Среди всех искусственных радиоактивных изотопов, используемых человечеством наиболее широкое применение нашел кобальт 60. Этот изотоп имеет сочетание высокой удельной активности, высокой энергии гамма-излучения, удобного периода полураспада и наличия всего одного природного стабильного изотопа (что упрощает трансмутацию). Фактически, источники гамма-излучения на базе кобальта 60 являются неким стандартным вариантом везде, где нужны фотоны с энергией больше 1 МэВ. Сегодня я расскажу, как получают и применяют этот изотоп.

Панорамный облучатель из кобальта 60 опущен в бассейн для обслуживания. Подобный облучатель способен создать мощность дозы до 2 млн рентген в час на расстоянии 20 см от поверхности.

Производство

Кобальт 60 является активационным изотопом, т.е. его получают в результате поглощения нейтронов природным кобальтом 59. Этот процесс имеет максимальную эффективность (37 барн) на тепловых нейтронах, поэтому в целом, для производства подходит практически любой реактор.

Крупнейшими производителями 60Co в мире являются канальные реакторы — тяжеловодные CANDU (Канадская АЭС Bruce, корейская Wolsong и аргентинская Embalse) и водно-графитовые РБМК, установленные на Ленинградской АЭС. Преимущество канальных реакторов — в возможности выгрузки и загрузки облучаемых мишеней независимо от рабочего цикла реактора.

Мишень для облучения кобальта в американском реакторе ATR.

Кстати, одним из последних значимых изменений на рынке кобальта стал проект по производству этого изотопа в бланкетах реактора БН-800, который обеспечивает большой нейтронный поток и позволяет получать продукт с высокой удельной активностью быстрее. Впрочем первый продукт появится не раньше 2019 года.

Сам процесс производства кобальта-60 относительно прост (относительно 238Pu, например). Различные формы металлического кобальта (дробь, проволока, цилиндрические элементы) помещаются в мишень из циркония или нержавеющей стали, устанавливаются в облучательное устройство и опускаются в реактор. После выдержки до нужной активности мишени извлекаются, вскрываются в горячей камере кобальт-60 сортируется по активности и переупаковывается в источники, после чего отгружается заказчику.

Элементы из природного кобальта, пенал с двойными стенками, устройство для транспортировки пеналов и контейнер с 27 сантиметровыми стенками из свинца и стали для перевозки весом почти 6 тонн.

Общее производство кобальта 60 в мире на сегодня порядка 75 миллиона кюри в год, которое делится на два типа: кобальт с низкой и среднеей активностью (до 100 кюри на грамм) и высокоактивный кобальт (250+ кюри на грамм). Последний считается высокотехнологичным продуктом и используется в основном в медицинских применениях, его выпуск составляет ~2,5 млн кюри в год. При стоимости одного кюри низкоактивного кобальта около 2 долларов за кюри и высокоактивного около 25$ за кюри общий рынок этого изотопа составляет ~200 млн долларов, превосходя по объемам рынки молибдена 99Mo и ядерно-легированного кремния. Кстати, по стоимости, похоже, это самый дешевый (или один из самых дешевых) радиоактивный гамма-эмиттер — как минимум в несколько раз дешевле 137Cs и 90Sr в пересчете на 1 кюри.

Облученные мишени с кобальтом с высокой удельной активностью в бассейне выдержки АЭС Bruce

Почему же 60Co настолько востребован (и рынок растет темпом 4% в год)? Кобальт 60 распадается в 60Ni излучая гамма-кванты с энергией ~1,3 МэВ, которые глубоко проникают практически в любые материалы и при этом обладают высокой ионизирующей способностью. При стерилизации это, например, позволяет “засвечивать” сразу большие объемы продукта, а при измерении толщины материала — измерять весьма толстые металлические детали, недоступные рентгеновским установкам.

Рост удельной активности кобальтовых мишеней при облучении в реакторе с потоком 10¹⁴ н/см²*c

Кроме того кобальт 60 имеет довольно удобный период полураспада — 5,27 года. С одной стороны чем выше период полураспада, тем дольше работает источник, но с другой стороны тем сложнее и дороже процесс его захоронения. В случае 60Co типичный пенал для панорамного облучателя (о них ниже), содержащий в начале около 6000–8000 Ки (100 грамм кобальта удельной активностью 60–80 Ки/г) через 20 лет использования имеет 431–576 Ки и может быть высвобожден из категории радиоактивных отходов через 120–130 лет, т.е. не требует дорогого подземного захоронения, а лишь хранения. В то же время гамма-эмитирующие изотопы с еще более коротким периодом полураспада, например 22Na с периодом полураспада 2,6 года и 192Ir с периодом полураспада 78 суток являются уже не такими удобными в плане частоты замены и сопутствующих объемов логистики (натрий кроме того, не находит широкого применения в силу химической активности и распухания источников от продукта распада — неона).

Еще немножко контейнеров для перевозки кобальта 60. Ежегодно в мире совершается около 1000 перевозок подобных контейнеров.

Основным конкурентом 60Co является небезизвестный осколочный изотоп 137Cs. К плюсам кобальта тут можно отнести:

• Более простой процесс получения, не требующий радиохимии
• Вдвое большая энергия гамма-излучения
• Цезий — крайне химический активный и летучий элемент.
• Высвобождение цезия 137 из категории радиоактивных отходов займет сотни лет.

Где же применяется Кобальт 60?

Стерилизация

Основным рынком, где используется 60Co, является стерилизация медицинских изделий и разнообразных продуктов питания, например специй, морепродуктов и манго. Обычно эти операции производятся на централизованных станциях стерилизации, где установлен панорамный облучатель, содержащий 2–4 миллиона кюри кобальта 60 и конвейер, перемещающий стерилизуемые продукты вокруг этого облучателя.

Панорамные облучатели набираются из таких пеналов из нержавеющей стали с таблетками кобальта. Пенал обычно имеет двойную стенку и проверяется на герметичность.

Гамма-стерилизация имеет две схожие альтернативы — рентгеновская стерилизация и стерилизация электронным лучом. Технологическое отличие последних двух типов в использовании небольшого ускорителя для создания потока электронов (и как вариант — рентгеновского излучения из этого потока электронов). Преимуществом кобальтовой стерилизации тут является более простое устройство и возможность работы с большими объемами облучаемого материала, а недостатком — невозможность “выключить” излучение (хотя это решается погружением облучателей в бассейн с водой), работой с большими количествами радиоактивного материала и более низкие доступные дозы по сравнению с электронным лучем.

План типичного центра гамма-стерилизации. Вокруг панорамного облучателя движется конвейер с облучаемой продукцией, камера обработки со всех сторон окружена биозащитой, а сам панорамный облучатель можно опустить вниз, в бассейн для работы с оборудованием облучательной камеры. Замена пеналов с кобальтом тоже осуществляется под водой.

Для типичного панорамного стерилизатора время облучения составляет от нескольких секунд (например, столько занимает стерилизация насекомых для подавления их популяции в природе) до 10 часов для фармацевтических наборов для внутривенного вливания или хирургического оборудования. При этом в камере стерилизации на конвейере может находится до нескольких тонн, т.е. общая производительность этого метода весьма высока.

Видео про работу гамма-стерилизационного центра.

Впрочем, несмотря на недостатки стерилизации электронным лучом (к ним можно отнести еще расходы на электроэнергию и работу только со слоем в 2–3 см), этот метод постепенно отвоевывает рынок у кобальтовой стерилизации из-за возможности поставить ускоритель в принципе в каждый большой госпиталь и не иметь проблем с логистикой.

МАГАТЭ оценивает, что в мире работает порядка 200 больших центров стерилизации с панорамными облучателями.

Промышленное применение

Существует несколько направлений, где используются источники с кобальтом 60 в промышленности. Самое старое и развитое — это толщинометры и плотномеры. Как понятно из названия, толщина материала с известной плотностью или плотность при известной толщине (например, содержание руды в пульпе) определяется по поглощению гамма-излучения от источника к детектору. В мире используются десятки тысяч подобных устройств, снабженные в основном источниками с 137Cs и 60Co, хотя иногда используются и такие изотопы, как 22Na. При этом, по сравнению с панорамными облучателями содержание радиоактивных изотопов тут невелико — обычно 1…10 кюри.

Наряду с другими использованиями одно из самых активных — измерение плотности и влажности грунта.

Еще более распространенным применением источников с кобальтом 60 является гамма-дефектоскопия — в основном толстых сварных швов (от 20 до 200 мм). Технология схожа с получением рентгеновских изображений, только большая толщина металла требует применения излучения с бОльшей энергией, чем может дать рентгеновская трубка. Гамма-дефектоскопы бывают разной мощности (расчитанные на разную толщину металла) и обычно содержат от 10 до 400 кюри кобальта 60. Так же находят применения более короткоживущие изотопы селен 75 и иридий 192.

Переносные лучи смерти, так же известные как излучающие головки гамма-дефектоскопов

Кроме перечисленного, источники с кобальтом находят применение (правда узкое) в качестве высотомеров, например посадочный аппарат КК “Союз” снабжен подобным устройством, измеряющим поток отраженных от поверхности гамма-квантов и оценивающим расстояние до нее. Подобная технология также используется для измерения высоты сыпучих веществ в емкостях, хотя никаких конкретных примеров производства, где бы был установлен такой измеритель я не нашел.

Внешне «Кактус» ничем особо не примечателен.

Наконец, важным применением является облучение пластиковых полимеров для улучшения их свойств. Если судить по этой брошюрке, улучшаются решительно все свойства пластиков за счет образования поперечных химических связей. В основном набор дозы достигается с помощью бета-излучения (т.е. луча электронов из ускорителя), однако примерно 25% таких операций выполняется с помощью панорамных излучателей, схожих с теми, что используются в стерилизации (более того, некоторые центры гамма-стерилизации выполняют и облучение пластиков на том же оборудовании).

Впрочем, в основном облучение пластиков производят на вот таких вот электростатических ускорителях электронов с энергией 0,7–1,5 МэВ, из-за их крайне высокой дозовой производительности.

Медицина

В 60х годах коллимированные источники гамма-излучения на основе радиокобальта были основным средством для радиотерапии.

Кобальт 60 активно используется в медицине, в основном в области терапии рака. Хотя этот радиоизотоп на сегодня практически вытеснен из стандартной лучевой терапии ускорительными источниками ионизирующего излучения, он все еще широко находит применение в гамма-ножах и брахитерапии.

Принцип действия и реальный гамма нож. На фотографии, очевидно, макеты источников, иначе бы фотограф получил бы несколько бэр в лучшем случае.

Гамма-нож, это устройство для радиохирургии опухолей в головном мозге. Технически, установка состоит из нескольких сотен коллимированных источников гамма-излучения, закрытых поглощающей шторкой, расположенных вокруг головы пациента. Для терапии лучи точечных источников пересекаются на опухоли, тем самым создавая в этом месте необходимую мощность дозы. Именно для гамма-ножа нужен кобальт-60 с высокой удельной активностью. Преимуществом 60Co тут является высокая энергия гамма-излучения, слабо поглощаемая тканью и практически моноэнергетичность излучения, в отличии от многих других медицинских изотопов.

Еще изображение гамма-ножа и стандартного источника, используемого в нем. Кобальт — это маленькие кусочки материала внизу изображения источника, остальное — это оболочки и коллиматор.

Вторым большим применением радиокобальта в медицине является брахитерапия — ввод в опухоль нескольких капсул с радиоизотопом для внутреннего облучения, особенно для тех случаев, когда нужен источник с гамма-излучением высокой энергии (например, рак груди). Здесь 60Co имеет преимущества меньшего повреждения излучением окружающих органов и возможности набора бОльших доз.

Радиоактивный источник для брахитерапии рака, устанавливаемый в тело пациента.

Наука

Кобальт является удобным изотопом для создания мощных полей гамма-излучения, которые используются в основном при исследовании изменения свойств материалов и оборудования под воздействием гамма-излучения. Например, улучшения свойств пластиков или определения радиационной стойкости микросхем. Порядка 30 подобных облучательных установок работает в лабораториях по всему миру.

Кроме того, кобальт 60 является одним из метрологических стандартов, на котором калибруется все оборудования для измерения мощности гамма-излучения.

Типичная лаборатория для калибровки измерительной аппаратуры — слева источник в защите (виден электропривод затвора), тележка для перемещения прибора с установленным поверочным радиометром.

Один из стандартных источников, по которым проверяют и калибруют дозиметры и радиометры у нас в стране.

Впрочем ученые могут использовать и другие игрушки, например 400 гигаваттный импульсный источник гамма-излучения HERMES-III

Выводы

Не смотря на то, что последние десятилетия источники ионизирующего излучения на базе 60Co вытесняются из некоторых ниш ускорительными ИИИ, этот дешевый и удобный изотоп остается широко используемым источником гамма-излучения. Для атомной индустрии, в свою очередь, он является одним из важнейших продуктов, который востребован за пределами самой индустрии. Более широкое применение радиокобальта, впрочем, сдерживается сложностью и дороговизной мер безопасности, которые приходится предпринимать при транспортировке и использовании радиоактивных материалов.

P.S. И про кобальтовую бомбу. Эта широко разрекламированная идея из 50х годов на деле имеет мало практического смысла. Во-первых в современных ядерных боеприпасах нет большого количества лишних нейтронов, что бы активировать заметные количества кобальта, во-вторых и сам этот процесс активации быстрыми нейтронами не сильно эффективен, в-третьих ядерных боеприпас за счет ступеней деления и так дает большие объемы радионуклидов, причем разных, наконец экспоненциальные профили выпадения осадков ядерного взрыва приводят к тому что, даже увеличив количество радионуклидов в 2–3 раза мы слабо увеличиваем зараженную территорию.