Кобальтовая пушка для обработки пшеницы
Обновлено: 18.09.2024
В аппарате для облучения глубокозалегающих злокачественных опухолей, кобальтовой пушке ГУТ-400 ( гамма-установка терапевтическая), количество кобальта-60 соответствует по своей активности 400 г радия. [3]
Лежащего пациента помещают в большой барабан, внутри которого находится кобальтовая пушка , хорошо заэкранированная, чаще всего природным ураном, более пригодным для этой цели, чем свинец. Если бы защита изготовлялась из свинца, она должна была бы иметь огромные размеры и весила бы в четыре раза больше, чем урановая. Общий вес радиационной защиты такой установки достигает нескольких сотен килограммов. Управление кобальтовой пушкой осуществляется из соседнего помещения при помощи сложной автоматики. [5]
Дозу облучения можно регулировать, не только изменяя расстояние от источника излучения до объекта, но и опуская кобальтовую пушку под землю и поднимая ее лишь на то время, когда предполагается проводить облучение исследуемых объектов. [6]
Радиоактивный изотоп 60Со широко применяют как Р - и - излучатель с периодом полураспада 5 2 г. Приборы с этим изотопом ( кобальтовая пушка ) используют в медицине для лечения раковых заболеваний, стерилизации продуктов, инициирования полимеризации и обработки пластмасс, в научных исследованиях. [7]
Из типичного оборудования, которое может быть использовано для химических целей, можно назвать атом ые реакторы, электростатические генераторы типа Ван - дерТраафа, кобальтовые пушки , циклотроны, синхротроны, бетатроны, электронные ускорители, например довольно компактный линейный ускоритель на бегущей волне. Однако элементарные расчеты указывают на нецелесообразность применения указанного оборудования в лабораторной практике. Если это излучение полностью используется на образование радикалов, то скорость их образования при С 5 составит около 7 4 - 10 - б моль / с. [8]
Были использованы три источника излучения: высоко интенсивное у-излучение Со64, электронный линейный ускоритель и брукхейвенский реактор с гефитовым замедлителем. Кобальтовая пушка давала поля до 6 5 106 р / ч, измеренные дозиметром Фрика. [9]
Другая установка с радиоактивным кобальтом представляет собой как бы огромные клещи. На конце одного плеча находится кобальтовая пушка , на конце другого - - противовес из свинцовых блоков. Все устройство равномерно поворачивается вокруг пациента, которого укладывают так, чтобы пучок излучения все время был направлен в центр опухоли. [10]
Не только рентгеновские лучи, но и другие виды излучения могут вызывать наследственные изменения. Источником гамма-лучей в лабораториях обычно служит радиоактивный кобальт ( Со60), помещенный в так называемые кобальтовые пушки . Особенно удобны пушки в опытах с продолжительным, хроническим облучением, когда облучаемые объекты располагают по концентрическим окружностям на разных расстояниях от источника излучения. [11]
Начиная с 20 - х годов нашего столетия, кобальт стал одним из важнейших легирующих металлов, используемых в производстве инструментальных сталей, термических сплавов, сплавов с особыми магнитными свойствами, на что расходуется 77 % всего выпускаемого кобальта. Значительную роль кобальт играет как катализатор в органическом синтезе, в производстве эмалей и красок; в медицине изотоп 60Со применяют в кобальтовых пушках . [12]
Начиная с 20 - х годов нашего столетия, кобальт стал одним из важнейших легирующих металлов, используемых в производстве инструментальных сталей, термических сплавов, сплавов с-особыми магнитными свойствами, на что расходуется 77 % всего выпускаемого кобальта. Значительную роль кобальт играет как катализатор в органическом синтезе, в производстве эмалей и красок; в медицине изотоп 60Со применяют в кобальтовых пушках . [13]
Широкое и все возрастающее применение находят меченые атомы в медицине и биологии. Например, при помощи радиоактивного йода определяют локализацию опухолей ( в мозгу); радиоактивным кобальтом ( Совп), испускающим f - лучи ( прибор кобальтовая пушка ), разрушают наружные раковые опухоли. [15]
Сергей Будник, подтянутый, начинающий седеть мужчина средних лет, деловито демонстрирует три коробки с шампиньонами, которые провели две недели без холодильника. В первую лучше не смотреть. Во второй грибы слегка тронулись плесенью, в третьей — гладкие шляпки на довольно крепких ножках, как будто их сорвали вчера. Две недели назад Будник обработал последние две коробки в электронном ускорителе. Шампиньоны облучили разными дозами ускоренных электронов. Грибы, получившие большую дозу, остались вполне свежими, а другие немножко испортились.
Сергей Будник, подтянутый, начинающий седеть мужчина средних лет, деловито демонстрирует три коробки с шампиньонами, которые провели две недели без холодильника. В первую лучше не смотреть. Во второй грибы слегка тронулись плесенью, в третьей — гладкие шляпки на довольно крепких ножках, как будто их сорвали вчера. Две недели назад последние две коробки облучили разными дозами свободных электронов. Грибы, получившие дозу побольше, остались вполне свежими, а другие слегка испортились.
Как устроен ускоритель
Когда и зачем придумали облучать еду
В 1950-х годах перед советскими учёными стояла задача подавить прорастание корнеплодов, избавиться от патогенной микрофлоры и личинок насекомых и обеспечить долгое хранение зерна и консервов. Решить её попытались с помощью облучения продуктов малыми дозами. В 1953 году Минздрав СССР разрешил радиационную стерилизацию картофеля и зерна, а за последующие 30 лет добавлял в список овощи, фрукты, мясо, рыбу, консервы, крупы.
Тогда же советские физики из Новосибирска разработали новую технологию — электронно-лучевую обработку продуктов с помощью ускорителя. Первое устройство они установили в одесский портовый элеватор, куда в основном прибывали зарубежные корабли с пшеницей. Ускоритель за время работы обработал 10 млн тонн зерна. Шишкина вспоминает, что проекты промышленных установок на основе кобальта были готовы и почти установлены на Черниговском картофельном заводе и на предприятии по изготовлению овощных консервов и фруктовых соков в Канибодаме (Таджикистан). Но авария на Чернобыльской АЭС, перестройка и распад СССР поставили крест на проекте. Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии (ВНИИРАЭ) возобновил исследования только в 2007 году.
Как нашли инвесторов
Что представляет собой рынок
По данным ВНИИРАЭ, 69 стран разрешают обработку ионизирующим излучением более 80 видов пищевых продуктов. Наиболее перспективными считаются технологии с применением электронного, тормозного рентгеновского и гамма излучений. Это более экологичный способ по сравнению с химической обработкой. Мировой рынок услуг облучения продуктов питания и сельхозпродукции оценивался в 2010 году в $2,3 млрд, прогноз на 2020 год — $4,8 млрд.
Перспективы
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Технологическая схема производства взорванных зерен злаковых культур представлена на рис. 3.1.
Очистка. Поступившие в цех зерно или крупу очищают от посторонних примесей на зерновом сепараторе. Для зерна и круп отдельных видов применяют сита с различным диаметром отверстий. Качество просеивания зерна и круп оказывает существенное влияние на дальнейшие технологические операции и на качество готового продукта, в частности на внешний вид.
Калибрование. Это выравнивание продукта путем отбора зерен по размерам, превышающим стандартные. Данная операция улучшает технологические свойства сырья, повышает качество готовой продукции и позволяет избежать потери сырья.
В этих целях используют сита с диаметрами отверстий, указанными в табл. 3.2.
Кондиционирование. Очищенное сырье подают в шнек для кондиционирования и затем направляют в промежуточные бункера, где хранят до дальнейшей переработки. Для получения взорванных зерен нормального качества термическую обработку необходимо проводить при определенной влажности.
При взрывании крупы или зерна с недостаточной влажностью резко возрастает процент невзорвавшихся зерен. Если используется крупа с повышенной влажностью, наблюдается сильное комкование материала после взрыва.
Целью кондиционирования является создание оптимальной влажности, при которой можно получить наибольший выход взорвавшихся зерен. Для кукурузной крупы влажность должна быть 13%, рисовой — 12. 13,5, пшеничной — 14. 15,5%.
Достигнув заданного давления, прекращают подачу газа; продолжительность цикла 12. 15 мин.
По окончании цикла цилиндр освобождают от фиксатора и опускают горловиной вниз под утлом 58° к горизонтальной оси. При этом защелка затвора и крышка открываются и крупа из цилиндра давлением выбрасывается в приемный бункер.
Читайте также: