Cobalt 60 di rumah dan di tempat kerja

Di antara semua isotop radioaktif buatan yang digunakan oleh umat manusia, kobalt 60 paling banyak digunakan. Isotop ini memiliki kombinasi aktivitas spesifik tinggi, energi radiasi gamma tinggi, waktu paruh yang nyaman dan hanya ada satu isotop stabil alami (yang menyederhanakan transmutasi). Faktanya, sumber radiasi gamma berbasis kobalt adalah beberapa opsi standar dimanapun foton dengan energi di atas 1 MeV diperlukan. Hari ini saya akan memberi tahu Anda cara mendapatkan dan menggunakan isotop ini.


Iradiator panoramik dari kobalt 60 diturunkan ke kolam untuk pemeliharaan. Iradiator semacam itu mampu menciptakan tingkat dosis hingga 2 juta x-ray per jam pada jarak 20 cm dari permukaan.

Produksi

Cobalt 60 adalah isotop aktivasi, mis. ini diperoleh sebagai hasil dari penyerapan neutron oleh kobalt alami 59. Proses ini memiliki efisiensi maksimum (37 barn) pada neutron termal, oleh karena itu, secara umum, hampir semua reaktor cocok untuk produksi.

Produsen 60Co terbesar di dunia adalah reaktor saluran - CANDU air berat (NPP Bruce Kanada, Wolsong Korea dan Argentina Palsu) dan RBMK grafit air dipasang di NPP Leningrad. Keuntungan dari reaktor saluran adalah kemungkinan untuk membongkar dan memuat target yang diiradiasi, terlepas dari siklus operasi reaktor.


Target untuk iradiasi kobalt di reaktor Amerika ATR.

Omong-omong, salah satu perubahan signifikan terakhir di pasar kobalt adalah proyek untuk produksi isotop ini dalam selimut reaktor BN-800, yang menyediakan fluks neutron besar dan memungkinkan Anda untuk mendapatkan produk dengan aktivitas spesifik tinggi lebih cepat. Namun, produk pertama tidak akan muncul hingga 2019.

Proses memproduksi kobalt-60 itu sendiri relatif sederhana (relatif terhadap 238Pu, misalnya). Berbagai bentuk logam kobalt (tembakan, kawat, elemen silindris) ditempatkan dalam target yang terbuat dari zirkonium atau baja tahan karat, dipasang pada perangkat penyinaran, dan diturunkan ke dalam reaktor. Setelah paparan aktivitas yang diinginkan, target diekstraksi, dibuka di ruang panas, cobalt-60 diurutkan berdasarkan aktivitas dan dikemas kembali ke sumber, setelah itu dikirim ke pelanggan.


Elemen yang terbuat dari kobalt alami, kotak pensil berdinding ganda, alat untuk mengangkut kotak pensil dan wadah dengan dinding timah dan baja 27 sentimeter untuk transportasi dengan berat hampir 6 ton.

Total produksi kobalt 60 di dunia saat ini adalah sekitar 75 juta curies per tahun, yang dibagi menjadi dua jenis: kobalt dengan aktivitas rendah dan sedang (hingga 100 curie per gram) dan kobalt yang sangat aktif (250+ curie per gram). Yang terakhir dianggap sebagai produk teknologi tinggi dan terutama digunakan dalam aplikasi medis, hasilnya adalah ~ 2,5 juta curies per tahun. Dengan biaya satu curie kobalt aktivitas rendah sekitar $ 2 per curie dan sangat aktif sekitar $ 25 per curie, pasar total untuk isotop ini adalah ~ $ 200 juta, melampaui 99 juta dan silikon yang diolah dengan nuklir dalam hal volume. Ngomong-ngomong, dalam hal biaya, tampaknya ini adalah yang paling murah (atau salah satu yang paling murah) pemancar gamma radioaktif - setidaknya beberapa kali lebih murah daripada 137Cs dan 90Sr dalam hal 1 curie.


Aktivitas spesifik tinggi menyinari target dengan kobalt di kolam paparan Bruce NPP

Mengapa 60Co sangat diminati (dan pasar tumbuh pada tingkat 4% per tahun)? Cobalt 60 meluruh menjadi sinar gamma yang memancarkan 60Ni dengan energi ~ 1,3 MeV, yang menembus sangat dalam ke hampir semua bahan dan pada saat yang sama memiliki kemampuan pengion yang tinggi. Selama sterilisasi, ini, misalnya, memungkinkan Anda untuk "menerangi" segera volume besar produk, dan ketika mengukur ketebalan bahan - untuk mengukur bagian logam yang sangat tebal yang tidak dapat diakses oleh unit x-ray.


Peningkatan aktivitas spesifik target kobalt selama iradiasi dalam reaktor dengan fluks 10 ^ 14 n / cm ^ 2 * c

Selain itu, kobalt 60 memiliki waktu paruh 5,27 tahun yang nyaman. Di satu sisi, semakin tinggi waktu paruh, semakin lama sumbernya bekerja, tetapi di sisi lain, semakin rumit dan mahal proses penguburannya. Dalam kasus 60Co, kasus tipikal untuk iradiasi panoramik (tentang mereka di bawah), yang mengandung pada awalnya sekitar 6000-8000 Ci (100 gram kobalt dengan aktivitas spesifik 60-80 Ci / g) setelah 20 tahun penggunaan, memiliki 431-576 Ci dan dapat dilepaskan dari kategori limbah radioaktif setelah 120-130 tahun, yaitu Itu tidak membutuhkan penguburan bawah tanah yang mahal, tetapi hanya penyimpanan. Pada saat yang sama, isotop pemancar gamma dengan waktu paruh lebih pendek, misalnya 22Na dengan waktu paruh 2,6 tahun dan 192Ir dengan waktu paruh 78 hari, tidak lagi nyaman dalam hal frekuensi penggantian dan volume logistik terkait (natrium juga menemukan aplikasi luas karena aktivitas kimia dan pembengkakan sumber dari produk peluruhan - neon).


Masih ada beberapa kontainer untuk pengangkutan kobalt 60. Setiap tahun, sekitar 1000 pengangkutan kontainer semacam itu dilakukan di dunia.

Pesaing utama 60Co adalah isotop 137Cs fragmentasi yang terkenal. Keuntungan kobalt di sini termasuk:

• Suatu proses produksi yang lebih sederhana yang tidak memerlukan radiokimia
• Dua kali energi radiasi gamma
• Cesium adalah elemen aktif dan volatil yang sangat kimiawi.
• Pelepasan cesium 137 dari kategori limbah radioaktif akan memakan waktu ratusan tahun.

Di mana Cobalt 60 berlaku?

Sterilisasi

Pasar utama di mana 60Co digunakan adalah sterilisasi peralatan medis dan berbagai produk makanan, seperti rempah-rempah, makanan laut dan mangga. Biasanya, operasi ini dilakukan di stasiun sterilisasi terpusat, tempat irradiator panoramik dipasang yang mengandung 2-4 juta curies cobalt 60 dan konveyor yang memindahkan produk-produk yang disterilkan di sekitar irradiator ini.


Iradiator panoramik direkrut dari kotak pensil stainless steel dengan tablet kobalt. Tempat pensil biasanya memiliki dinding ganda dan diperiksa kebocorannya.

Sterilisasi gamma memiliki dua alternatif serupa - sterilisasi sinar-X dan sterilisasi sinar elektron. Perbedaan teknologi antara dua jenis terakhir adalah penggunaan akselerator kecil untuk membuat aliran elektron (dan, sebagai alternatif, radiasi sinar-X dari aliran elektron ini). Keuntungan dari sterilisasi kobalt di sini adalah perangkat yang lebih sederhana dan kemampuan untuk bekerja dengan volume besar bahan iradiasi, dan kerugiannya adalah ketidakmampuan untuk "mematikan" radiasi (meskipun ini diselesaikan dengan merendam irradiator dalam genangan air), bekerja dengan sejumlah besar bahan radioaktif dan dosis yang tersedia lebih rendah dibandingkan dengan berkas elektron.


Rencana pusat sterilisasi gamma khas. Konveyor dengan produk iradiasi bergerak di sekitar iradiasi panoramik, ruang perawatan dikelilingi di semua sisi dengan bioproteksi, dan iradiator panoramik itu sendiri dapat diturunkan ke kolam untuk bekerja dengan peralatan ruang iradiasi. Kotak pensil Cobalt juga diganti di bawah air.

Untuk sterilisasi panoramik yang khas, waktu iradiasi adalah dari beberapa detik (misalnya, sterilisasi serangga untuk menekan populasi mereka di alam begitu banyak) hingga 10 jam untuk perangkat farmasi untuk infus intravena atau peralatan bedah. Selain itu, di ruang sterilisasi pada konveyor dapat mencapai beberapa ton, yaitu Kinerja keseluruhan dari metode ini sangat tinggi.


Video tentang pekerjaan pusat sterilisasi gamma.

Namun, terlepas dari kerugian sterilisasi berkas elektron (mereka juga dapat mencakup biaya listrik dan hanya bekerja dengan lapisan 2-3 cm), metode ini secara bertahap menaklukkan pasar dari sterilisasi kobalt karena kemungkinan pengiriman akselerator ke setiap rumah sakit besar dan tidak memiliki masalah dengan logistik.

IAEA memperkirakan bahwa sekitar 200 pusat sterilisasi besar dengan iradiator panoramik beroperasi di dunia.

Aplikasi industri

Ada beberapa area di mana sumber-sumber kobalt 60 digunakan dalam industri. Yang tertua dan paling berkembang adalah pengukur ketebalan dan densitometer. Sesuai namanya, ketebalan suatu bahan dengan kerapatan yang diketahui atau kerapatan pada ketebalan yang diketahui (misalnya, kandungan bijih dalam bubur kertas) ditentukan oleh penyerapan radiasi gamma dari sumber ke detektor. Puluhan ribu perangkat semacam itu digunakan di dunia, dilengkapi terutama dengan sumber-sumber dengan 137Cs dan 60Co, meskipun isotop seperti 22Na terkadang digunakan. Selain itu, dibandingkan dengan iradiator panoramik, kandungan isotop radioaktif kecil di sini - biasanya 1 ... 10 curie.


Seiring dengan kegunaan lain, salah satu yang paling aktif adalah pengukuran kepadatan tanah dan kelembaban.

Aplikasi sumber yang bahkan lebih umum dengan kobalt 60 adalah inspeksi sinar gamma - terutama las tebal (dari 20 hingga 200 mm). Teknologi ini mirip dengan memperoleh gambar x-ray, hanya ketebalan logam yang besar membutuhkan penggunaan radiasi dengan lebih banyak energi daripada yang dapat diberikan tabung x-ray. Detektor cacat gamma-ray datang dalam kapasitas yang berbeda (dihitung untuk ketebalan logam yang berbeda) dan biasanya mengandung 10 hingga 400 curies cobalt 60. Isotop selenium 75 dan iridium 192 yang berumur pendek juga digunakan.


Sinar kematian yang dipegang tangan, juga dikenal sebagai kepala detektor sinar gamma

Selain di atas, sumber dengan aplikasi kobalt menemukan (walaupun sempit) sebagai altimeter, misalnya, peralatan pendaratan Soyuz dilengkapi dengan perangkat serupa yang mengukur fluks sinar gamma yang dipantulkan dari permukaan dan memperkirakan jarak ke sana. Teknologi serupa juga digunakan untuk mengukur ketinggian padatan curah dalam wadah, meskipun saya belum menemukan contoh produksi spesifik di mana meter semacam itu dipasang.


Secara eksternal, "Cactus" tidak terlalu terlihat.

Akhirnya, aplikasi penting adalah iradiasi polimer plastik untuk meningkatkan sifatnya. Dilihat oleh brosur ini, secara pasti meningkatkan semua sifat plastik karena pembentukan ikatan kimia transversal. Pada dasarnya, satu set dosis dicapai menggunakan radiasi beta (mis., Berkas elektron dari akselerator), namun demikian, sekitar 25% dari operasi tersebut dilakukan dengan menggunakan penghasil emisi panorama yang serupa dengan yang digunakan dalam sterilisasi (apalagi, beberapa pusat sterilisasi gamma melakukan penyinaran plastik pada peralatan yang sama).


Namun, sebagian besar plastik diiradiasi dengan akselerator elektron elektrostatik dengan energi 0,7-1,5 MeV, karena tingkat dosisnya yang sangat tinggi.

Obat-obatan

Pada 60-an, sumber radiasi gamma terkolimasi berdasarkan radio kobalt adalah sarana utama untuk radioterapi.

Cobalt 60 secara aktif digunakan dalam pengobatan, terutama di bidang terapi kanker. Meskipun radioisotop ini sekarang hampir diganti dari terapi radiasi standar dengan mempercepat sumber radiasi pengion, ini masih banyak digunakan dalam pisau gamma dan brachytherapy.


Prinsip aksi dan pisau gamma asli. Dalam foto, jelas, tata letak sumber, jika tidak, fotografer akan menerima beberapa rem terbaik.

Pisau gamma adalah alat untuk radiosurgery tumor di otak. Secara teknis, instalasi terdiri dari beberapa ratus sumber sinar gamma terkotak-kotak yang ditutupi oleh tirai penyerap yang terletak di sekitar kepala pasien. Untuk terapi, sinar dari sumber titik berpotongan ke dalam tumor, sehingga menciptakan tingkat dosis yang diperlukan di tempat ini. Ini untuk pisau gamma yang membutuhkan kobalt-60 dengan aktivitas spesifik tinggi. Keuntungan 60Co di sini adalah energi tinggi radiasi gamma, diserap lemah oleh jaringan dan radiasi hampir mono-energi, berbeda dengan banyak isotop medis lainnya.


Gambar lain dari pisau gamma dan sumber standar yang digunakan di dalamnya. Cobalt adalah potongan-potongan kecil bahan di bagian bawah gambar sumber, sisanya adalah kerang dan kolimator.

Penggunaan radiokobalt utama kedua dalam pengobatan adalah brachytherapy - memperkenalkan beberapa kapsul dengan radioisotop ke dalam tumor untuk iradiasi internal, terutama untuk kasus-kasus ketika Anda membutuhkan sumber dengan radiasi gamma energi tinggi (misalnya, kanker payudara). Di sini, 60Co memiliki keuntungan lebih sedikit kerusakan radiasi pada organ-organ sekitarnya dan kemungkinan dosis yang lebih tinggi.


Sumber radioaktif untuk kanker brachytherapy, yang dimasukkan ke dalam tubuh pasien.

Sains

Cobalt adalah isotop yang nyaman untuk membuat bidang radiasi gamma yang kuat, yang digunakan terutama dalam studi tentang perubahan sifat bahan dan peralatan di bawah pengaruh radiasi gamma. Misalnya, memperbaiki sifat-sifat plastik atau menentukan resistensi radiasi dari sirkuit mikro. Sekitar 30 fasilitas iradiasi tersebut beroperasi di laboratorium di seluruh dunia.



Selain itu, kobalt 60 adalah salah satu standar metrologi tempat semua peralatan untuk mengukur daya radiasi gamma dikalibrasi.


Laboratorium tipikal untuk kalibrasi alat ukur adalah sumber dalam perlindungan di sebelah kiri (penggerak rana listrik terlihat), troli untuk memindahkan perangkat dengan radiometer kalibrasi yang terpasang.


Salah satu sumber standar di mana dosimeter dan radiometer diperiksa dan dikalibrasi di negara kita.

Namun, para ilmuwan dapat menggunakan mainan lain, misalnya, sumber pulsa gamma 400 gigawatt radiasi HERMES-III

Kesimpulan

Terlepas dari kenyataan bahwa selama beberapa dekade terakhir, sumber radiasi pengion 60Co berbasis telah digantikan dengan mempercepat sumber radiasi dari beberapa relung, isotop murah dan nyaman ini tetap menjadi sumber radiasi gamma yang banyak digunakan. Untuk industri nuklir, pada gilirannya, ini adalah salah satu produk terpenting yang diminati di luar industri itu sendiri. Namun, penggunaan radio kobalt yang lebih luas dibatasi oleh kompleksitas dan biaya langkah-langkah keamanan yang harus diambil selama pengangkutan dan penggunaan bahan radioaktif.

PS Dan tentang bom kobalt. Gagasan yang dipublikasikan secara luas dari tahun 50-an ini sebenarnya memiliki sedikit makna praktis. Pertama, amunisi nuklir modern tidak memiliki jumlah neutron berlebih yang besar untuk mengaktifkan kobalt dalam jumlah yang cukup besar, kedua, proses aktivasi oleh neutron cepat ini tidak terlalu efektif, ketiga, amunisi nuklir karena langkah fisi menghasilkan sejumlah besar radionuklida, dan sebagainya. Selain itu, berbeda, akhirnya, profil curah hujan eksponensial dari ledakan nuklir mengarah pada fakta bahwa, bahkan meningkatkan jumlah radionuklida sebanyak 2-3 kali, kami sedikit meningkatkan area yang terinfeksi.