Cobalto 60 em casa e no trabalho

Dentre todos os isótopos radioativos artificiais usados ​​pela humanidade, o cobalto 60 é o mais amplamente utilizado.Este isótopo possui uma combinação de alta atividade específica, alta energia de radiação gama, uma meia-vida conveniente e a presença de apenas um isótopo estável natural (o que simplifica a transmutação). De fato, as fontes de radiação gama baseadas em cobalto 60 são uma opção padrão sempre que são necessários fótons com energias acima de 1 MeV. Hoje vou lhe dizer como obter e usar esse isótopo.


O irradiador panorâmico de cobalto 60 é baixado para a piscina para manutenção. Esse irradiador é capaz de criar uma taxa de dose de até 2 milhões de raios-x por hora, a uma distância de 20 cm da superfície.

Produção

O cobalto 60 é um isótopo de ativação, ou seja, é obtido como resultado da absorção de nêutrons pelo cobalto natural 59. Esse processo tem eficiência máxima (37 celeiros) em nêutrons térmicos, portanto, em geral, quase todo reator é adequado para produção.

Os maiores produtores de 60Co do mundo são reatores de canal - CANDU de água pesada (NPP canadense Bruce, Wolsong coreano e Embalse argentino) e RBMKs de grafite aquosa instalados no NPP de Leningrado. A vantagem dos reatores de canal é a possibilidade de descarregar e carregar alvos irradiados, independentemente do ciclo operacional do reator.


Alvo para irradiação de cobalto no reator americano ATR.

A propósito, uma das últimas mudanças significativas no mercado de cobalto foi o projeto para a produção desse isótopo em mantas do reator BN-800, que fornece um grande fluxo de nêutrons e permite obter um produto com alta atividade específica mais rapidamente. No entanto, o primeiro produto não será exibido até 2019.

O processo de produção do cobalto-60 em si é relativamente simples (em relação ao 238Pu, por exemplo). Várias formas de metal cobalto (granalha, arame, elementos cilíndricos) são colocadas em um alvo feito de zircônio ou aço inoxidável, instalado em um dispositivo de irradiação e baixado para o reator. Após a exposição à atividade desejada, os alvos são extraídos, abertos em uma câmara quente, o cobalto-60 é classificado por atividade e reembalado nas fontes, após o qual é enviado ao cliente.


Elementos feitos de cobalto natural, uma caixa de lápis de parede dupla, um dispositivo para transportar caixas de lápis e um contêiner com paredes de 27 centímetros de chumbo e aço para transporte pesando quase 6 toneladas.

Atualmente, a produção total de cobalto 60 no mundo é de cerca de 75 milhões de curie por ano, dividida em dois tipos: cobalto com baixa e média atividade (até 100 curie por grama) e cobalto altamente ativo (250+ curie por grama). Este último é considerado um produto de alta tecnologia e é usado principalmente em aplicações médicas; sua produção é de ~ 2,5 milhões de curies por ano. A um custo de um curie de cobalto de baixa atividade, cerca de US $ 2 por curie e altamente ativo, cerca de US $ 25 por curie, o mercado total desse isótopo é de ~ US $ 200 milhões, ultrapassando 99Mo e silício dopado em termos de volume. A propósito, em termos de custo, parece que este é o mais barato (ou um dos mais baratos) emissores gama radioativos - pelo menos várias vezes mais barato que 137Cs e 90Sr em termos de 1 curie.


Alvos irradiados de alta atividade específica com cobalto no pool de exposição da central nuclear de Bruce

Por que a 60Co tem tanta demanda (e o mercado está crescendo a uma taxa de 4% ao ano)? O cobalto 60 decai em 60Ni emitindo raios gama com uma energia de ~ 1,3 MeV, que penetra profundamente em quase qualquer material e, ao mesmo tempo, possui uma alta capacidade ionizante. Durante a esterilização, isso, por exemplo, permite "iluminar" imediatamente grandes volumes do produto e ao medir a espessura do material - para medir peças metálicas muito grossas inacessíveis às unidades de raio-x.


O aumento da atividade específica dos alvos de cobalto durante a irradiação em um reator com um fluxo de 10 ^ 14 n / cm ^ 2 * c

Além disso, o cobalto 60 possui uma meia-vida bastante conveniente de 5,27 anos. Por um lado, quanto maior a meia-vida, mais longa a fonte funciona, mas, por outro lado, mais complicado e caro o processo de enterro. No caso da 60Co, um caso típico de irradiador panorâmico (sobre eles abaixo), contendo no início cerca de 6000-8000 Ci (100 gramas de cobalto com uma atividade específica de 60-80 Ci / g) após 20 anos de uso, possui 431-576 Ci e pode ser liberado da categoria resíduos radioativos após 120-130 anos, ou seja, Não requer enterro subterrâneo caro, mas apenas armazenamento. Ao mesmo tempo, isótopos emissores de gama com meia-vida ainda mais curta, por exemplo 22Na com meia-vida de 2,6 anos e 192Ir com meia-vida de 78 dias, não são mais tão convenientes em termos de frequência de substituição e volumes de logística associados (sódio também encontra ampla aplicação devido à atividade química e ao inchaço das fontes do produto de decomposição - neon).


Ainda existem alguns contêineres para o transporte de cobalto 60. Todos os anos, cerca de 1000 transportes desses contêineres são realizados no mundo.

O principal concorrente da 60Co é o notório isótopo de fragmentação de 137Cs. As vantagens do cobalto aqui incluem:

• Um processo de produção mais simples que não requer radioquímica
• O dobro da energia de radiação gama
• O césio é um elemento ativo e volátil extremamente químico.
• A liberação de césio 137 da categoria de resíduos radioativos levará centenas de anos.

Onde o Cobalt 60 se aplica?

Esterilização

O principal mercado em que a 60Co é usada é a esterilização de dispositivos médicos e uma variedade de produtos alimentícios, como temperos, frutos do mar e mangas. Normalmente, essas operações são realizadas em estações de esterilização centralizadas, onde é instalado um irradiador panorâmico contendo 2-4 milhões de curies de cobalto 60 e um transportador que move os produtos esterilizados ao redor desse irradiador.


Os irradiadores panorâmicos são recrutados em estojos de lápis de aço inoxidável com comprimidos de cobalto. Uma caixa de lápis geralmente tem uma parede dupla e é verificada quanto a vazamentos.

A esterilização gama tem duas alternativas semelhantes - esterilização por raios X e esterilização por feixe de elétrons. A diferença tecnológica entre os dois últimos tipos é o uso de um pequeno acelerador para criar uma corrente de elétrons (e, alternativamente, a radiação de raios X dessa corrente de elétrons). A vantagem da esterilização do cobalto aqui é um dispositivo mais simples e a capacidade de trabalhar com grandes volumes de material irradiado, e a desvantagem é a incapacidade de "desligar" a radiação (embora isso seja resolvido imergindo os irradiadores em uma piscina de água), trabalhando com grandes quantidades de material radioativo e doses disponíveis mais baixas em comparação com um feixe de elétrons.


Plano de um centro típico de esterilização gama. Um transportador com produtos irradiados se move ao redor do irradiador panorâmico, a câmara de tratamento é cercada por todos os lados por bioproteção, e o próprio irradiador panorâmico pode ser baixado para dentro da piscina para trabalhar com o equipamento da câmara de irradiação. Estojos de cobalto também são substituídos debaixo d'água.

Para um esterilizador panorâmico típico, o tempo de irradiação é de alguns segundos (por exemplo, a esterilização de insetos para suprimir sua população na natureza leva muito) até 10 horas para conjuntos farmacêuticos para infusão intravenosa ou equipamento cirúrgico. Além disso, na câmara de esterilização no transportador pode ser de até várias toneladas, isto é, O desempenho geral deste método é muito alto.


Vídeo sobre o trabalho do centro de esterilização gama.

No entanto, apesar das desvantagens da esterilização por feixe de elétrons (elas também podem incluir o custo da eletricidade e trabalhar apenas com uma camada de 2-3 cm), esse método está conquistando gradualmente o mercado da esterilização por cobalto devido à capacidade de fornecer o acelerador em princípio a todos os grandes hospitais e não tem problemas com logística.

A AIEA estima que cerca de 200 grandes centros de esterilização com irradiadores panorâmicos estão operando no mundo.

Aplicação industrial

Existem várias áreas em que as fontes de cobalto 60 são usadas na indústria. Os mais antigos e mais desenvolvidos são medidores de espessura e densitômetros. Como o nome indica, a espessura de um material com uma densidade conhecida ou densidade com uma espessura conhecida (por exemplo, o conteúdo de minério na polpa) é determinada pela absorção da radiação gama da fonte ao detector. Dezenas de milhares desses dispositivos são usados ​​no mundo, equipados principalmente com fontes com 137Cs e 60Co, embora isótopos como o 22Na às vezes sejam usados. Além disso, em comparação com os irradiadores panorâmicos, o conteúdo de isótopos radioativos é pequeno aqui - geralmente 1 ... 10 curie.


Juntamente com outros usos, um dos mais ativos é a medição da densidade e umidade do solo.

Uma aplicação ainda mais comum de fontes com cobalto 60 é a inspeção por raios gama - principalmente soldas espessas (de 20 a 200 mm). A tecnologia é semelhante à obtenção de imagens de raios-x, apenas uma grande espessura do metal requer o uso de radiação com mais energia do que o tubo de raios-x pode fornecer. Os detectores de falhas de raios gama possuem capacidades diferentes (calculadas para diferentes espessuras de metal) e geralmente contêm de 10 a 400 curies de cobalto 60. Os isótopos de vida mais curta do selênio 75 e irídio 192 também são usados.


Raios da morte portáteis, também conhecidos como cabeças de detectores de raios gama

Além do acima, fontes com cobalto encontram aplicação (embora estreita) como altímetros, por exemplo, o aparelho de aterrissagem Soyuz está equipado com um dispositivo semelhante que mede o fluxo de raios gama refletido na superfície e estima a distância a ele. Uma tecnologia semelhante também é usada para medir a altura de sólidos a granel em contêineres, embora eu não tenha encontrado nenhum exemplo específico de produção onde esse medidor foi instalado.


Externamente, "Cactus" não é particularmente perceptível.

Finalmente, uma aplicação importante é a irradiação de polímeros plásticos para melhorar suas propriedades. A julgar por esta brochura, melhora decisivamente todas as propriedades dos plásticos devido à formação de ligações químicas transversais. Basicamente, um conjunto de doses é alcançado usando radiação beta (isto é, um feixe de elétrons do acelerador), no entanto, aproximadamente 25% dessas operações são realizadas usando emissores panorâmicos semelhantes aos usados ​​na esterilização (além disso, alguns centros de esterilização gama irradiação de plásticos no mesmo equipamento).


No entanto, principalmente os plásticos são irradiados com esses aceleradores de elétrons eletrostáticos com energias de 0,7-1,5 MeV, devido à sua taxa de dose extremamente alta.

Remédio

Nos anos 60, fontes colimadas de radiação gama à base de rádio cobalto foram os principais meios de radioterapia.

O cobalto 60 é usado ativamente na medicina, principalmente no campo da terapia contra o câncer. Embora esse radioisótopo agora seja virtualmente substituído da radioterapia padrão por fontes aceleradoras de radiação ionizante, ele ainda é amplamente utilizado em facas gama e braquiterapia.


O princípio da ação e a verdadeira faca gama. Na foto, obviamente, layouts de fontes, caso contrário, o fotógrafo teria recebido alguns rems na melhor das hipóteses.

Uma faca gama é um dispositivo para radiocirurgia de tumores no cérebro. Tecnicamente, a instalação consiste em várias centenas de fontes de raios gama colimadas cobertas por uma cortina absorvente localizada ao redor da cabeça do paciente. Para a terapia, os raios das fontes pontuais se cruzam em tumores, criando assim a taxa de dose necessária neste local. É para uma faca gama que requer cobalto-60 com alta atividade específica. A vantagem do 60Co aqui é a alta energia da radiação gama, fracamente absorvida pelo tecido e radiação quase monoenergética, em contraste com muitos outros isótopos médicos.


Outra imagem de uma faca gama e a fonte padrão usada nela. O cobalto é pequenos pedaços de material na parte inferior da imagem de origem, o restante são conchas e um colimador.

O segundo uso principal do radiocobalto na medicina é a braquiterapia - injetando várias cápsulas com um radioisótopo no tumor para irradiação interna, especialmente nos casos em que você precisa de uma fonte com radiação gama de alta energia (por exemplo, câncer de mama). Aqui, o 60Co tem as vantagens de menos danos causados ​​pela radiação nos órgãos vizinhos e a possibilidade de doses mais altas.


Uma fonte radioativa para braquiterapia para câncer, que é inserida no corpo do paciente.

Ciência

O cobalto é um isótopo conveniente para a criação de poderosos campos de radiação gama, que são utilizados principalmente no estudo de alterações nas propriedades de materiais e equipamentos sob a influência da radiação gama. Por exemplo, melhorando as propriedades dos plásticos ou determinando a resistência à radiação dos microcircuitos. Cerca de 30 dessas instalações de irradiação operam em laboratórios em todo o mundo.



Além disso, o cobalto 60 é um dos padrões metrológicos nos quais todos os equipamentos para medir a potência de radiação gama são calibrados.


Um laboratório típico para calibrar equipamentos de medição é a fonte de proteção à esquerda (o acionador do obturador elétrico é visível), um carrinho para mover o dispositivo com um radiômetro de calibração instalado.


Uma das fontes padrão pelas quais os dosímetros e radiômetros são verificados e calibrados em nosso país.

No entanto, os cientistas podem usar outros brinquedos, por exemplo, uma fonte de pulso de 400 gigawatts de radiação gama HERMES-III

Conclusões

Apesar do fato de que nas últimas décadas, fontes de radiação ionizante baseadas em 60Co foram substituídas em alguns nichos por aceleração de fontes de radiação, esse isótopo barato e conveniente continua sendo uma fonte amplamente usada de radiação gama. Para a indústria nuclear, por sua vez, é um dos produtos mais importantes demandados fora da própria indústria. O uso mais amplo do rádio cobalto, no entanto, é limitado pela complexidade e custo das medidas de segurança que devem ser tomadas durante o transporte e o uso de materiais radioativos.

PS E sobre a bomba de cobalto. Essa ideia amplamente divulgada dos anos 50 na verdade tem pouco significado prático. Em primeiro lugar, as munições nucleares modernas não possuem uma grande quantidade de nêutrons em excesso para ativar quantidades consideráveis ​​de cobalto; em segundo lugar, esse processo de ativação por nêutrons rápidos não é muito eficaz; em terceiro lugar, as munições nucleares devido a etapas de fissão fornecem grandes volumes de radionuclídeos e assim por diante. além disso, finalmente, diferentes perfis de precipitação exponencial de uma explosão nuclear levam ao fato de que, mesmo aumentando a quantidade de radionuclídeos em 2-3 vezes, aumentamos ligeiramente a área infectada.