Entre todos los isótopos radiactivos artificiales utilizados por la humanidad, el cobalto 60 es el más utilizado. Este isótopo tiene una combinación de alta actividad específica, alta energía de radiación gamma, una vida media conveniente y la presencia de un solo isótopo estable natural (que simplifica la transmutación). De hecho, las fuentes de radiación gamma basadas en cobalto 60 son una opción estándar donde se necesitan fotones con energías superiores a 1 MeV. Hoy les diré cómo obtener y usar este isótopo.
El irradiador panorámico de cobalto 60 se baja a la piscina para su mantenimiento. Tal irradiador es capaz de crear una tasa de dosis de hasta 2 millones de rayos X por hora a una distancia de 20 cm de la superficie.Producción
El cobalto 60 es un isótopo de activación, es decir. se obtiene como resultado de la absorción de neutrones por el cobalto natural 59. Este proceso tiene la máxima eficiencia (37 graneros) en neutrones térmicos, por lo tanto, en general, casi cualquier reactor es adecuado para la producción.
Los mayores productores de 60Co en el mundo son reactores de canal: CANDU de agua pesada (central nuclear canadiense Bruce, Wolsong coreano y embalse argentino) y RBMK de grafito acuático instalados en la central nuclear de Leningrado. La ventaja de los reactores de canal es la posibilidad de descargar y cargar objetivos irradiados, independientemente del ciclo de funcionamiento del reactor.
Objetivo para la irradiación de cobalto en el reactor estadounidense ATR.Por cierto, uno de los últimos cambios significativos en el mercado de cobalto fue el proyecto para la producción de este isótopo en mantas del reactor BN-800, que proporciona un gran flujo de neutrones y le permite obtener un producto con alta actividad específica más rápido. Sin embargo, el primer producto no aparecerá hasta 2019.
El proceso de producción de cobalto-60 en sí es relativamente simple (en relación con 238Pu, por ejemplo). Se colocan varias formas de metal cobalto (granalla, alambre, elementos cilíndricos) en un objetivo hecho de circonio o acero inoxidable, se instala en un dispositivo de irradiación y se baja al reactor. Después de la exposición a la actividad deseada, los objetivos se extraen, se abren en una cámara caliente, el cobalto 60 se clasifica por actividad y se reenvía a las fuentes, luego de lo cual se envía al cliente.
Elementos hechos de cobalto natural, una caja de lápices de doble pared, un dispositivo para transportar cajas de lápices y un contenedor con paredes de 27 centímetros de plomo y acero para el transporte que pesa casi 6 toneladas.La producción total de cobalto 60 en el mundo actual es de aproximadamente 75 millones de curie por año, que se divide en dos tipos: cobalto con actividad baja y media (hasta 100 curie por gramo) y cobalto altamente activo (más de 250 curie por gramo). Este último se considera un producto de alta tecnología y se utiliza principalmente en aplicaciones médicas; su producción es de ~ 2.5 millones de curies por año. Con un costo de un curie de cobalto de baja actividad de aproximadamente $ 2 por curie y altamente activo de aproximadamente $ 25 por curie, el mercado total para este isótopo es de ~ $ 200 millones, superando el 99Mo y el silicio dopado nuclear en términos de volumen. Por cierto, en términos de costo, parece que este es el emisor gamma radiactivo más barato (o uno de los más baratos), al menos varias veces más barato que 137Cs y 90Sr en términos de 1 curie.
Objetivos irradiados de alta actividad específica con cobalto en el grupo de exposición de la central nuclear de Bruce¿Por qué hay tanta demanda de 60Co (y el mercado está creciendo a una tasa del 4% anual)? El cobalto 60 se descompone en 60Ni emitiendo rayos gamma con una energía de ~ 1.3 MeV, que penetra profundamente en casi cualquier material y al mismo tiempo tiene una alta capacidad ionizante. Durante la esterilización, esto, por ejemplo, le permite "iluminar" inmediatamente grandes volúmenes del producto, y al medir el grosor del material, para medir partes metálicas muy gruesas inaccesibles para las unidades de rayos X.
El aumento de la actividad específica de los objetivos de cobalto durante la irradiación en un reactor con un flujo de 10 ^ 14 n / cm ^ 2 * cAdemás, el cobalto 60 tiene una vida media bastante conveniente de 5.27 años. Por un lado, cuanto mayor es la vida media, más tiempo funciona la fuente, pero por otro lado, más complicado y costoso es el proceso de su entierro. En el caso de 60Co, un caso típico para un irradiador panorámico (sobre ellos a continuación), que contiene al principio aproximadamente 6000-8000 Ci (100 gramos de cobalto con una actividad específica de 60-80 Ci / g) después de 20 años de uso, tiene 431-576 Ci y puede liberarse de la categoría Residuos radiactivos después de 120-130 años, es decir No requiere un costoso entierro subterráneo, sino solo almacenamiento. Al mismo tiempo, los isótopos emisores de rayos gamma con una vida media aún más corta, por ejemplo 22Na con una vida media de 2.6 años y 192Ir con una vida media de 78 días, ya no son tan convenientes en términos de frecuencia de reemplazo y volúmenes logísticos asociados (sodio también encuentra una amplia aplicación debido a la actividad química y al hinchamiento de las fuentes del producto de descomposición (neón).
Todavía hay algunos contenedores para el transporte de cobalto 60. Cada año, se realizan alrededor de 1000 transportes de dichos contenedores en el mundo.El principal competidor de 60Co es el notorio isótopo de fragmentación 137Cs. Las ventajas del cobalto aquí incluyen:
- Un proceso de producción más simple que no requiere radioquímica.
- Dos veces la energía de radiación gamma
- El cesio es un elemento extremadamente químico activo y volátil.
- La liberación de cesio 137 de la categoría de desechos radiactivos llevará cientos de años.
¿Dónde se aplica Cobalt 60?
Esterilización
El principal mercado donde se usa 60Co es la esterilización de dispositivos médicos y una variedad de productos alimenticios, como especias, mariscos y mangos. Típicamente, estas operaciones se realizan en estaciones de esterilización centralizadas, donde se instala un irradiador panorámico que contiene 2-4 millones de curies de cobalto 60 y un transportador que mueve los productos esterilizados alrededor de este irradiador.
Los irradiadores panorámicos se reclutan de tales estuches de acero inoxidable con tabletas de cobalto. Una caja de lápices generalmente tiene una pared doble y se revisa en busca de fugas.La esterilización gamma tiene dos alternativas similares: la esterilización por rayos X y la esterilización por haz de electrones. La diferencia tecnológica entre los dos últimos tipos es el uso de un pequeño acelerador para crear una corriente de electrones (y, alternativamente, la radiación de rayos X de esta corriente de electrones). La ventaja de la esterilización con cobalto aquí es un dispositivo más simple y la capacidad de trabajar con grandes volúmenes de material irradiado, y la desventaja es la incapacidad de "apagar" la radiación (aunque esto se resuelve sumergiendo los irradiadores en una piscina de agua), trabajando con grandes cantidades de material radiactivo y dosis disponibles más bajas en comparación con un haz de electrones.
Plano de un centro típico de esterilización gamma. Un transportador con productos irradiados se mueve alrededor del irradiador panorámico, la cámara de tratamiento está rodeada por todos lados por bioprotección, y el propio irradiador panorámico se puede bajar a la piscina para trabajar con el equipo de la cámara de irradiación. Las cajas de lápices de cobalto también se reemplazan bajo el agua.Para un esterilizador panorámico típico, el tiempo de irradiación es de varios segundos (por ejemplo, la esterilización de los insectos para suprimir a su población en la naturaleza lleva mucho tiempo) hasta 10 horas para equipos farmacéuticos para infusión intravenosa o equipo quirúrgico. Además, en la cámara de esterilización en el transportador puede haber hasta varias toneladas, es decir El rendimiento general de este método es muy alto.
Video sobre el trabajo del centro de esterilización gamma.Sin embargo, a pesar de las desventajas de la esterilización con haz de electrones (también pueden incluir el costo de la electricidad y trabajar solo con una capa de 2-3 cm), este método está conquistando gradualmente el mercado de la esterilización con cobalto debido a la capacidad de entregar el acelerador en principio a cada hospital grande y No tiene problemas con la logística.
El OIEA estima que alrededor de 200 grandes centros de esterilización con irradiadores panorámicos están operando en el mundo.
Aplicación industrial
Hay varias áreas donde las fuentes de cobalto 60 se utilizan en la industria. Los más antiguos y desarrollados son los medidores de espesor y densitómetros. Como su nombre lo indica, el grosor de un material con una densidad conocida o densidad con un grosor conocido (por ejemplo, el contenido de mineral en la pulpa) se determina por la absorción de radiación gamma desde la fuente al detector. En el mundo se usan decenas de miles de estos dispositivos, equipados principalmente con fuentes con 137Cs y 60Co, aunque a veces se usan isótopos como 22Na. Además, en comparación con los irradiadores panorámicos, el contenido de isótopos radiactivos es pequeño aquí, generalmente 1 ... 10 curie.
Junto con otros usos, uno de los más activos es la medición de la densidad del suelo y la humedad.Una aplicación aún más común de fuentes con cobalto 60 es la inspección por rayos gamma, principalmente soldaduras gruesas (de 20 a 200 mm). La tecnología es similar a la obtención de imágenes de rayos X, solo un gran espesor del metal requiere el uso de radiación con más energía que la que puede proporcionar el tubo de rayos X. Los detectores de defectos de rayos gamma vienen en diferentes capacidades (calculados para diferentes espesores de metal) y generalmente contienen de 10 a 400 curies de cobalto 60. También se usan los isótopos de vida más corta de selenio 75 e iridio 192.
Rayos de muerte portátiles, también conocidos como cabezales detectores de rayos gammaAdemás de lo anterior, las fuentes con cobalto encuentran aplicación (aunque estrecha) como altímetros, por ejemplo, el aparato de aterrizaje Soyuz está equipado con un dispositivo similar que mide el flujo de rayos gamma reflejados desde la superficie y estima la distancia a la misma. También se utiliza una tecnología similar para medir la altura de los sólidos a granel en los contenedores, aunque no he encontrado ningún ejemplo de producción específico donde se instaló dicho medidor.
Externamente, "Cactus" no es particularmente notable.Finalmente, una aplicación importante es la irradiación de polímeros plásticos para mejorar sus propiedades. A juzgar por este folleto, mejora decisivamente todas las propiedades de los plásticos debido a la formación de enlaces químicos transversales. Básicamente, se logra un conjunto de dosis usando radiación beta (es decir, un haz de electrones del acelerador), sin embargo, aproximadamente el 25% de tales operaciones se realizan usando emisores panorámicos similares a los utilizados en la esterilización (además, algunos centros de esterilización gamma realizar irradiación de plásticos en el mismo equipo).
Sin embargo, principalmente los plásticos se irradian con dichos aceleradores de electrones electrostáticos con energías de 0.7-1.5 MeV, debido a su tasa de dosis extremadamente alta.Medicina
En los años 60, las fuentes colimadas de radiación gamma basadas en radio cobalto eran los principales medios para la radioterapia.El cobalto 60 se usa activamente en medicina, principalmente en el campo de la terapia contra el cáncer. Aunque este radioisótopo ahora se reemplaza virtualmente de la radioterapia estándar al acelerar las fuentes de radiación ionizante, todavía se usa ampliamente en cuchillas gamma y braquiterapia.
El principio de acción y el verdadero cuchillo gamma. En la foto, obviamente, los diseños de las fuentes, de lo contrario, el fotógrafo habría recibido algunos rems en el mejor de los casos.Un cuchillo gamma es un dispositivo para la radiocirugía de tumores en el cerebro. Técnicamente, la instalación consta de varios cientos de fuentes de rayos gamma colimadas cubiertas por una cortina absorbente ubicada alrededor de la cabeza del paciente. Para la terapia, los rayos de las fuentes puntuales se cruzan en tumores, creando así la tasa de dosis necesaria en este lugar. Es para un cuchillo gamma que requiere cobalto-60 con alta actividad específica. La ventaja de 60Co aquí es la alta energía de la radiación gamma, débilmente absorbida por el tejido y la radiación casi monoenergética, en contraste con muchos otros isótopos médicos.
Otra imagen de un cuchillo gamma y la fuente estándar utilizada en él. El cobalto es pequeñas piezas de material en la parte inferior de la imagen de origen, el resto son conchas y un colimador.El segundo uso principal de radiocobalto en medicina es la braquiterapia: la introducción de varias cápsulas con un radioisótopo en el tumor para la irradiación interna, especialmente en aquellos casos en los que necesita una fuente con radiación gamma de alta energía (por ejemplo, cáncer de seno). Aquí, 60Co tiene las ventajas de menos daño por radiación a los órganos circundantes y la posibilidad de dosis más altas.
Una fuente radiactiva para la braquiterapia para el cáncer, que se inserta en el cuerpo del paciente.Ciencia
El cobalto es un isótopo conveniente para crear potentes campos de radiación gamma, que se utilizan principalmente en el estudio de cambios en las propiedades de materiales y equipos bajo la influencia de la radiación gamma. Por ejemplo, mejorar las propiedades de los plásticos o determinar la resistencia a la radiación de los microcircuitos. Unas 30 instalaciones de irradiación de este tipo operan en laboratorios de todo el mundo.
Además, el cobalto 60 es uno de los estándares metrológicos en los que se calibra todo el equipo para medir la potencia de radiación gamma.
Un laboratorio típico para calibrar equipos de medición es la fuente en la protección de la izquierda (se puede ver el obturador eléctrico), un carro para mover el dispositivo con un radiómetro de calibración instalado.
Una de las fuentes estándar por las cuales se controlan y calibran los dosímetros y radiómetros en nuestro país.Sin embargo, los científicos pueden usar otros juguetes, por ejemplo, una fuente de radiación gamma de 400 gigavatios HERMES-III
Conclusiones
A pesar del hecho de que en las últimas décadas, las fuentes de radiación ionizante basadas en 60Co se han suplantado acelerando las fuentes de radiación de algunos nichos, este isótopo barato y conveniente sigue siendo una fuente ampliamente utilizada de radiación gamma. Para la industria nuclear, a su vez, es uno de los productos más importantes que tiene demanda fuera de la industria misma. Sin embargo, el uso más amplio de radio cobalto está limitado por la complejidad y el costo de las medidas de seguridad que deben tomarse durante el transporte y el uso de materiales radiactivos.
PD Y sobre la bomba de cobalto. Esta idea ampliamente publicitada de los años 50 en realidad tiene poco significado práctico. En primer lugar, las municiones nucleares modernas no tienen una gran cantidad de exceso de neutrones para activar cantidades apreciables de cobalto; en segundo lugar, este proceso de activación por neutrones rápidos no es muy efectivo; en tercer lugar, las municiones nucleares debido a los pasos de fisión dan grandes volúmenes de radionúclidos, y así sucesivamente. además, diferentes perfiles de precipitación exponencial de una explosión nuclear conducen al hecho de que, incluso aumentando la cantidad de radionucleidos en 2-3 veces, aumentamos ligeramente el área infectada.