchen elektrostatischen Elektronenbeschleunigern mit Energien von 0,7 bis 1,5 MeV bestrahlt.

Medizin

In den 60er Jahren waren kollimierte Gammastrahlungsquellen auf der Basis von Radiokobalt das Hauptmittel für die Strahlentherapie.

Cobalt 60 wird in der Medizin hauptsächlich im Bereich der Krebstherapie aktiv eingesetzt. Obwohl dieses Radioisotop durch die Beschleunigung ionisierender Strahlungsquellen praktisch von der Standard-Strahlentherapie ersetzt wird, ist es in Gammamessern und in der Brachytherapie immer noch weit verbreitet.


Das Wirkprinzip und das echte Gammamesser. Auf dem Foto natürlich Layouts von Quellen, sonst hätte der Fotograf bestenfalls ein paar Rems erhalten.

Ein Gammamesser ist ein Gerät zur Radiochirurgie von Tumoren im Gehirn. Technisch gesehen besteht die Installation aus mehreren hundert kollimierten Gammastrahlenquellen, die von einem absorbierenden Vorhang um den Kopf des Patienten abgedeckt werden. Für die Therapie schneiden sich die Strahlen von Punktquellen in Tumoren, wodurch an dieser Stelle die erforderliche Dosisleistung erzeugt wird. Es ist für ein Gammamesser, das Kobalt-60 mit hoher spezifischer Aktivität benötigt. Der Vorteil von 60Co ist hier die hohe Energie der Gammastrahlung, die vom Gewebe schwach absorbiert wird, und die fast monoenergische Strahlung im Gegensatz zu vielen anderen medizinischen Isotopen.


Ein weiteres Bild eines Gammamessers und der darin verwendeten Standardquelle. Kobalt sind kleine Materialstücke am unteren Rand des Quellbildes, der Rest sind Muscheln und ein Kollimator.

Die zweite Hauptanwendung von Radiokobalt in der Medizin ist die Brachytherapie - Injektion mehrerer Kapseln mit einem Radioisotop in den Tumor zur inneren Bestrahlung, insbesondere in Fällen, in denen Sie eine Quelle mit hochenergetischer Gammastrahlung benötigen (z. B. Brustkrebs). Hier hat 60Co die Vorteile einer geringeren Strahlenschädigung der umgebenden Organe und der Möglichkeit höherer Dosen.


Eine radioaktive Quelle für die Krebs-Brachytherapie, die in den Körper des Patienten eingeführt wird.

Wissenschaft

Kobalt ist ein praktisches Isotop zur Erzeugung starker Gammastrahlungsfelder, die hauptsächlich zur Untersuchung von Änderungen der Eigenschaften von Materialien und Geräten unter dem Einfluss von Gammastrahlung verwendet werden. Zum Beispiel die Verbesserung der Eigenschaften von Kunststoffen oder die Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit von Mikroschaltungen. Ungefähr 30 solcher Bestrahlungsanlagen arbeiten in Labors auf der ganzen Welt.



Darüber hinaus ist Kobalt 60 einer der messtechnischen Standards, nach denen alle Geräte zur Messung der Gammastrahlungsleistung kalibriert werden.


Ein typisches Labor zum Kalibrieren von Messgeräten ist die Quelle im Schutz links (der elektrische Verschlussantrieb ist sichtbar), ein Wagen zum Bewegen des Geräts mit einem installierten Kalibrierradiometer.


Eine der Standardquellen, mit denen Dosimeter und Radiometer in unserem Land überprüft und kalibriert werden.

Wissenschaftler können jedoch auch anderes Spielzeug verwenden, beispielsweise eine 400-Gigawatt-Pulsquelle für Gammastrahlung HERMES-III

Schlussfolgerungen

Trotz der Tatsache, dass in den letzten Jahrzehnten 60Co-basierte Quellen ionisierender Strahlung durch beschleunigte Strahlungsquellen aus einigen Nischen ersetzt wurden, bleibt dieses billige und bequeme Isotop eine weit verbreitete Quelle für Gammastrahlung. Für die Nuklearindustrie wiederum ist es eines der wichtigsten Produkte, die außerhalb der Branche selbst gefragt sind. Die breitere Verwendung von Radiokobalt wird jedoch durch die Komplexität und die Kosten von Sicherheitsmaßnahmen eingeschränkt, die während des Transports und der Verwendung radioaktiver Materialien getroffen werden müssen.

PS Und über die Kobaltbombe. Diese weit verbreitete Idee aus den 50er Jahren hat eigentlich wenig praktische Bedeutung. Erstens haben moderne Kernmunitionen keine große Menge an überschüssigen Neutronen, um nennenswerte Mengen an Kobalt zu aktivieren, zweitens ist dieser Aktivierungsprozess durch schnelle Neutronen nicht sehr effektiv, drittens ergeben Kernmunition aufgrund von Spaltschritten große Mengen an Radionukliden und so weiter. Darüber hinaus führen unterschiedliche, schließlich exponentielle Niederschlagsprofile einer nuklearen Explosion dazu, dass wir die infizierte Fläche geringfügig vergrößern, selbst wenn wir die Menge der Radionuklide um das 2-3-fache erhöhen.