Cobalt 60 là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và tính chất cơ bản

Cobalt-60 (⁶⁰Co) là đồng vị phóng xạ của nguyên tố cobalt, mang số khối 60, thường ký hiệu ⁶⁰Co. Đây là đồng vị nhân tạo, không tồn tại tự nhiên với hàm lượng đáng kể. ⁶⁰Co phát xạ beta và gamma với năng lượng cao, đặc trưng bởi khả năng xuyên thấu sâu và ổn định về mặt phóng xạ trong một thời gian dài.

Bán rã của ⁶⁰Co vào khoảng 5,27 năm, nghĩa là cứ 5,27 năm, một nửa số hạt nhân ⁶⁰Co sẽ phân rã thành ⁶⁰Ni. Tính chất này khiến ⁶⁰Co trở thành nguồn phóng xạ có cường độ ổn định trong nhiều năm, phục vụ cho các ứng dụng yêu cầu tia gamma liên tục và lâu dài.

Các tia gamma phát ra từ ⁶⁰Co có năng lượng cao (trung bình trên 1 MeV), đủ để xuyên qua vật liệu dày và cung cấp liều năng lượng cần thiết để diệt khuẩn, khử trùng hoặc điều trị ung thư. Tính chất này cũng đòi hỏi biện pháp che chắn nghiêm ngặt bằng chì hoặc bê tông dày để bảo vệ con người và môi trường.

Cấu trúc hạt nhân và đồng vị ổn định

Nguyên tố cobalt có số nguyên tử Z=27, đồng vị bền duy nhất là ⁵⁹Co. Khi ⁵⁹Co hấp thụ neutron trong lò phản ứng hạt nhân, nó chuyển thành ⁶⁰Co, một đồng vị không bền, sau đó phân rã thành ⁶⁰Ni. Sự biến đổi này dựa trên quá trình neutron capture (bắt neutron) và sau đó là phân rã beta.

Cấu trúc hạt nhân ⁶⁰Co gồm 33 neutron và 27 proton. Việc bổ sung một neutron so với ⁵⁹Co tạo ra mất cân bằng năng lượng, khiến hạt nhân ở trạng thái kích thích. Hạt nhân sau đó phóng thích năng lượng dư thừa qua hai bước gamma, tạo ra hai tia gamma có năng lượng 1,17 MeV và 1,33 MeV.

Các đồng vị phóng xạ khác của cobalt như ⁵⁷Co, ⁵⁸Co cũng được sử dụng trong một số ứng dụng chuyên biệt, nhưng ⁶⁰Co là phổ biến nhất nhờ thời gian bán rã vừa phải và phổ gamma phù hợp cho hầu hết nhu cầu xạ trị và khử trùng.

Phóng xạ và cơ chế phân rã

⁶⁰Co phân rã qua cơ chế beta âm (β⁻), trong đó một neutron trong hạt nhân chuyển thành proton, phát ra electron (beta) và một antineutrino. Sau quá trình này, hạt nhân chuyển thành ⁶⁰Ni ở trạng thái kích thích.

Hạt nhân ⁶⁰Ni kích thích sau đó thoái giáng bằng cách phát xạ hai tia gamma nối tiếp với năng lượng đặc trưng:

Tia gamma	Năng lượng (MeV)	Tỷ lệ phát xạ (%)
Gamma 1	1,17	99,9
Gamma 2	1,33	99,9

Sự kết hợp hai tia gamma với cường độ cao và năng lượng lớn cho phép ⁶⁰Co trở thành nguồn lý tưởng cho các ứng dụng xạ trị ung thư và khử trùng công nghiệp, nơi yêu cầu tia có khả năng xuyên sâu và phân phối liều đồng đều.

Quy trình sản xuất và nguồn cung cấp

Sản xuất ⁶⁰Co bắt đầu bằng việc nạp các thanh hoặc viên cobalt nguyên tố (⁵⁹Co) vào buồng nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân. Tại đây, các nguyên tử ⁵⁹Co hấp thụ neutron chậm (thermal neutron), chuyển thành ⁶⁰Co qua quá trình neutron capture.

• Chuẩn bị thanh mục tiêu cobalt nguyên tố, làm sạch và kiểm tra độ tinh khiết.
• Irradiation: Chiếu neutron từ lò phản ứng với thời gian định sẵn để đạt hoạt độ mong muốn.
• Làm nguội (cooling): Giảm nhiệt độ và phóng xạ ban đầu trước khi xử lý tiếp.
• Chiết tách và tinh chế: Hòa tan thanh irradiated, tách chiết ⁶⁰Co và kết tinh lại.

Các lò phản ứng thương mại và lò nghiên cứu như CANDU, TRIGA, MTR được sử dụng rộng rãi. Nhu cầu toàn cầu về ⁶⁰Co được đáp ứng bởi các cơ sở ở Canada, Nga, Pháp, Ấn Độ và một số quốc gia khác theo tiêu chuẩn an toàn của IAEA.

Ứng dụng trong y học

⁶⁰Co là nguồn tia gamma chủ lực trong xạ trị ung thư ngoài cơ thể (teletherapy). Thiết bị telecobalt sử dụng nguồn ⁶⁰Co được che chắn trong chùm chì, điều chỉnh liều qua bộ đếm giờ và bộ lọc, cung cấp liều chính xác cho khối u.

Các máy telecobalt hiện đại tích hợp hình ảnh X-quang để định vị khối u trước mỗi lần chiếu xạ, giảm thiểu liều cho mô lành. Thiết bị thường dùng nguồn từ 100 đến 500 TBq, tái nạp sau mỗi 5–7 năm khi hoạt độ giảm xuống một nửa.

• Tính năng ưu việt: khả năng xuyên sâu, đồng đều liều;
• Hạn chế: cần che chắn lớn, quản lý phóng xạ nghiêm ngặt;
• Thay thế: máy gia tốc tuyến tính (linac) nhưng chi phí đầu tư cao hơn.

⁶⁰Co còn sử dụng rộng rãi trong khử u bằng xạ hồng ngoại (brachytherapy) cho ung thư vú, cổ tử cung; và nghiên cứu dược lý bức xạ trong phòng thí nghiệm IAEA.

Ứng dụng trong công nghiệp

⁶⁰Co được dùng khử trùng thực phẩm, dược phẩm và thiết bị y tế nhờ khả năng diệt vi sinh vật hiệu quả mà không làm nhiệt độ hoặc hóa tính thay đổi nhiều. Quá trình chạy qua nguồn ⁶⁰Co có thể xử lý hàng tấn sản phẩm mỗi giờ.

Trong kiểm tra không phá hủy (NDT), ảnh gamma từ ⁶⁰Co qua lớp vật liệu dày cho phép phát hiện vết nứt, khuyết tật bên trong kim loại. Thiết bị gamma radiography thường sử dụng nguồn 370–740 GBq với cassette phim hoặc đầu dò số.

• Khử trùng thực phẩm: FDA chấp thuận với liều 1–10 kGy FDA;
• Kiểm tra vật liệu: phát hiện vết hở, lỗ rỗng bằng hình ảnh gamma;
• Hiệu chuẩn thiết bị: chuẩn chuẩn năng lượng và độ nhạy của đầu dò phóng xạ.

Đo lường và phát hiện phóng xạ

Phổ biến nhất là máy đếm Geiger-Müller (GM) để phát hiện xung beta và gamma, độ nhạy cao với liều nhỏ. Ưu điểm: gọn nhẹ, di động; nhược điểm: không phân biệt năng lượng.

Thiết bị	Ứng dụng	Ưu/Nhược điểm
GM counter	Phát hiện nhanh liều vết	Nhạy, di động / không phân biệt năng lượng
HPGe spectrometer	Phân tích phổ gamma	Độ phân giải cao / chi phí cao, cần làm lạnh
Ionization chamber	Đo liều gamma chính xác	Độ chính xác tốt / cồng kềnh

Phổ gamma 1,17 và 1,33 MeV của ⁶⁰Co giúp định chuẩn năng lượng cho các hệ thống đo. Thường xuyên hiệu chuẩn theo hướng dẫn của NRC và IAEA.

An toàn và bảo quản

⁶⁰Co phải được lưu trữ trong bồn chì hoặc buồng bê tông dày tối thiểu 15 cm chì tương đương, đảm bảo liều đo tại bề mặt che chắn không vượt 2,5 µSv/h. Các khu vực lưu trữ cần biển báo phóng xạ, hệ thống khóa và cảnh báo tự động.

• Quản lý liều cho nhân viên: tối đa 20 mSv/năm theo ICRP;
• Kế hoạch ứng phó sự cố: cách ly nguồn, phong tỏa khu vực, xử lý nhiễm xạ;
• Xử lý chất thải phóng xạ: theo quy định IAEA SSR-5, phân loại, đóng gói và chuyển giao cho đơn vị được phép.

Định kỳ đo kiểm môi trường quanh kho chứa, báo cáo kết quả cho cơ quan quản lý và thực hiện đào tạo an toàn bức xạ cho nhân viên.

Ảnh hưởng môi trường

Rò rỉ nguồn ⁶⁰Co có thể gây ô nhiễm đất và nước, tích luỹ trong chuỗi thức ăn. Nồng độ dư lượng theo dõi bằng đo hoạt độ gamma trong mẫu đất, nước và thực phẩm.

Chu kỳ bán rã 5,27 năm nghĩa là nguy cơ tồn lưu kéo dài. Việc giám sát môi trường cần thực hiện ít nhất hàng năm, phối hợp với cơ quan quan trắc môi trường và ứng dụng công cụ GIS để lập bản đồ ô nhiễm.

• Giới hạn phóng xạ trong đất canh tác: 0,5 Bq/g theo WHO;
• Giới hạn trong nước uống: 1 Bq/L theo WHO;
• Phương án khắc phục: cách ly vùng ô nhiễm, xác định diện tích, đào đất, xử lý bằng vật liệu hấp thụ.

Quy định và tiêu chuẩn quốc tế

IAEA SSR-6 quy định vận chuyển vật liệu phóng xạ, bao gồm bao bì loại A và B(U), đảm bảo chịu được va đập, nhiệt độ, áp lực và xuyên thấu. Các quy định này áp dụng khi nhập khẩu, xuất khẩu hoặc chuyển nội địa.

ICRP Publication 103 đưa ra giới hạn liều cho công chúng (1 mSv/năm) và nhân viên nghề nghiệp (20 mSv/năm). NRC ban hành hướng dẫn cụ thể cho thiết bị teletherapy và khử trùng công nghiệp tại Hoa Kỳ.

• IAEA SSR-6: “Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material”;
• ICRP 103: “The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection”;
• NRC 10 CFR Part 20: “Standards for Protection Against Radiation.”

Tài liệu tham khảo

1. International Atomic Energy Agency. “Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material (SSR-6).” IAEA; 2018.
2. International Atomic Energy Agency. “Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students.” IAEA; 2005.
3. International Commission on Radiological Protection. “ICRP Publication 103: The 2007 Recommendations.” ICRP; 2007.
4. U.S. Nuclear Regulatory Commission. “Cobalt-60 Teletherapy Source Safety.” NRC; 2018.
5. World Health Organization. “Health Effects of Ionizing Radiation.” WHO; 2016.
6. Food and Drug Administration. “Irradiation in the Production, Processing and Handling of Food.” FDA; 2017.
7. National Institute of Standards and Technology. “Table of Radioactive Isotopes: Cobalt-60.” NIST; 2020.