Кобальт-60

Кобальт-60 — это радиоактивный изотоп химического элемента кобальта с массовым числом 60. Относится к группе гамма-излучающих радионуклидов, обладает периодом полураспада около 5,27 лет. В промышленности, медицине и научных исследованиях используется как источник ионизирующего излучения, в первую очередь гамма-квантов с энергиями 1,17 и 1,33 МэВ.

История открытия и получения

Впервые кобальт-60 был получен искусственным путём в 1938 году группой американских физиков под руководством Гленна Сиборга в Калифорнийском университете в Беркли. Изотоп был синтезирован в ходе бомбардировки стабильного изотопа кобальт-59 нейтронами в циклотроне. В 1940-х годах, после начала работы ядерных реакторов, стало возможным промышленное производство кобальта-60 в значительных количествах.

Основной способ получения — облучение природного кобальта-59 (единственного стабильного изотопа кобальта) тепловыми нейтронами в ядерном реакторе. В результате реакции захвата нейтрона образуется кобальт-60, который затем выделяется из облучённой мишени. В СССР и России крупнейшим производителем кобальта-60 является ПО «Маяк» (Челябинская область), где изотоп нарабатывается в промышленных реакторах.

Физические и химические свойства

Ядерные характеристики

• Массовое число: 60
• Атомный номер: 27
• Период полураспада: 5,2714 года (около 1927 дней)
• Тип распада: бета-распад (β⁻) с последующим гамма-излучением
• Энергия гамма-квантов: 1,1732 МэВ и 1,3325 МэВ
• Удельная активность: примерно 1,13×10¹⁷ Бк/кг (или 3,06×10³ Ки/г)

При распаде кобальт-60 превращается в стабильный изотоп никеля-60 (⁶⁰Ni). В процессе бета-распада испускается электрон с максимальной энергией около 0,318 МэВ, а затем ядро никеля переходит в основное состояние, излучая два гамма-кванта.

Химические свойства

Химически кобальт-60 ведёт себя так же, как и стабильный кобальт: это твёрдый серебристо-серый металл, ферромагнетик. В соединениях проявляет степени окисления +2 и +3. В промышленности и медицине чаще всего используется в виде металлического кобальта (проволока, таблетки, стержни) или в виде оксида кобальта (CoO), заключённого в герметичные капсулы из нержавеющей стали.

Применение

Промышленная дефектоскопия

Наиболее массовое применение кобальта-60 — гамма-дефектоскопия. Источники на основе кобальта-60 используются для неразрушающего контроля сварных швов, отливок, трубопроводов и других металлических конструкций. Гамма-излучение высокой энергии позволяет просвечивать сталь толщиной до 200 мм. В отличие от рентгеновских аппаратов, гамма-источники не требуют электропитания и могут использоваться в полевых условиях.

Медицина: лучевая терапия

В 1950-х — 1990-х годах кобальт-60 был основным источником излучения для дистанционной гамма-терапии (кобальтовые пушки). Аппараты типа «Рокус», «Агат» и «Тератрон» использовали источник кобальта-60 активностью до 200 Ки для облучения злокачественных опухолей. В настоящее время в развитых странах кобальтовые установки вытесняются линейными ускорителями электронов, однако в развивающихся странах и в некоторых российских клиниках они продолжают применяться. В РФ кобальт-60 используется в аппаратах «Гамма-нож» (для стереотаксической радиохирургии) и в некоторых моделях брахитерапии.

Стерилизация и облучение

Кобальт-60 применяется для радиационной стерилизации медицинских инструментов, перевязочных материалов, одноразовых шприцев и имплантатов. В пищевой промышленности используется для облучения продуктов с целью увеличения срока хранения (радиационная обработка). В России данный метод разрешён для некоторых видов продукции (картофель, зерно, специи).

Научные исследования

В лабораторных условиях кобальт-60 используется как стандартный источник гамма-излучения для калибровки дозиметров, радиометров и спектрометров. Также применяется в радиационной химии для изучения радиолиза воды и органических соединений.

Прочие применения

• Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи): в некоторых конструкциях РИТЭГов (например, в советских моделях) использовался кобальт-60, однако впоследствии он был заменён на более эффективные изотопы (стронций-90, полоний-210).
• Толщиномеры и уровнемеры: в промышленности для измерения толщины стенок или уровня жидкости в закрытых ёмкостях.

Радиационная опасность и безопасность

Биологическое действие

Кобальт-60 представляет серьёзную радиационную опасность. Гамма-излучение высокой энергии обладает высокой проникающей способностью и может вызывать лучевую болезнь, онкологические заболевания и генетические мутации. Предельно допустимая концентрация (ПДК) кобальта-60 в воздухе рабочих помещений в РФ составляет 3,7×10⁻³ Бк/м³.

Защита

Для защиты от излучения кобальта-60 используются свинцовые, стальные или бетонные экраны. Толщина полуослабления для свинца составляет около 12 мм, для бетона — около 60 мм. Хранение и транспортировка осуществляются в специальных контейнерах из свинца или обеднённого урана. Категорически запрещён контакт с открытым источником без защитных средств.

Инциденты

Наиболее известный случай радиационной аварии с кобальтом-60 произошёл в 1987 году в Гоянии (Бразилия). Воры похитили из заброшенной больницы капсулу с кобальтом-60, вскрыли её и раздали порошок знакомым. В результате 4 человека погибли, более 250 получили лучевые поражения. В России в 2013 году на заводе «Полиметалл» (Красноярский край) произошла утечка кобальта-60, что привело к радиоактивному загрязнению территории.

Утилизация и хранение

Отработанные источники кобальта-60 после снижения активности до безопасного уровня (обычно через 10–15 периодов полураспада, то есть 50–80 лет) подлежат захоронению на специализированных полигонах радиоактивных отходов. В РФ этим занимается ФГУП «РосРАО» (входит в госкорпорацию «Росатом»). Часть источников перерабатывается: кобальт-60 может быть извлечён и повторно использован после переплавки, однако экономически это не всегда оправдано.

Альтернативы

В ряде областей кобальт-60 вытесняется другими источниками излучения:

• Цезий-137 (период полураспада 30 лет) — используется в дефектоскопии и медицине, но имеет меньшую энергию гамма-квантов (0,662 МэВ).
• Иридий-192 (период полураспада 74 дня) — применяется в брахитерапии и промышленной радиографии, особенно для тонкостенных изделий.
• Линейные ускорители — в медицине обеспечивают более точное управление пучком и не требуют замены источника.

Тем не менее, кобальт-60 остаётся востребованным из-за высокой энергии излучения, длительного срока службы (до 5–10 лет до замены) и относительно низкой стоимости производства.

Источники

1. Гусев Н. Г., Дмитриев П. П. Квантовое излучение радиоактивных нуклидов. — М.: Атомиздат, 1977.
2. Кобальт-60 // Большая российская энциклопедия. — М., 2004.
3. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). — М.: Минздрав России, 2009.
4. Радиационная безопасность при работе с источниками кобальта-60: методические указания. — М.: Роспотребнадзор, 2012.
5. IAEA Safety Standards Series No. SSG-15: Storage of Radioactive Waste. — Vienna: IAEA, 2012.