灭菌“核武器”——钴-60伽马射线辐照
在抗击新型冠状病毒肺炎疫情的最前线，武汉医疗物资的紧缺成为让全社会揪心的话题；医用防护服和口罩生产企业放弃春节休假紧急复工的新闻，则是全社会众志成城对抗疫情的写照。一场疫情，就好比一场战争，涉及全社会方方面面的动员，每一个行业，都在以自己的方式，为抗击疫情做出自己的贡献。 
对于防护服、口罩、手套、消毒棉、手术刀等各种医疗器械和用品来说，使用前的灭菌是重中之重。所谓灭菌，就是通过各种物理、化学手段保证去除或杀死物品上的全部细菌、病毒、真菌等微生物，使之达到10-6的无菌保证水平，即保证一件物品上微生物存活的概率仅为百万分之一。只有这样，才能杜绝医疗器械和用品上的微生物对患者造成额外的感染和伤害。
最基本的灭菌方法是热灭菌，即采用干热空气或高压蒸汽处理物品，能够彻底杀灭微生物。然而，这样的方法显然不适用于防护服、口罩等由化纤布料制成的耐热性较差的物品。另一类传统灭菌方法是化学法，主要是用环氧乙烷气体处理物品，使环氧乙烷分子充分渗透到物品的表面和各种孔隙中，与微生物蛋白质上的羧基（-COOH）、氨基（-NH2）、羟基（-OH）、巯羟基（-SH）等含有活泼氢的官能团反应，使蛋白质变性，从而杀灭微生物。但是，环氧乙烷有较大的毒性，灭菌的产品需要通过严格的检测，确保环氧乙烷残留量低于安全限值。
对于防护服、口罩、手套、消毒棉、手术刀等各种医疗器械和用品来说，使用前的灭菌是重中之重。所谓灭菌，就是通过各种物理、化学手段保证去除或杀死物品上的全部细菌、病毒、真菌等微生物，使之达到10-6的无菌保证水平，即保证一件物品上微生物存活的概率仅为百万分之一。只有这样，才能杜绝医疗器械和用品上的微生物对患者造成额外的感染和伤害。
最基本的灭菌方法是热灭菌，即采用干热空气或高压蒸汽处理物品，能够彻底杀灭微生物。然而，这样的方法显然不适用于防护服、口罩等由化纤布料制成的耐热性较差的物品。另一类传统灭菌方法是化学法，主要是用环氧乙烷气体处理物品，使环氧乙烷分子充分渗透到物品的表面和各种孔隙中，与微生物蛋白质上的羧基（-COOH）、氨基（-NH2）、羟基（-OH）、巯羟基（-SH）等含有活泼氢的官能团反应，使蛋白质变性，从而杀灭微生物。但是，环氧乙烷有较大的毒性，灭菌的产品需要通过严格的检测，确保环氧乙烷残留量低于安全限值。
那么有没有快速、高效、安全的灭菌手段呢？答案当然是有的，那就是堪称灭菌“核武器”的辐照灭菌。等待灭菌的医疗用品，就装在这些白色的箱子里，即将被送入辐照室。
在日常生活中，晒被子的主要目的之一是利用日光中的紫外线杀死被子里的螨虫和微生物。辐照灭菌，则是利用放射性同位素辐射出的高能γ射线破坏掉微生物的生物分子，从而彻底杀灭微生物。由于γ射线穿透能力强，辐照灭菌可以对整箱整箱密封包装好的物品进行深度灭菌，灭菌过程快捷简便，且辐照处理过的产品可立即使用，不用担心有害化学物质或放射性的残留（只是γ射线光子穿透而过，不会在物品中产生放射性元素），是在医疗器械和食品加工行业应用前景广泛的新型灭菌技术。工业生产中使用的γ辐射源是钴-60同位素。
钴（Co）是我们身边并不罕见的一种元素，且不说各类合金和磁性材料，从青花瓷到锂电池中都有钴的身影，什么时候钴成了一种放射性元素了？
原来，钴在自然界中只存在一种稳定同位素——钴-59，其原子核由27个质子和32个中子构成，我们在日常生活中接触到的钴基本都是钴-59。如果强行“塞给”钴-59一个中子，它就会变成不稳定的钴-60，通过β-衰变（原子核内的一个中子变成质子并发射出一个电子和一个反中微子）转变成镍的稳定同位素镍-60，同时，多余的能量就以γ射线的形式释放出来，其γ射线能量达到1兆电子伏特以上（作为对比，可见光的光子能量大概是几个电子伏特）。然而，钴-60的半衰期只有5.27年，无法长期储存和使用，需要不断生产新的钴-60才能满足需求。
生产钴-60的原理就是给钴-59加上一个中子。地球上哪里产生的中子最多呢？答曰，核反应堆里。目前广泛应用的核裂变发电，就是利用中子撞上铀-235引发的链式裂变反应释放出的能量。核电站里的中子，既然可以用来轰铀-235，那也可以轰钴-59。
然而，受限于各类反应堆的特性，目前只有重水反应堆才适用于工业化生产钴-60。重水反应堆是以重水作为冷却剂和减速剂的反应堆。所谓重水，就是水中的氢原子不是只含一个质子的普通氢，而是一个质子+一个中子的同位素氘（音“刀”），比普通水更重，故而被称作重水，写成化学式就是D2O。相应地，普通氢构成的水被称作轻水。
重水吸收中子的能力低于轻水，所以重水堆可以使用天然铀或从轻水堆乏燃料（经轻水堆使用之后铀-235丰度大大降低的核燃料）中回收的铀作为核燃料，而轻水堆必须使用浓缩了铀-235的核燃料。当然，由于重水价比黄金，重水堆的建造成本高昂，并没有成为当今商业核电站的主流。
目前实现商业应用的重水反应堆都基于加拿大CANDU（音译为“坎杜”）型压力管式重水反应堆，即核燃料放在水平的压力管中，管内流动的重水作为冷却剂带走核反应的热量用于发电。压力管本身也浸没在重水中，管外的重水起到慢化剂的作用，把核裂变释放的快中子减速为适宜链式反应的低速的热中子。调节棒在反应堆运行过程中始终插在堆芯里，用于展平堆芯功率分布。刚才提到重水对中子的吸收少，所以重水堆内的中子密度比轻水堆更高。如果把重水堆的不锈钢调节棒换成钴调节棒，让天然钴-59吸收反应堆里的中子，就能实现钴-60的工业化生产。我国的商用核反应堆里，只有秦山核电三期的两座70万千瓦机组是重水堆。
上世纪90年代，在我国从加拿大谈判引进这两座重水反应堆时，除了完善我国民用核能产业链、期望实现核燃料循环之外，自主生产钴-60也是一个重要的考量。然而，手握钴-60生产技术的加拿大方面开出极为苛刻的价码，还要求控制中国钴-60的生产和销售。这是中国无论如何都不能答应的条件，但是我国对钴-60的迫切需求也是客观存在的。面对国外的垄断和技术封锁，我国核工业人决定自力更生，从2004年开始自主攻关，突破了钴控制棒的设计、制造等多个难题，在2008年生产出第一批钴控制棒组件。
钴控制棒由钴芯块串联而成。这样的芯块要求组织均匀致密、尺寸精度高，是采用粉末冶金工艺生产的，即把钴粉压制成型后，在氢气保护气氛中烧结为一个整体。
钴芯块外表面要镀上一层镍，防止发生氧化和金属粉末掉落的情况。
钴芯块（放在培养皿中的金属块）被逐一装入锆合金包壳管（桌面中央的金属管）内，再组装到连接部件上构成控制棒组件的一个单元（桌面右侧竖直放置的笼状物体），最终串接成一根钴调节棒组件（桌面远端水平放置的长棒束）。
2008年底，首批国产钴调节棒趁着秦山重水堆停机检修的机会被放入反应堆中。经过一年半的辐照，2010年5月27日，这批钴调节棒在反应堆下一次停堆检修时被取出。
经过辐照的钴调节棒在乏燃料屏蔽水池中发出独特的蓝光。这是切伦科夫辐射，是由于钴-60衰变放出的电子和γ射线激发出的二次电子的运动速度超过水中光速而产生的。这幽幽蓝光，标志着我国首批工业用钴-60生产成功，可用于辐照灭菌等工业领域。2019年4月1日，我国首批用于伽马刀治疗的医用钴-60顺利从反应堆中取出，有望造福脑部肿瘤患者。
从反应堆中取出的钴-60芯块经过分装，将被投入各行各业的生产中。
目前，世界上只有加拿大、俄罗斯、中国等少数国家能够生产钴-60。2011年秦山核电站生产的首批工业钴-60投放市场，成功打破国外企业对钴-60定价权的垄断，再到去年医用钴-60生产成功，我国突破了国外技术封锁，实现了钴-60产业链的自主可控。现如今，秦山核电站生产的工业钴-60能够满足国内70%的需求，且取得了走出国门的突破。
在防疫这场“战争”中，“兵马未动粮草先行”的古训从未过时。当医务人员毅然走上“战场”，他们的身后离不开各行各业提供的坚实保障。让医疗用品的灭菌过程更加快捷，让医疗器械更加安全，我国的核工业人正是以种方式，为这场看不见硝烟的“战争”贡献自己特殊的一份力量。
在日常生活中，晒被子的主要目的之一是利用日光中的紫外线杀死被子里的螨虫和微生物。辐照灭菌，则是利用放射性同位素辐射出的高能γ射线破坏掉微生物的生物分子，从而彻底杀灭微生物。由于γ射线穿透能力强，辐照灭菌可以对整箱整箱密封包装好的物品进行深度灭菌，灭菌过程快捷简便，且辐照处理过的产品可立即使用，不用担心有害化学物质或放射性的残留（只是γ射线光子穿透而过，不会在物品中产生放射性元素），是在医疗器械和食品加工行业应用前景广泛的新型灭菌技术。工业生产中使用的γ辐射源是钴-60同位素。
钴（Co）是我们身边并不罕见的一种元素，且不说各类合金和磁性材料，从青花瓷到锂电池中都有钴的身影，什么时候钴成了一种放射性元素了？
原来，钴在自然界中只存在一种稳定同位素——钴-59，其原子核由27个质子和32个中子构成，我们在日常生活中接触到的钴基本都是钴-59。如果强行“塞给”钴-59一个中子，它就会变成不稳定的钴-60，通过β-衰变（原子核内的一个中子变成质子并发射出一个电子和一个反中微子）转变成镍的稳定同位素镍-60，同时，多余的能量就以γ射线的形式释放出来，其γ射线能量达到1兆电子伏特以上（作为对比，可见光的光子能量大概是几个电子伏特）。然而，钴-60的半衰期只有5.27年，无法长期储存和使用，需要不断生产新的钴-60才能满足需求。
生产钴-60的原理就是给钴-59加上一个中子。地球上哪里产生的中子最多呢？答曰，核反应堆里。目前广泛应用的核裂变发电，就是利用中子撞上铀-235引发的链式裂变反应释放出的能量。核电站里的中子，既然可以用来轰铀-235，那也可以轰钴-59。
然而，受限于各类反应堆的特性，目前只有重水反应堆才适用于工业化生产钴-60。重水反应堆是以重水作为冷却剂和减速剂的反应堆。所谓重水，就是水中的氢原子不是只含一个质子的普通氢，而是一个质子+一个中子的同位素氘（音“刀”），比普通水更重，故而被称作重水，写成化学式就是D2O。相应地，普通氢构成的水被称作轻水。
重水吸收中子的能力低于轻水，所以重水堆可以使用天然铀或从轻水堆乏燃料（经轻水堆使用之后铀-235丰度大大降低的核燃料）中回收的铀作为核燃料，而轻水堆必须使用浓缩了铀-235的核燃料。当然，由于重水价比黄金，重水堆的建造成本高昂，并没有成为当今商业核电站的主流。
目前实现商业应用的重水反应堆都基于加拿大CANDU（音译为“坎杜”）型压力管式重水反应堆，即核燃料放在水平的压力管中，管内流动的重水作为冷却剂带走核反应的热量用于发电。压力管本身也浸没在重水中，管外的重水起到慢化剂的作用，把核裂变释放的快中子减速为适宜链式反应的低速的热中子。调节棒在反应堆运行过程中始终插在堆芯里，用于展平堆芯功率分布。刚才提到重水对中子的吸收少，所以重水堆内的中子密度比轻水堆更高。如果把重水堆的不锈钢调节棒换成钴调节棒，让天然钴-59吸收反应堆里的中子，就能实现钴-60的工业化生产。我国的商用核反应堆里，只有秦山核电三期的两座70万千瓦机组是重水堆。
上世纪90年代，在我国从加拿大谈判引进这两座重水反应堆时，除了完善我国民用核能产业链、期望实现核燃料循环之外，自主生产钴-60也是一个重要的考量。然而，手握钴-60生产技术的加拿大方面开出极为苛刻的价码，还要求控制中国钴-60的生产和销售。这是中国无论如何都不能答应的条件，但是我国对钴-60的迫切需求也是客观存在的。面对国外的垄断和技术封锁，我国核工业人决定自力更生，从2004年开始自主攻关，突破了钴控制棒的设计、制造等多个难题，在2008年生产出第一批钴控制棒组件。
钴控制棒由钴芯块串联而成。这样的芯块要求组织均匀致密、尺寸精度高，是采用粉末冶金工艺生产的，即把钴粉压制成型后，在氢气保护气氛中烧结为一个整体。
钴芯块外表面要镀上一层镍，防止发生氧化和金属粉末掉落的情况。
钴芯块（放在培养皿中的金属块）被逐一装入锆合金包壳管（桌面中央的金属管）内，再组装到连接部件上构成控制棒组件的一个单元（桌面右侧竖直放置的笼状物体），最终串接成一根钴调节棒组件（桌面远端水平放置的长棒束）。
2008年底，首批国产钴调节棒趁着秦山重水堆停机检修的机会被放入反应堆中。经过一年半的辐照，2010年5月27日，这批钴调节棒在反应堆下一次停堆检修时被取出。
经过辐照的钴调节棒在乏燃料屏蔽水池中发出独特的蓝光。这是切伦科夫辐射，是由于钴-60衰变放出的电子和γ射线激发出的二次电子的运动速度超过水中光速而产生的。这幽幽蓝光，标志着我国首批工业用钴-60生产成功，可用于辐照灭菌等工业领域。2019年4月1日，我国首批用于伽马刀治疗的医用钴-60顺利从反应堆中取出，有望造福脑部肿瘤患者。
从反应堆中取出的钴-60芯块经过分装，将被投入各行各业的生产中。
目前，世界上只有加拿大、俄罗斯、中国等少数国家能够生产钴-60。2011年秦山核电站生产的首批工业钴-60投放市场，成功打破国外企业对钴-60定价权的垄断，再到去年医用钴-60生产成功，我国突破了国外技术封锁，实现了钴-60产业链的自主可控。现如今，秦山核电站生产的工业钴-60能够满足国内70%的需求，且取得了走出国门的突破。
在防疫这场“战争”中，“兵马未动粮草先行”的古训从未过时。当医务人员毅然走上“战场”，他们的身后离不开各行各业提供的坚实保障。让医疗用品的灭菌过程更加快捷，让医疗器械更加安全，我国的核工业人正是以种方式，为这场看不见硝烟的“战争”贡献自己特殊的一份力量。
参考资料：
中央电视台. 《走近科学》20190827 探寻钴-60.
中央电视台. 《走近科学》20190827 探寻钴-60.