Parmi tous les isotopes radioactifs artificiels utilisés par l'humanité, c'est le cobalt 60 qui est le plus utilisé. Cet isotope combine une activité spécifique élevée, une énergie de rayonnement gamma élevée, une demi-vie pratique et la présence d'un seul isotope stable naturel (ce qui simplifie la transmutation). En fait, les sources de rayonnement gamma à base de cobalt 60 sont une option standard partout où des photons avec des énergies supérieures à 1 MeV sont nécessaires. Aujourd'hui, je vais vous dire comment obtenir et utiliser cet isotope.
L'irradiateur panoramique de cobalt 60 est descendu dans la piscine pour l'entretien. Un tel irradiateur est capable de créer un débit de dose allant jusqu'à 2 millions de rayons X par heure à une distance de 20 cm de la surface.La production
Le cobalt 60 est un isotope d'activation, c'est-à-dire il est obtenu à la suite de l'absorption de neutrons par le cobalt naturel 59. Ce procédé a une efficacité maximale (37 barn) sur les neutrons thermiques, donc, en général, presque tous les réacteurs sont adaptés à la production.
Les plus grands producteurs de 60Co au monde sont des réacteurs à canal - des réacteurs CANDU à eau lourde (centrale nucléaire de Bruce au Canada, Wolsong coréen et embalse argentine) et des RBMK à eau-graphite installés à la centrale de Leningrad. L'avantage des réacteurs à canal est la possibilité de décharger et de charger des cibles irradiées, quel que soit le cycle de fonctionnement du réacteur.
Cible d'irradiation du cobalt dans le réacteur américain ATR.Soit dit en passant, l'un des derniers changements importants sur le marché du cobalt a été le projet de production de cet isotope dans des couvertures du réacteur BN-800, qui fournit un flux de neutrons important et vous permet d'obtenir plus rapidement un produit avec une activité spécifique élevée. Cependant, le premier produit n'apparaîtra qu'en 2019.
Le processus de production du cobalt-60 lui-même est relativement simple (par rapport au 238Pu, par exemple). Différentes formes de cobalt métal (grenaille, fil, éléments cylindriques) sont placées dans une cible en zirconium ou en acier inoxydable, installées dans un dispositif d'irradiation, et descendues dans le réacteur. Après exposition à l'activité souhaitée, les cibles sont extraites, ouvertes dans une enceinte chaude, le cobalt-60 est trié par activité et reconditionné vers des sources, après quoi il est expédié au client.
Éléments en cobalt naturel, une trousse à crayons à double paroi, un appareil pour transporter des trousses et un récipient avec des parois de 27 cm de plomb et d'acier pour le transport pesant près de 6 tonnes.La production totale de cobalt 60 dans le monde est aujourd'hui d'environ 75 millions de curies par an, divisée en deux types: le cobalt à faible et moyenne activité (jusqu'à 100 curie par gramme) et le cobalt très actif (250+ curie par gramme). Ce dernier est considéré comme un produit de haute technologie et est principalement utilisé dans les applications médicales; sa production est d'environ 2,5 millions de curies par an. Au prix d'un curie de cobalt à faible activité d'environ 2 $ par curie et très actif d'environ 25 $ par curie, le marché total de cet isotope est d'environ 200 millions de dollars, dépassant 99 Mo et le silicium dopé nucléaire en termes de volume. Soit dit en passant, en termes de coût, il semble que ce soit les émetteurs gamma radioactifs les moins chers (ou l'un des moins chers) - au moins plusieurs fois moins chers que le 137Cs et le 90Sr en termes de 1 curie.
Cibles irradiées à haute activité spécifique avec du cobalt dans le bassin d'exposition de la centrale nucléaire de BrucePourquoi le 60Co est-il si demandé (et le marché croît au rythme de 4% par an)? Le cobalt 60 se désintègre en 60Ni émettant des rayons gamma avec une énergie de ~ 1,3 MeV, qui pénètrent profondément dans presque tous les matériaux et ont en même temps une capacité ionisante élevée. Pendant la stérilisation, cela vous permet, par exemple, d '«éclairer» immédiatement de grands volumes de produit, et lors de la mesure de l'épaisseur du matériau - de mesurer des pièces métalliques très épaisses inaccessibles aux appareils à rayons X.
L'augmentation de l'activité spécifique des cibles de cobalt lors de l'irradiation dans un réacteur avec un flux de 10 ^ 14 n / cm ^ 2 * cDe plus, le cobalt 60 a une demi-vie plutôt pratique de 5,27 ans. D'une part, plus la demi-vie est élevée, plus la source fonctionne longtemps, mais d'autre part, plus le processus de son enfouissement est compliqué et coûteux. Dans le cas du 60Co, un cas typique pour un irradiateur panoramique (à propos d'eux ci-dessous), contenant au début environ 6000-8000 Ci (100 grammes de cobalt avec une activité spécifique de 60-80 Ci / g) après 20 ans d'utilisation, a 431-576 Ci et peut être sorti de la catégorie déchets radioactifs après 120-130 ans, soit Il ne nécessite pas un enterrement souterrain coûteux, mais uniquement un stockage. Dans le même temps, les isotopes émetteurs gamma avec une demi-vie encore plus courte, par exemple 22Na avec une demi-vie de 2,6 ans et 192Ir avec une demi-vie de 78 jours, ne sont plus aussi pratiques en termes de fréquence de remplacement et de volumes logistiques associés (sodium également trouve une large application en raison de l'activité chimique et du gonflement des sources du produit de décomposition - néon).
Il existe encore quelques conteneurs pour le transport du cobalt 60. Chaque année, environ 1000 transports de ces conteneurs sont effectués dans le monde.Le principal concurrent du 60Co est le fameux isotope de fragmentation du 137Cs. Les avantages du cobalt comprennent ici:
- Un processus de production plus simple qui ne nécessite pas de radiochimie
- Deux fois l'énergie de rayonnement gamma
- Le césium est un élément extrêmement chimique actif et volatil.
- La libération de césium 137 de la catégorie des déchets radioactifs prendra des centaines d'années.
Où le Cobalt 60 s'applique-t-il?
Stérilisation
Le principal marché où le 60Co est utilisé est la stérilisation des dispositifs médicaux et d'une variété de produits alimentaires, tels que les épices, les fruits de mer et les mangues. Généralement, ces opérations sont effectuées dans des stations de stérilisation centralisées, où un irradiateur panoramique est installé contenant 2 à 4 millions de curies de cobalt 60 et un convoyeur déplaçant les produits stérilisés autour de cet irradiateur.
Les irradiateurs panoramiques sont recrutés dans ces étuis à crayons en acier inoxydable avec des comprimés de cobalt. Une trousse a généralement une double paroi et est vérifiée pour les fuites.La stérilisation gamma a deux alternatives similaires - la stérilisation aux rayons X et la stérilisation par faisceau d'électrons. La différence technologique entre les deux derniers types est l'utilisation d'un petit accélérateur pour créer un flux d'électrons (et, alternativement, un rayonnement de rayons X à partir de ce flux d'électrons). L'avantage de la stérilisation au cobalt est ici un appareil plus simple et la capacité de travailler avec de grands volumes de matières irradiées, et l'inconvénient est l'incapacité à «éteindre» le rayonnement (bien que cela soit résolu en immergeant les irradiateurs dans une piscine d'eau), en travaillant avec de grandes quantités de matières radioactives et des doses disponibles plus faibles comparées avec un faisceau d'électrons.
Plan d'un centre de stérilisation gamma typique. Un convoyeur avec des produits irradiés se déplace autour de l'irradiateur panoramique, la chambre de traitement est entourée de bioprotection de tous les côtés et l'irradiateur panoramique lui-même peut être abaissé dans la piscine pour travailler avec l'équipement de la chambre d'irradiation. Les étuis à crayons en cobalt sont également remplacés sous l'eau.Pour un stérilisateur panoramique typique, le temps d'irradiation est de plusieurs secondes (par exemple, la stérilisation des insectes pour supprimer leur population dans la nature prend tellement) jusqu'à 10 heures pour les kits pharmaceutiques pour perfusion intraveineuse ou équipement chirurgical. De plus, dans la chambre de stérilisation sur le convoyeur peut aller jusqu'à plusieurs tonnes, c'est-à-dire Les performances globales de cette méthode sont très élevées.
Vidéo sur le travail du centre de stérilisation gamma.Cependant, malgré les inconvénients de la stérilisation par faisceau d'électrons (ils peuvent également inclure le coût de l'électricité et fonctionner uniquement avec une couche de 2-3 cm), cette méthode conquiert progressivement le marché de la stérilisation au cobalt en raison de la capacité de livrer l'accélérateur en principe à chaque grand hôpital et pas de problèmes de logistique.
L'AIEA estime qu'environ 200 grands centres de stérilisation avec irradiateurs panoramiques fonctionnent dans le monde.
Application industrielle
Il existe plusieurs domaines où les sources de cobalt 60 sont utilisées dans l'industrie. Les plus anciens et les plus développés sont les jauges d'épaisseur et les densitomètres. Comme son nom l'indique, l'épaisseur d'un matériau ayant une densité connue ou une densité à une épaisseur connue (par exemple, la teneur en minerai dans la pâte) est déterminée par l'absorption du rayonnement gamma de la source au détecteur. Des dizaines de milliers de ces appareils sont utilisés dans le monde, équipés principalement de sources contenant du 137Cs et du 60Co, bien que des isotopes tels que le 22Na soient parfois utilisés. De plus, par rapport aux irradiateurs panoramiques, le contenu des isotopes radioactifs est faible ici - généralement 1 ... 10 curie.
Parallèlement à d'autres utilisations, l'une des plus actives est la mesure de la densité et de l'humidité du sol.Une application encore plus courante des sources avec du cobalt 60 est l'inspection par rayons gamma - principalement des soudures épaisses (de 20 à 200 mm). La technologie est similaire à l'obtention d'images radiographiques, seule une grande épaisseur de métal nécessite l'utilisation d'un rayonnement avec plus d'énergie que le tube à rayons X peut donner. Les détecteurs de défauts aux rayons gamma ont différentes capacités (calculées pour différentes épaisseurs de métal) et contiennent généralement de 10 à 400 curies de cobalt 60. Les isotopes à durée de vie plus courte du sélénium 75 et de l'iridium 192 sont également utilisés.
Rayons de mort portatifs, également appelés têtes de détection de rayons gammaEn plus de ce qui précède, des sources avec du cobalt trouvent une application (bien qu'étroites) comme altimètres, par exemple, l'appareil d'atterrissage Soyouz est équipé d'un appareil similaire qui mesure le flux de rayons gamma réfléchis depuis la surface et estime la distance jusqu'à celui-ci. Une technologie similaire est également utilisée pour mesurer la hauteur des solides en vrac dans des conteneurs, bien que je n'ai trouvé aucun exemple de production spécifique où un tel compteur a été installé.
Extérieurement, "Cactus" n'est pas particulièrement visible.Enfin, une application importante est l'irradiation des polymères plastiques pour améliorer leurs propriétés. A en juger par cette brochure, améliore de manière décisive toutes les propriétés des plastiques grâce à la formation de liaisons chimiques transversales. Fondamentalement, un ensemble de doses est obtenu en utilisant un rayonnement bêta (c'est-à-dire un faisceau d'électrons de l'accélérateur), cependant, environ 25% de ces opérations sont effectuées à l'aide d'émetteurs panoramiques similaires à ceux utilisés en stérilisation (en outre, certains centres de stérilisation gamma effectuer l'irradiation des plastiques sur le même équipement).
Cependant, principalement les plastiques sont irradiés avec de tels accélérateurs d'électrons électrostatiques avec des énergies de 0,7 à 1,5 MeV, en raison de leur débit de dose extrêmement élevé.Médecine
Dans les années 60, les sources collimatées de rayonnement gamma à base de radio cobalt étaient les principaux moyens de radiothérapie.Le cobalt 60 est activement utilisé en médecine, principalement dans le domaine du traitement du cancer. Bien que ce radioisotope ait maintenant été pratiquement remplacé par la radiothérapie standard par l'accélération des sources de rayonnement ionisant, il est encore largement utilisé dans les couteaux gamma et la curiethérapie.
Le principe d'action et le vrai couteau gamma. Sur la photo, évidemment, des dispositions de sources, sinon le photographe aurait au mieux reçu quelques rems.Un couteau gamma est un appareil de radiochirurgie des tumeurs cérébrales. Techniquement, l’installation se compose de plusieurs centaines de sources de rayons gamma collimatées couvertes par un rideau absorbant situé autour de la tête du patient. Pour la thérapie, les rayons des sources ponctuelles se croisent dans les tumeurs, créant ainsi le débit de dose nécessaire à cet endroit. Il s'agit d'un couteau gamma qui nécessite du cobalt-60 avec une activité spécifique élevée. L'avantage du 60Co est ici la haute énergie du rayonnement gamma, faiblement absorbé par les tissus et le rayonnement presque mono-énergétique, contrairement à de nombreux autres isotopes médicaux.
Une autre image d'un couteau gamma et de la source standard utilisée. Le cobalt est de petits morceaux de matière au bas de l'image source, le reste est des coquilles et un collimateur.La deuxième utilisation majeure du radiocobalt en médecine est la curiethérapie - introduisant plusieurs capsules avec un radio-isotope dans la tumeur pour une irradiation interne, en particulier dans les cas où vous avez besoin d'une source avec un rayonnement gamma à haute énergie (par exemple, le cancer du sein). Ici, 60Co présente les avantages de moins de dommages causés par les radiations aux organes environnants et la possibilité de doses plus élevées.
Une source radioactive pour la curiethérapie du cancer, qui est insérée dans le corps du patient.Science
Le cobalt est un isotope pratique pour créer de puissants champs de rayonnement gamma, qui sont principalement utilisés dans l'étude des modifications des propriétés des matériaux et des équipements sous l'influence du rayonnement gamma. Par exemple, améliorer les propriétés des plastiques ou déterminer la résistance aux radiations des microcircuits. Une trentaine d'installations d'irradiation fonctionnent dans des laboratoires du monde entier.
De plus, le cobalt 60 est l'une des normes métrologiques sur lesquelles tous les équipements de mesure de la puissance de rayonnement gamma sont calibrés.
Un laboratoire typique pour l'étalonnage d'un équipement de mesure est la source dans la protection à gauche (l'entraînement électrique de l'obturateur est visible), un chariot pour déplacer l'appareil avec un radiomètre d'étalonnage installé.
L'une des sources standard par lesquelles les dosimètres et les radiomètres sont vérifiés et étalonnés dans notre pays.Cependant, les scientifiques peuvent utiliser d'autres jouets, par exemple une source d'impulsions de 400 gigawatts de rayonnement gamma HERMES-III
Conclusions
Malgré le fait qu'au cours des dernières décennies, les sources de rayonnement ionisant à base de 60Co ont été supplantées dans certaines niches par l'accélération des sources de rayonnement, cet isotope bon marché et pratique reste une source largement utilisée de rayonnement gamma. Pour l'industrie nucléaire, à son tour, c'est l'un des produits les plus importants en demande en dehors de l'industrie elle-même. Cependant, l'utilisation plus large du radio-cobalt est limitée par la complexité et le coût des mesures de sécurité qui doivent être prises pendant le transport et l'utilisation des matières radioactives.
PS Et à propos de la bombe au cobalt. Cette idée largement médiatisée des années 50 n'a en fait que peu de sens pratique. Premièrement, les munitions nucléaires modernes n'ont pas une grande quantité de neutrons en excès pour activer des quantités appréciables de cobalt, deuxièmement, ce processus d'activation par des neutrons rapides n'est pas très efficace, et troisièmement, les munitions nucléaires dues aux étapes de fission donnent de grands volumes de radionucléides, et ainsi de suite. de plus, des profils de précipitation exponentiels différents, enfin, d'une explosion nucléaire conduisent au fait que, même en augmentant la quantité de radionucléides de 2 à 3 fois, on augmente légèrement la zone infectée.