Complexo Educacional Santa Marcelina - "Sophia Marchetti"
AutorEliezer de Moura Cardoso
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA APRESENTAÇÃO O Programa de Integração CNEN - PIC, em seu Módulo I - Informação Técnica,visa apresentar informações básicas sobre a energia nuclear e das radiações, de forma simplese objetiva. Idealizado pelo Eng. Eliezer de Moura Cardoso, atualmente servidor aposentadopela CNEN, foi realizado pela primeira vez em 1992 e novamente em 1998 e 2003, semprecom grande sucesso e aceitação por parte dos servidores da CNEN. A sigla PIC por eleproposta tornou-se conhecida e divulgada na Instituição. Devido à admissão de novos servidores e levando em consideração que, porfatores diversos, vários servidores antigos não tiveram a oportunidade de participar dasedições anteriores, a Coordenação Geral de Recursos Humanos - CGRH convidou o Eng.Eliezer para coordenar mais um PIC, incluindo a preparação da apostila correspondente e aapresentação ao público alvo. Este Módulo deverá ser apresentado periodicamente, visandouma reciclagem de conhecimentos. O presente trabalho, apostila do Módulo I do PIC, aborda, de forma simples e comlinguagem acessível a pessoas que não atuam em áreas técnicas, os conceitos de energia,energia nuclear, radioatividade, segurança nuclear, radioproteção, bem como mostra asaplicações da energia nuclear e das radiações em benefício da sociedade. A CGRH pretende, com a realização do PIC em seus dois módulos, estarcontribuindo para um melhor conhecimento das atribuições da CNEN, de sua atuação e de suaresponsabilidade perante a sociedade. COORDENAÇÃO GERAL DE RECURSOS HUMANOS DIRETORIA DE GESTÃO INSTITUCIONAL 1
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAENERGIA De um modo geral, a energia pode ser definida como a capacidade de realizar trabalhoou como o resultado da realização de um trabalho. Na prática, a energia é melhor "sentida" do que definida. Quando se olha para o Sol, tem-se a sensação de que ele é dotado de muita energia,devida à luz e ao calor que emite constantemente.FORMAS DE ENERGIA Existem várias formas ou modalidades de energia:a) Energia Cinética: associada ao movimento dos corpos.b) Energia Potencial: armazenada num corpo material ou numa posição no espaço e que pode ser convertida em energia "sensível" a partir de uma modificação de seu estado, podendo ser citadas, por exemplo, a Energia Potencial Gravitacional, Energia Química, Energia de Combustíveis e a energia existente nos átomos.c) Luz e Calor são duas outras modalidades de energia: Energia Luminosa e Energia Térmica, fáceis de serem "sentidas".d) Energia Magnética (ímã): só pode ser percebida por meio de sua atração sobre alguns materiais, como o ferro. 2
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAMATÉRIA E ENERGIA Se um carro, a uma velocidade de 30km/h, bater em um muro, vai ficar todoamassado e quase nada vai acontecer como muro. Se um caminhão carregado, tambéma 30 km/h, bater no mesmo muro, vai"arrebentá-lo" e o caminhão quase nadasofrerá. Isso significa que, quanto maior amassa, maior a energia associada aomovimento.USO DA ENERGIA A energia elétrica é muito importante para as indústrias, porque torna possível ailuminação dos locais de trabalho, o acionamento de motores, equipamentos e instrumentos demedição. Para todas as pessoas, entre outras aplicações, a energia elétrica serve para iluminar asruas e as casas, para fazer funcionar os aparelhos de televisão, os eletrodomésticos e oselevadores dos edifícios. Sem energia elétrica seria muito incômodo construir e habitar edifíciosde mais de três andares. Por todos esses motivos, é interessante converter outras formas de energia em energiaelétrica.CONVERSÃO DE ENERGIA Um bom exemplo de conversão de uma forma de energia em outra é o nosso corpo. Aenergia liberada pelas reações químicas que ocorrem nos diversos órgãos (estômago,intestinos, fígado, músculos, sangue etc.) é convertida em ações ou movimentos (andar, correr,trabalhar etc.). 3
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Nesses casos, a energia química é convertida em energia cinética. Quando suamos, estamos eliminando o excesso deenergia recebida pelo nosso corpo (exposição ao Sol, porexemplo) ou gerado por uma taxa anormal de reaçõesquímicas dentro dele, para que sua temperatura permaneçaem um valor constante de 36,5 oC. Esse calor é o resultadoda transformação da energia química em energia térmica.CONVERSÃO PARA ENERGIA ELÉTRICA Numa Usina Hidroelétrica, converte-se em eletricidade a energia de movimento decorrentes de água. O dispositivo de conversão é formado por uma turbina acoplada a umgerador. Uma turbina para geração de energiaelétrica é constituída de um eixo, dotado depás. Estas podem ser acionadas por águacorrente e, então, o seu eixo entra emrotação e move a parte interna do gerador,fazendo aparecer, por um fenômenodenominado indução eletromagnética, umacorrente elétrica nos fios de sua parteexterna. 4
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA CENTRAL TÉRMICA Se as pás forem movidas porpassagem de vapor, obtido poraquecimento de água como se fosseuma grande chaleira, tem-se, então,uma Usina Termelétrica. O calor podeser gerado pela queima de óleocombustível, carvão ou gás.ESTRUTURA DA MATÉRIA O ferro é um material, ou melhor, um elemento químico bastante conhecido e fácil de serencontrado. Se triturarmos uma barra de ferro, obteremos pedaços cada vez menores, até atingirmosum tamanho mínimo, que ainda apresentará as propriedades químicas do ferro. Essa menorestrutura, que apresenta ainda as propriedades de um elemento químico, é denominadaÁTOMO, que em grego significa indivisível.O ÁTOMO Por muito tempo, pensou-se que o átomo, na forma acima definida, seria a menor porçãoda matéria e teria uma estrutura compacta. Atualmente, sabemos que o átomo é constituídopor partículas menores (sub-atômicas), distribuídas de uma forma que lembra o Sistema Solar. Existe um Núcleo, onde fica concentrada a massa do átomo e minúsculas partículas quegiram em seu redor, denominadas elétrons. Os elétrons são partículas de carga negativa emassa muito pequena. 5
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA A comparação com o sistema solar,embora sirva para dar uma idéia visual daestrutura do átomo, destacando os "grandesespaços vazios", não exprime a realidade. No sistema solar, os planetas sedistribuem quase todos num mesmo planode rotação ao redor do Sol. No átomo, oselétrons se distribuem em vários planos emtorno do núcleo. Não é possível determinarsimultaneamente a posição de um elétron esua velocidade num dado instante.ESTRUTURA DO NÚCLEO E ENERGIA NUCLEAR O Núcleo do átomo é constituído de partículas de carga positiva, chamadas prótons, ede partículas de mesmo tamanho mas sem carga, denominadas nêutrons. Os prótons têm a tendência de se repelirem, porque têm amesma carga (positiva). Como eles estão juntos no núcleo,comprova-se a existência de energia nos núcleos dos átomos commais de uma partícula: a energia de ligação dos nucleons ou energianuclear. Denomina-se nuclídeo qualquer configuração nuclear, mesmoque transitória. Num átomo neutro o número de prótons é igual ao número de elétrons. O número de prótons (ou número atômico) identifica um elemento químico,comandando seu comportamento em relação aos outros elementos. ELEMENTOS QUÍMICOS NATURAIS O elemento natural mais simples,o hidrogênio, possui apenas um próton;um dos mais complexos, o urânio, tem92 prótons, sendo o elemento químiconatural mais pesado. 6
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAOS ISÓTOPOS O número de nêutrons no núcleo pode ser variável, pois eles não têm carga elétrica. Comisso, um mesmo elemento químico pode ter massas diferentes. Átomos de um mesmoelemento químico com massas diferentes são denominados isótopos. O hidrogênio tem 3 isótopos: o hidrogênio, o deutério e o trítio. O urânio, que possui 92 prótons no núcleo, existe na natureza na forma de 3 isótopos: • U-234, com 142 nêutrons (em quantidade desprezível); • U-235, com 143 nêutrons (0,7%); • U-238, com 146 nêutrons no núcleo (99,3%).LIBERAÇÃO DA ENERGIA NUCLEAR Uma vez constatada a existência da energia nuclear, restava descobrir como utilizá-la. A forma imaginada para liberar a energia nuclear baseou-se na possibilidade de partir-seou dividir-se o núcleo de um átomo "pesado" , isto é, com muitos prótons e nêutrons, em doisnúcleos menores, através do impacto de um nêutron. A energia que mantinha juntos essesnúcleos menores, antes constituindo um só núcleo maior, seria liberada, na maior parte, emforma de calor (energia térmica). 7
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAFISSÃO NUCLEAR A divisão do núcleo de um átomo pesado, por exemplo, do urânio-235, em dois menores,quando atingido por um nêutron, é denominada Fissão Nuclear. Seria como jogar uma bolinhade vidro (um nêutron) contra várias outras agrupadas (o núcleo).REAÇÃO EM CADEIA Na realidade, em cada reação de fissão nuclear resultam, além dos núcleos menores,dois a três nêutrons, como conseqüência da absorção do nêutron que causou a fissão. Torna-se, então, possível que esses nêutrons atinjam outros núcleos de urânio-235, sucessivamente,liberando muito calor. Tal processo é denominado Reação de Fissão Nuclear em Cadeia ou,simplesmente, Reação em Cadeia.CONTROLE DA REAÇÃO DE FISSÃO NUCLEAR EM CADEIA Descoberta a grande fonte de energia no núcleo dos átomos e a forma de aproveitá-la,restava saber como controlar a reação em cadeia, que normalmente não pararia, até consumirquase todo o material físsil (= que sofre fissão nuclear), no caso o urânio-235. Como já foi visto, a fissão de cada átomo de urânio-235 resulta em 2 átomos menores e 2a 3 nêutrons, que irão fissionar outros tantos núcleos de urânio-235. A forma de controlar areação em cadeia consiste na eliminação do agente causador da fissão: o nêutron. Nãohavendo nêutrons disponíveis, não pode haver reação de fissão em cadeia. 8
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Alguns elementos químicos, como o boro, na forma de ácido bórico ou de metal, e ocádmio, em barras metálicas, têm a propriedade de absorver nêutrons, porque seus núcleospodem conter ainda um número de nêutrons superior ao existente em seu estado natural,resultando na formação de isótopos de boro e de cádmio. A grande aplicação do controle da reação de fissão nuclear em cadeia é nos ReatoresNucleares, para geração de energia elétrica.URÂNIO ENRIQUECIDO A quantidade de urânio-235 na natureza é muito pequena: para cada 1.000 átomos deurânio, 7 são de urânio-235 e 993 são de urânio-238 (a quantidade dos demais isótopos édesprezível). Para ser possível a ocorrência de uma reação de fissão nuclear em cadeia, énecessário haver quantidade suficiente de urânio-235, que é fissionado por nêutrons dequalquer energia, preferencialmente os de baixa energia, denominados nêutrons térmicos("lentos"). Nos Reatores Nucleares do tipo PWR (como os de ANGRA), é necessário haver aproporção de cerca de 32 átomos de urânio-235 para 968 átomos de urânio-238, em cadagrupo de 1.000 átomos de urânio, ou seja, cerca 3,2% de urânio-235. O urânio encontrado na natureza precisa ser tratado industrialmente, com o objetivo deelevar a proporção (ou concentração) de urânio-235 para urânio-238, de 0,7% para cerca de3,2%. Para isso deve, primeiramente, ser purificado e convertido em gás.ENRIQUECIMENTO DE URÂNIO O processo físico de retirada de urânio-238 do urânio natural, aumentando, emconseqüência, a concentração de urânio-235, é conhecido como Enriquecimento de Urânio. Se o grau de enriquecimento for muito alto (acima de 90%), isto é, se houver quase sóurânio-235, pode ocorrer uma reação em cadeia muito rápida, de difícil controle, mesmopara uma quantidade relativamente pequena de urânio, passando a constituir-se em umaexplosão: é a "bomba atômica". Foram desenvolvidos vários processos de enriquecimento de urânio, entre eles o daDifusão Gasosa e da Ultracentrifugação (em escala industrial), o do Jato Centrífugo (emescala de demonstração industrial) e um processo a Laser (em fase de pesquisa). Por se tratarem de tecnologias sofisticadas e estratégicas, os países que as detêmoferecem empecilhos para que outras nações tenham acesso a elas. 9
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICARADIOATIVIDADE O esquecimento de uma rocha de urânio sobre um filme fotográfico virgem levou àdescoberta de um fenômeno interessante: o filme foi velado (marcado) por "alguma coisa" quesaía da rocha, na época denominada raios ou radiações. Outros elementos pesados, com massas próximas à do urânio, como o rádio e opolônio, também tinham a mesma propriedade. O fenômeno foi denominado radioatividade e os elementos que apresentavam essapropriedade foram chamados de elementos radioativos. Comprovou-se que um núcleo muito energético, por ter excesso de partículas ou decarga, tende a estabilizar-se, emitindo algumas partículas.PARTÍCULA ALFA OU RADIAÇÃO ALFA Um dos processos de estabilização de um núcleo comexcesso de energia é o da emissão de um grupo de partículas,constituídas por dois prótons e dois nêutrons, e da energia aelas associada. São as radiações alfa ou partículas alfa, narealidade núcleos de hélio (He), um gás chamado "nobre", pornão reagir quimicamente com os demais elementos. As partículas α possuem carga +2. 10
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAPARTÍCULA BETA OU RADIAÇÃO BETA Outra forma de estabilização, quando existe no núcleo um excesso de nêutrons emrelação a prótons, é através da emissão de uma partícula negativa, um elétron, com carga -1,resultante da conversão de um nêutron em um próton. É a partícula beta negativa ou,simplesmente, partícula beta. No caso de existir excesso de cargas positivas (prótons), é emitida uma partícula betapositiva, chamada pósitron, resultante da conversão de um próton em um nêutron. Portanto, a radiação beta é constituída departículas emitidas por um núcleo, quando datransformação de nêutrons em prótons(partículas beta) ou de prótons em nêutrons(pósitrons).RADIAÇÃO GAMA Geralmente, após a emissão de uma partícula alfa(α) ou beta (β), o núcleo resultante desse processo, aindacom excesso de energia, procura estabilizar-se, emitindoesse excesso em forma de onda eletromagnética, damesma natureza da luz, sem carga elétrica, denominadaradiação gama.RADIAÇÃO É a propagação de energia, na forma de ondas eletromagnéticas ou de partículas. A onda eletromagnética é uma forma de energia, constituída por campos elétricos ecampos magnéticos, variáveis e oscilando em planos perpendiculares entre si, capaz depropagar-se no espaço. No vácuo, sua velocidade de propagação é de 300.000 km/s. 11
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Considera-se radiação ionizante qualquerpartícula ou radiação eletromagnética que, aointeragir com a matéria, "arranca" elétrons dosátomos ou de moléculas, transformando-os emíons, direta ou indiretamente. Assim, as partículasalfa, as partículas beta e a radiação gama,emitidas por fontes radioativas, bem como osraios X, emitidos pelos respectivos aparelhos, sãoradiações ionizantes.DECAIMENTO RADIOATIVO Como foi visto, um núcleo com excesso de energia tende a estabilizar-se,emitindo partículas alfa ou beta. Em cada emissão de uma dessas partículas, há uma variação do número de prótons nonúcleo, isto é, o elemento se transforma ou se transmuta em outro, de comportamento químicodiferente. Essa transmutação também é conhecida como desintegração radioativa, designaçãonão muito adequada, porque dá a idéia de desagregação total do átomo e não apenas daperda de sua integridade. Um termo mais apropriado é decaimento radioativo, que sugere adiminuição gradual de massa e atividade.ATIVIDADE DE UMA AMOSTRA Os núcleos instáveis de uma mesma espécie (mesmo elemento químico) e de massasdiferentes, denominados radioisótopos, não realizam todas as mudanças ao mesmo tempo. As emissões de radiação são feitas de modo imprevisto e não se pode adivinhar omomento em que um determinado núcleo irá emitir radiação. Entretanto, para a grande quantidade de átomos existente em uma amostra de materialradioativo é razoável esperar-se um certo número de emissões ou transformações em cadasegundo. Essa "taxa" de transformações é denominada atividade da amostra. 12
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAUNIDADE DE ATIVIDADE A atividade de uma amostra com átomos radioativos (ou fonte radioativa) é medida em: Bq (Becquerel) = uma desintegração por segundo Ci (Curie) = 3,7 x 1010 BqMEIA-VIDA Cada elemento radioativo, seja natural ou obtido artificialmente, se transmuta (sedesintegra ou decai) a uma velocidade que lhe é característica. Para se acompanhar a duração (ou a "vida") de um elemento radioativo foi precisoestabelecer uma forma de comparação. Por exemplo, quanto tempo leva para um elemento radioativo ter sua atividade reduzida àmetade da atividade inicial ? Esse tempo foi denominado meia-vida do elemento. Meia-vida, portanto, é o tempo necessário para a atividade de um elemento radioativo ser reduzida à metade da atividade inicial. Isso significa que, para cada meia-vida que passa, a atividade vai sendo reduzida àmetade da anterior, até atingir um valor insignificante, que não permite mais distinguirsuas radiações das do meio ambiente. Dependendo do valor inicial, em muitas fontesradioativas utilizadas em laboratórios de análise e pesquisa, após 10 (dez) meias-vidas, atinge-se esse nível. Entretanto, não se pode confiar totalmente nessa "receita", pois, em várias fontesusadas na indústria e na medicina, mesmo após 10 meias-vidas, a atividade dessas fontesainda é alta.UM EXEMPLO "DOMÉSTICO" Um exemplo "caseiro" pode apresentar, de forma simples, o conceito de meia-vida: umafamília de 4 pessoas tinha 4 kg de açúcar para seu consumo normal. Logicamente, a função doaçúcar é adoçar o café, o refresco, bolos e sucos. Adoçar é a atividade do açúcar, assim comoa emissão de radiação é a atividade dos elementos radioativos. 13
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Por haver falta de açúcar no supermercado, foi preciso fazer um racionamento, até asituação ser normalizada, da seguinte forma: na primeira semana, foram consumidos 2 kg,metade da quantidade inicial, e "conseguiu-se" fazer dois bolos, um pudim, refrescos, sucos,além de adoçar o café da manhã. Na segunda semana, foi consumido 1 kg, metade daquantidade anterior e ¼ da inicial. Aí, já não deu para fazer os bolos. Na terceira semana, só foi possível adoçar os refrescos, sucos e café, com os 500gramas então existentes. Procedendo da mesma forma, na décima semana restaram cerca de 4g de açúcar, quenão dariam para adoçar um cafezinho. Essa quantidade de açúcar não faria mais o efeito deadoçar e nem seria percebida. No exemplo citado, a meia-vida do açúcar é de uma semana e, decorridas 10 semanas,praticamente não haveria mais açúcar, ou melhor, a atividade adoçante do açúcar não serianotada. No entanto, se, ao invés de 4 kg, a família tivesse feito um estoque de 200 kg, após 10meias-vidas, ainda restaria uma quantidade considerável de açúcar. 14
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Se o racionamento fosse de sal, a meia-vida do sal seria maior, por que a quantidade desal que se usa na cozinha é muito menor do que a de açúcar. De fato, leva-se muito maistempo para gastar 4 kg de sal do que 4kg de açúcar, para uma mesma quantidade de pessoas(consumidores).UM EXEMPLO PRÁTICO Vejamos o caso do iodo-131, utilizado em Medicina Nuclear para exames de tireóide, quepossui a meia-vida de oito dias. Isso significa que, decorridos 8 dias, a atividade ingerida pelopaciente será reduzida à metade. Passados mais 8 dias, cairá à metade desse valor, ou seja,¼ da atividade inicial e assim sucessivamente. Após 80 dias (10 meias-vidas), atingirá um valorcerca de 1000 vezes menor. Decaimento do iodo-131 Entretanto, se fosse necessário aplicar-se uma quantidade maior de iodo-131 nopaciente, não se poderia esperar por 10 meias-vidas (80 dias), para que a atividade natireóide tivesse um valor desprezível. Isso inviabilizaria os diagnósticos que utilizam materialradioativo, já que o paciente seria uma fonte radioativa ambulante e não poderia ficar confinadodurante todo esse período. Para felicidade nossa, o organismo humano elimina rápida e naturalmente, via fezes,urina e suor, muitas das substâncias ingeridas. Dessa forma, após algumas horas, o pacientepoderá ir para casa, sem causar problemas para si e para seus familiares. Assim, ele ficaliberado mas o iodo-131 continua seu decaimento normal na urina armazenada no depósito derejeito hospitalar, até que possa ser liberado para o esgoto comum. 15
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICARADIAÇÃO NATURAL - SÉRIES RADIOATIVAS NATURAIS Na natureza existem elementos radioativos que realizam transmutações ou"desintegrações" sucessivas, até que o núcleo atinja uma configuração estável. Isso significaque, após um decaimento radioativo, o núcleo não possui, ainda, uma organização internaestável e, assim, ele executa outra transmutação para melhorá-la e, ainda não conseguindo,prossegue, até atingir a configuração de equilíbrio. Em cada decaimento, os núcleos emitem radiações dos tipos alfa, beta e/ou gama e cadaum deles é mais "organizado" que o núcleo anterior. Essas seqüências de núcleos sãodenominadas SÉRIES RADIOATIVAS OU FAMÍLIAS RADIOATIVAS NATURAIS No estudo da radioatividade, constatou-se que existem apenas 3 séries ou famíliasradioativas naturais, conhecidas como Série do Urânio, Série do Actínio e Série do Tório. A Série do Actínio, na realidade, inicia-se com o urânio-235 e tem esse nome, porque sepensava que ela começava pelo actínio-227. As três séries naturais terminam em isótopos estáveis do chumbo, respectivamente, chumbo-206, chumbo-207 e chumbo-208. Alguns elementos radioativos têm meia-vida muito longa, como, por exemplo, oselementos iniciais de cada série radioativa natural (urânio-235, urânio-238 e tório-232). Devido a isso, é possível explicar, porque há uma porcentagem tão baixa de urânio-235em relação à de urânio-238. Como a meia-vida do urânio-235 é de 713 milhões de anos e a dourânio-238 é de 4,5 bilhões de anos, o urânio-235 decai muito mais rapidamente e, portanto, émuito mais "consumido" que o urânio-238. Com o desenvolvimento de reatores nucleares e máquinas aceleradoras de partículas,muitos radioisótopos puderam ser produzidos, utilizando-se isótopos estáveis como matériaprima. Com isso, surgiram as Séries Radioativas Artificiais, algumas de curta duração. Os principais elementos das séries acima mencionadas são apresentados no quadro aseguir. 16
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA SÉRIES RADIOATIVAS NATURAISSÉRIE DO URÂNIO SÉRIE DO ACTÍNIO SÉRIE DO TÓRIO Urânio-238 Urânio-235 Tório-2324,5 bilhões de anos 713 milhões de anos 13 ,9 bilhões de anos α α α Tório-234 Tório-231 Rádio-228 24,6 dias 24,6 horas 5,7 anos β β β Protactínio-234 Protactínio-231 Actínio-228 1,4 minutos 32.000 anos 6,13 horas β α β Urânio-234 Actínio-227 Tório-228 270.000 anos 13,5 anos 13,5anos 1,9 anos α α β α Tório-230 Frâncio-223 Tório-227 Rádio-224 83.000 anos 21 min 18,9 dias 3,6 dias α β α α Rádio-226 Rádio-223 Radônio-220 1.600 anos 11,4 dias 54,5 segundos α α α Radônio-222 Radônio-219 ... 3,8 dias 3,9 segundos α α ... ... Polônio-212 0,0000003 segundos Polônio-210 Polônio-211 140 dias 0,005 segundos α α α Chumbo-206 Chumbo-207 Chumbo-208 Estável Estável Estável 17
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAPENETRAÇÃO DAS RADIAÇÕES NA MATÉRIA As partículas alfa são as radiações mais ionizantes por terem carga +2, mas, exatamentepor esse motivo, além de ter maior massa, sua penetração na matéria é pequena, nãoconseguindo atravessar uma simples folha de papel e percorrendo poucos centímetros no ar. Dependendo de sua energia, a maioria das partículas beta, que são elétrons de origemnuclear, podem percorrer até poucos metros no ar e têm um poder ionizante bem menor doque as partículas alfa. Embora a radiação gama e os raios-x sejam as radiações mais penetrantes, seu poder deionização é baixo em relação às particulas alfa e beta. Os nêutrons se comportam de uma forma mais complexa ao atravessar a matéria, nãointeragindo por força coulombiana (das cargas elétricas), característica das outras radiações. Os nêutrons de grande energia (nêutrons rápidos) atravessam materiais mais densossem perder muita energia. Contudo, os átomos pequenos, por exemplo, os átomos dehidrogênio, são capazes de causar grande redução de energia desses nêutrons. Emcompensação, quando os nêutrons perdem bastante energia transformam-se em nêutronstérmicos, que podem ser capturados por um núcleo, alterando a estrutura desse núcleo etornando-o em radioativo, capaz de emitir radiação gama de alta energia. 18
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAREJEITOS RADIOATIVOS - O LIXO ATÔMICO Os materiais radioativos produzidos em Instalações Nucleares (Reatores Nucleares,Usinas de Beneficiamento de Minério de Urânio e Tório, Unidades do Ciclo do CombustívelNuclear), Laboratórios e Hospitais, nas formas sólida, líquida ou gasosa, que não têm maisutilidade, não podem ser simplesmente "jogados fora" ou "no lixo", por causa das radiações queemitem. Esses materiais, que não são reutilizados em virtude dos riscos que apresentam, são"rejeitados", até pelo lixo e, por isso, chamados de Rejeitos Radioativos. Na realidade, a expressão "lixo atômico" seria uma redundância ou um "pleonasmotécnico" , porque qualquer lixo é formado por átomos e, portanto, é atômico. Ele passa a teressa denominação popular, quando é radioativo.TRATAMENTO DOS REJEITOS RADIOATIVOS Os rejeitos radioativos precisam ser tratados, antes de serem liberados para o meioambiente, se for o caso. Eles podem ser liberados quando o nível de radiação é igual ao domeio ambiente e quando não apresentam toxidez química. Rejeitos sólidos, líquidos ou gasosos podem ser classificados, quanto à atividade, emrejeitos de baixa, média e alta atividade. Rejeitos sólidos de baixa atividade, como partes de maquinária contaminadas, luvas usadas, sapatilhas e aventais contaminados, são colocados em sacos plásticos e guardados em tambores ou caixas de aço, após classificação e respectiva identificação. 19
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Os produtos de fissão, resultantes do combustível nos reatores nucleares, sofremtratamento especial em Usinas de Reprocessamento, onde são separados e comercializados,para uso nas diversas áreas de aplicação de radioisótopos. Os materiais radioativos restantes,que não têm justificativa técnica e/ou econômica para serem utilizados, sofrem tratamentoquímico especial e são vitrificados, guardados em sistemas de contenção e armazenados emDepósitos de Rejeitos Radioativos. Dependendo da meia-vida, alguns rejeitos podem permanecer radioativos por dezenas,centenas ou até milhares de anos. Os rejeitos com meias-vidas superiores a 30 anos sãoconsiderados rejeitos de meia-vida longa. Os rejeitos de meia-vida curta são armazenados em locais apropriados (preparados), atésua atividade atingir um valor semelhante ao do meio ambiente, podendo, então, ser liberados.Esse critério de liberação leva em conta somente atividade do rejeito. É evidente que materiaisde atividade ao nível ambiental mas que apresentam toxidez química para o ser humano ouque são prejudiciais ao ecossistema não podem ser liberados sem um tratamento químicoadequado.DEPOSIÇÃO DOS REJEITOS RADIOATIVOS DO ACIDENTE DE GOIÂNIA Após o acidente radioativo de Goiânia, ocorrido em 1987 com uma fonte de césio-137, aCNEN estabeleceu uma série de procedimentos para a construção de dois depósitos com afinalidade de abrigar, de forma segura e definitiva, os rejeitos radioativos decorrentes desseacidente O primeiro, denominado Contêiner deGrande Porte (CGP), foi construído em 1995,dentro dos padrões internacionais de segurança,para os rejeitos menos ativos. O segundo depósito, visando os rejeitos demais alta atividade, concluído em 1997, serámantido sob controle institucional da CNEN por 50anos, coberto por um programa de monitoraçãoambiental, de forma a assegurar que não hajaimpacto radiológico no presente e no futuro. 20
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICASEGURANÇA NUCLEAR A construção de uma Usina Nuclear envolve vários aspectos de segurança, desde afase de projeto até a construção civil, montagem dos equipamentos e operação. Um reator nuclear do tipo Angra 1 e Angra 2 é conhecido como PWR (PressurizedWater Reactor = Reator a Água Pressurizada), porque opera com água sob alta pressão. O urânio, enriquecido a cerca de 3,2% em urânio-235, é colocado, em forma de pastilhasde 1 cm de diâmetro, dentro de tubos ("varetas") de 4m de comprimento, feitos de uma ligaespecial de zircônio, denominada "zircalloy".VARETAS DE COMBUSTÍVEL As varetas, contendo o urânio, conhecidas como Varetas de Combustível, sãomontadas em feixes, numa estrutura denominada ELEMENTO COMBUSTÍVEL. O urânio-235, por analogia, é chamado de combustível nuclear, porque pode substituiro óleo ou o carvão, para gerar calor. As varetas são fechadas, com o objetivo de não deixar escapar o material nelas contido(o urânio e os elementos resultantes da fissão) e podem suportar altas temperaturas. A Vareta de Combustível é a primeira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente. 21
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAVASO DE PRESSÃO Os Elementos Combustíveis são colocados dentro de um grande vaso de aço, com"paredes", no caso de Angra 1, de cerca de 33 cm e, no caso de Angra 2, de 23,5 cm. Esse enorme recipiente, denominado Vaso de Pressão do Reator, é montado sobre uma estrutura de concreto, com cerca de 5 m de espessura na base. O Vaso de Pressão do Reator é a segunda barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.A CONTENÇÃO O Vaso de Pressão do Reator e o Gerador de Vapor são instalados em uma grande"carcaça" de aço, com 3,8 cm de espessura em Angra 1. Esse envoltório, construído para manter contidos os gases ou vapores possíveis deserem liberados durante a operação do Reator, é denominado Contenção. No caso de Angra 1, a Contenção tem a forma de um tubo (cilindro). Em Angra 2 éesférica. A Contenção é a terceira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente. 22
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAEDIFÍCIO DO REATOR Um último envoltório, de concreto, revestindo a Contenção, é o próprio Edifício doReator. Tem cerca de 1 m de espessura em Angra 1. O Edifício do Reator, construído em concreto e envolvendo a Contenção de aço, é a quarta barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente e, além disso, protege contra impactos externos (queda de aviões e explosões).CIRCUITO PRIMÁRIO O Vaso de Pressão contém a água de refrigeração do núcleo do reator (os elementoscombustíveis). Essa água fica circulando quente pelo Gerador de Vapor, em circuito fechado,isto é, não sai desse Sistema, chamado de Circuito Primário. Angra 1 tem dois Geradores de Vapor; Angra 2 tem quatro. A água que circula no Circuito Primário é usada para aquecer uma outra corrente deágua, que passa pelo Gerador de Vapor. 23
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICACIRCUITO SECUNDÁRIO A outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor para ser aquecida etransformada em vapor, passa também pela turbina, em forma de vapor, acionando-a. É, aseguir, condensada e bombeada de volta para o Gerador de Vapor, constituindo um outroSistema de Refrigeração, independente do primeiro. O sistema de geração de vapor é chamado de Circuito Secundário.INDEPENDÊNCIA ENTRE OS SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A independência entre o Circuito Primário e o Circuito Secundário tem o objetivo de evitarque, danificando-se uma ou mais varetas, o material radioativo (urânio e produtos de fissão)passe para o Circuito Secundário. É interessante mencionar que a própria água do CircuitoPrimário é radioativa.FILOSOFIA DE SEGURANÇA O perigo potencial na operação dos Reatores Nucleares é representado pela altaradioatividade dos produtos da fissão do urânio e sua liberação para o meio ambiente. 24
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA A filosofia de segurança dos Reatores Nucleares é dirigida no sentido de que asUsinas Nucleares sejam projetadas, construídas e operadas com os mais elevados padrões dequalidade e que tenham condições de alta confiabilidade.SISTEMAS ATIVOS DE SEGURANÇA As barreiras físicas citadas constituem um Sistema Passivo de Segurança, isto é,atuam, independentemente de qualquer ação. Para a operação do Reator, Sistemas Ativos de Segurança são projetados para atuar,inclusive de forma redundante: na falha de algum deles, outro sistema, no mínimo, atuará,comandando, se for o caso, a parada do Reator.SEGURANÇA NO PROJETO DE UMA USINA NUCLEAR Na fase de projeto, são imaginados diversos acidentes que poderiam ocorrer em umReator Nuclear, assim como a forma de contorná-los, por ação humana ou, em últimainstância, por intervenção automática dos sistemas de segurança, projetados com essafinalidade. São, ainda, avaliadas as conseqüências em relação aos equipamentos, à estruturainterna do Reator e, principalmente, em relação ao meio ambiente. Fenômenos da natureza, como tempestades, vendavais e terremotos, e outros fatores derisco, como queda de avião e sabotagem, são também levados em consideração nodimensionamento e no cálculo das estruturas.SEGURANÇA NA OPERAÇÃO DE REATORES NUCLEARES A complexidade e as particularidades de uma Usina Nuclear exigem uma preparaçãoadequada do pessoal que irá operá-la. Existe em Mambucaba, município de Angra dos Reis, um Centro de Treinamento paraoperadores de Centrais Nucleares, que é uma "reprodução" das salas de controle de Reatoresdo tipo de Angra 1 e 2, capaz de simular todas as operações dessa usinas, inclusive aatuação dos sistemas de segurança. Para se ter uma idéia do padrão dos serviços prestadospor esse Centro, conhecido como Simulador, deve-se ressaltar que nele foram e ainda sãotreinados operadores para Reatores da Espanha, Argentina e da própria República Federal daAlemanha, responsável pelo projeto e montagem do Centro. Os instrutores são todos brasi- 25
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAleiros que, periodicamente, fazem estágios em Reatores alemães, para atualização deconhecimentos e introdução de novas experiências nos cursos ministrados.REATOR NUCLEAR E BOMBA ATÔMICA• A bomba ("atômica") é feita para ser possível explodir, ou seja, a reação em cadeia deve ser rápida e a quantidade de urânio, muito concentrado em urânio-235 (quer dizer, urânio enriquecido acima de 90%) deve ser suficiente para a ocorrência rápida da reação. Além disso, toda a massa de urânio deve ficar junta, caso contrário não ocorrerá a reação em cadeia de forma explosiva.• Um Reator Nuclear, para gerar energia elétrica, é construído de forma a ser impossível explodir como uma bomba atômica. Primeiro, porque a concentração de urânio-235 é muito baixa (cerca de 3,2%), não permitindo que a reação em cadeia se processe com rapidez suficiente para se transformar em explosão. Segundo, porque dentro do Reator Nuclear existem materiais absorvedores de nêutrons, que controlam e até acabam com a reação em cadeia, como, por exemplo, na "parada" do Reator.ACIDENTE NUCLEAR Um acidente é considerado nuclear, quando envolve uma reação nuclear ou equipamentoonde se processe uma reação nuclear. Um acidente com uma fonte radioativa, como o do césio-137, é um acidente radioativo. Duzentos e quarenta e dois reatores nucleares do tipo Angra ( PWR) já foram construídose estão em operação, ocorrendo em um deles um acidente nuclear grave, sem conseqüênciaspara os trabalhadores e o meio ambiente. Foi o acidente de Three Miles Island (TMI), nosEstados Unidos.ACIDENTE NUCLEAR EM THREE MILES ISLAND Nesse acidente, vazaram água e vapor do Circuito Primário, mas ambos ficaram retidosna Contenção. Com a perda da água que fazia a refrigeração dos elementos combustíveis,estes esquentaram demais e fundiram parcialmente, mas permaneceram confinados no Vasode Pressão do Reator. 26
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Houve evacuação parcial (constatada, posteriormente, desnecessária) da Cidade. OGovernador recomendou a saída de mulheres e crianças, que retornaram às suas casas no diaseguinte. Ao contrário do esperado, muitas pessoas quiseram ir ver o acidente de perto,sendo contidas por tropas militares e pela polícia. Embora o Reator Angra 1 seja do mesmo tipo do de TMI, ele não corre mais o risco desofrer um acidente semelhante, porque já foram tomadas as medidas preventivas que impedema repetição das falhas humanas causadoras daquele acidente. O mesmo acidente não poderia ocorrer em Angra 2, porque o projeto já prevê essasfalhas e os meios de evitar que elas aconteçam. A figura mostra como ficou o Vaso de Pressão de Three Miles Island após o acidente, podendo-se notar os elementos combustíveis e as barras de controle fundidos e que o Vaso não sofreu danos.O REATOR NUCLEAR DE CHERNOBYL O Reator de Chernobyl é de um tipo diferente dos de Angra. A maior diferença é devida ao fato de que esse Reator tem grafite no núcleo e nãopossui Contenção de aço. O combustível é o urânio-235 e o controle da reação de fissão nuclear em cadeia é feitada mesma forma: por meio de barras de controle absorvedoras de nêutrons. As varetas de combustível são colocadas dentro de blocos de grafite (que "pega fogo",quando aquecido), por onde passam os tubos da água de refrigeração, que vai produzir ovapor para acionar a turbina. A água passa entre as varetas de combustível, onde é gerado o vapor, não havendonecessidade de um gerador de vapor com essa finalidade, como em Angra 1. 27
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA As dimensões do Vaso do Reator são muito maiores, por causa da montagem dos blocosde grafite, e isso torna impraticável a construção de uma contenção de aço, como em Angra. O Reator de Chernobyl não tem Contenção de aço. Como o Vaso é bem maior, o Edifício do Reator também é bem maior e funciona comocontenção única mas não é lacrado. A parte superior o compartimento do Vaso do Reator éuma enorme "tampa" de concreto, de 1.000 toneladas, que pode ser deslocada. Apesar de operacionalmente seguro, esse Reator permite que o Sistema de SegurançaAutomático, isto é, o desligamento automático, possa ser bloqueado e o Reator passa a seroperado manualmente, não desligando automaticamente, em caso de perigo ou de falhahumana. Até aqui, já deu para se notar a diferença, em termos de Segurança Ativa e BarreirasPassivas, entre o Reator do tipo Chernobyl e o Reator do tipo Angra.O ACIDENTE DE CHERNOBYL O Reator estava em procedimento de parada (desligamento) para manutenção periódicaanual. O Setor de Engenharia Elétrica da Central queria fazer testes, na parte elétrica, com oReator quase parando, isto é, funcionando a pequena potência. Para fazer esses testes, erapreciso desligar o Sistema Automático de Segurança, caso contrário o Reator parariaautomaticamente para qualquer mudança que levasse a uma situação crítica de perigo. Os engenheiros eletricistas que conduziam os testes na turbina não tinham controlesobre a operação do Reator. Os operadores da Sala de Controle do Reator perderam ocontrole da operação, em face das experiências que estavam sendo conduzidas pelosengenheiros eletricistas. 28
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA A temperatura aumentou rapidamente e não houve água de refrigeração suficiente pararesfriar os elementos combustíveis. A água que circulava nos tubos foi total e rapidamentetransformada em vapor, de forma explosiva. Houve, portanto, uma explosão de vapor, que"arrebentou" os tubos, os elementos combustíveis e os blocos de grafite. A explosão foi tão violenta que deslocou a tampa de concreto e destruiu o teto doprédio, que não foi previsto para agüentar tal impacto, deixando o Reator "aberto" para o meioambiente. Como o grafite aquecido entra em combustão espontânea, seguiu-se um grandeincêndio, arremessando para fora grande parte do material radioativo que estava noselementos combustíveis, danificados na explosão de vapor.COMPARAÇÃO COM OS REATORES PWR DE ANGRA Em resumo, é ABSOLUTAMENTE IMPOSSÍVEL ocorrer um acidente dessa natureza emReatores do tipo PWR (Angra), porque: • Sistema Automático de Segurança não pode ser bloqueado para permitir a realização de "testes". • Os Reatores PWR não usam grafite. • Reator PWR, por ser de menor tamanho, permite a construção da Contenção de Aço. • O Vaso de Pressão do Reator PWR é muito mais robusto. • Edifício do Reator (ou Contenção de Concreto) é uma estrutura de segurança e não simplesmente um prédio industrial convencional, como o de Chernobyl. 29
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICARADIOPROTEÇÃO (PROTEÇÃO RADIOLÓGICA) A Proteção Radiológica ou Radioproteção tem como objetivos evitar ou reduzir os efeitosmaléficos das radiações sobre o ser humano, sejam elas de origem natural ou de fontesproduzidas artificialmente. Esses objetivos podem ser atingidos, aplicando-se os chamados três Princípios Básicosde Radioproteção, prescritos nas Diretrizes Básicas de Radioproteção da CNEN: PRINCÍPIO DA JUSTIFICAÇÃO Qualquer atividade envolvendo radiação ou exposição a radiações deve serjustificada em relação a possíveis alternativas e produzir um benefício positivo para aSociedade. Isso significa que, no caso de se obter o mesmo resultado com o uso de um materialradioativo e de um material não radioativo, deve ser empregado este último. PRINCÍPIO DA OTIMIZAÇÃO Uma vez justificado o uso de material radioativo ou de fontes radioativas, aplica-se oprincípio da radioproteção ocupacional: O projeto de instalações que processem ou utilizem materiais radioativos ou fontesradioativas, o planejamento do uso desses materiais ou fontes, bem como a respectivaoperação, devem garantir que as exposições às radiações sejam tão baixas quantorazoavelmente exeqüiveis. O Princípio da Otimização é também conhecido como Princípio ALARA, em inglês AsLow As Reasonably Achievable (tão baixa quanto razoavelmente exequível). PRINCÍPIO DA LIMITAÇÃO DA DOSE INDIVIDUAL As doses (quantidades de radiação) individuais de trabalhadores que utilizammateriais radioativos e de indivíduos do público não devem exceder os limites anuaisestabelecidos na Norma CNEN-NE-3.01 - Diretrizes Básicas de Radioproteção.GRANDEZAS E UNIDADES RADIOLÓGICAS • Exposição X (raios-X ou gama): quantidade de radiação absorvida pelo ar ou carga de ions transferida para o ar ou, ainda, pares iônicos produzidos no ar. Unidade: R (Roentgen - lê-se "rêntguen) 30
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA• Dose Absorvida (D) (qualquer radiação ionizante e qualquer material): quantidade de radiação (ou energia) por unidade de massa. Unidades: a) Gy (Gray) - é a unidade adotada oficialmente b) rad - unidade antiga• Dose Equivalente (H) : dose absorvida por um órgão do corpo humano, levando em consideração os efeitos biológicos produzidos, pela inclusão do "fator de qualidade" Q (Q = 1 , para raios-X, γ e β). H=D.Q Unidades: sendo Q um número adimensional, a unidade não se altera em termos degrandeza mas recebe um nome específico para distinguí-la da dose absorvida. 1) Sv (Sievert) - é a unidade adotada oficialmente 2) rem (roentgen equivalent man) - unidade antiga 1 rem = 0,01 Sv ou 1 Sv = 100 rem 3) Como o Sv e o rem expressam valores grandes em termos de Radioproteção, são usados os seus submúltiplos mSv e mrem, respectivamente.LIMITES RADIOLÓGICOS Em primeiro lugar, deve-se ressaltar que nenhum trabalhador deve ser exposto àradiação sem que seja necessário, sem ter conhecimento dos riscos radiológicos decorrentesdesse tipo de trabalho e sem que esteja treinado para o desempenho seguro de suas funções. Outros profissionais que possam vir a ser envolvidos em trabalhos com radiação tambémestão enquadrados nas determinações do parágrafo anterior. São considerados indivíduos do público qualquer membro da população não expostoocupacionalmente à radiação. Limites Primários Anuais de Dose Equivalente (Equivalente de Dose) Dose Equivalente Trabalhador Público Efetiva 50 mSv (*) 1 mSv Para órgão/tecido 500 mSv 1 mSv/wT (**) Para extremidades (***) 500 mSv 50 mSv(*) A dose média limite deve ser de 20 mSv/ano em um período de 5 anos, sendo aceitável até 50 mSv em um único ano.(**) wT é um fator de ponderação ou de peso para o tecido (T) ou órgão.(***) São consideradas extremidades: mãos, antebraços, pés e tornozelos. 31
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAEXPOSIÇÃO E CONTAMINAÇÃO Em virtude das dúvidas correntemente existentes, torna-se necessário esclarecer adiferença entre irradiação e contaminação. Uma contaminação, radioativa ou não, caracteriza-se pela presença indesejável deum material em determinado local, onde não deveria estar. A irradiação é a exposição de um objeto ou de um corpo à radiação, sem que hajacontato direto com a fonte de radiação. contaminação irradiação Irradiar, portanto, não significa contaminar. Contaminar com material radioativo, no entanto, implica em irradiar o local, onde esse material estiver. Irradiação não contamina, mas contaminação irradia. Por outro lado, a descontaminação radiológica consiste em retirar o contaminante(material indesejável) da região onde se localizou. A partir do momento da remoção docontaminante radioativo, não há mais irradiação no local. Outro esclarecimento importante: a irradiação por fontes de césio-137, cobalto-60 esimilares (emissores alfa, beta e gama), usadas na medicina e na indústria não torna osobjetos ou o corpo humano radioativos. Isso só é possível em reatores nucleares eaceleradores de partículas.EFEITOS DAS RADIAÇÕES NO SER HUMANO Como já foi mencionado, as partículas alfa e beta são facilmente bloqueadas e causamdanos apenas na pele ou internamente, em razão da ingestão do radionuclídeo que as emite.Por esse motivo, a preocupação maior é devida às radiações eletromagnéticas (radiação gamae raios-x). 32
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Os efeitos biológicos, quando ocorrem, são precedidos de efeitos físicos e químicos.a) Efeitos Físicos • Absorção de energia • Excitação • Ionização: produção de íons e radicais livres • Quebra de ligações químicasb) Efeitos Químicos • Mobilização e neutralização dos íons e radicais livres • Restauração do equilíbrio químico • Formação de novas substânciasc) Efeitos Biológicos • Armazenamento de informações • Aberração cromossomial • Alteração de metabolismo local • Restauração de danos • Morte celular Os efeitos das radiações podem ser, ainda, considerados:Efeitos Estocásticos A probabilidade de ocorrência do dano é proporcional à dose recebida, mesmo que adose seja pequena e abaixo dos limites de radioproteção. O dano devido a esses efeitos, nocaso o câncer, pode levar até 40 anos para ser detectado.Efeitos Determinísticos São produzidos por doses elevadas, onde a gravidade do dano aumenta com a doserecebida. O dano não é provável; é previsível.Efeitos Somáticos Causam dano nas células do corpo. 33
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAEfeitos Imediatos Ocorrem em poucas horas até algumas semanas após a exposição.Efeitos Retardados ou Tardios Aparecem depois de alguns anos, por exemplo, o câncer. Em relação a efeitos de radiações ionizantes cabem algumas observações interessantese importantes: 1) A exposição a uma fonte de radiação não significa a "quase certeza de se ter um câncer" e sim a probabilidade de um dano que, na maioria dos casos, é corrigido naturalmente pelo organismo. 2) Um dano biológico produzido em uma pessoa não passa para outra, ou seja, "é uma doença que não pega". 3) A mesma dose que causou um efeito biológico em uma pessoa pode até não causar dano algum em outra.COMO SE PROTEGER DAS RADIAÇÕES - DOSIMETRIA As radiações externas (radiações provenientes de fontes fora do corpo humano) podemser controladas pelas variáveis tempo, distância e blindagem.a) tempo - a dose absorvida por uma pessoa é diretamente proporcional ao tempo em que ela permanece exposta à radiação. Qualquer trabalho em uma área controlada deve ser cuidadosamente programado realizado no menor tempo possível.b) distância - para as fontes radioativas normalmente usadas na indústria (fontes "pontuais") pode-se considerar a dose de radiação é inversamente proporcional ao quadrado da distância, isto é, decresce com o quadrado da distância da fonte à pessoa. É chamada lei do inverso do quadrado e pode ser escrita da forma: D1/D2 = (r2)2/(r1)2 onde D1 = taxa de dose à distância r1 da fonte D2 = taxa de dose à distância r2 da fonte 34
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Isso significa que, se a dose medida a 1 m for 400 µSv/h, a dose esperada a: ∗ 2 m será 100 µSv/h ∗ 5 m será 16 µSv/h ∗ 10 m será 4 µSv/hc) blindagem - é o modo mais seguro de proteção contra as radiações ionizantes, uma vez que os dois métodos anteriores dependem de um controle administrativo contínuo dos trabalhadores. Barreira primária ou blindagemprimária é uma blindagem suficiente parareduzir, a um nível aceitável, as taxas deequivalente de dose transmitidas a áreasacessíveis. Pode ser feita com espessurasvariadas de um mesmo material ou demateriais diferentes. Além das barreiras primárias, barreirassecundárias são necessárias para prover umablindagem eficiente contra radiaçõessecundárias, que são aquelas que sofremdesvios ("espalhamento") do feixe primário(feixe útil) ou que passam através dasblindagens das fontes ou dos equipamentosemissores de radiação (radiações de "fuga").MONITORAÇÃO / MONITORAMENTO Monitoramento Radiológico - medição de grandezas relativas à Radioproteção, parafins de avaliação e controle das condições radiológicas de locais onde existe ou se pressupõea existência de radiação. 35
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Monitoramento de área - avaliação e controle das condições radiológicas das áreas deuma instalação industrial, incluindo medição de grandezas relativas a: a) campos externos de radiação; b) contaminação de superfícies; c) contaminação do ar. Monitoramento individual - monitoramento de pessoas com dispositivos individuais(dosímetros) colocados sobre o corpo.DETECTORES DE RADIAÇÕES São dispositivos (aparelhos) capazes de indicar a presença de radiação, convertendo aenergia da radiação em um sinal elétrico, luz ou reação química. A utilização de um detectordepende do tipo da radiação presente: um detector muito eficiente para radiação gama éinadequado para partículas alfa. Monitores de radiação são detectores construídos e adaptados para um determinado tipode radiação. Dosímetros são monitores que medem uma grandeza radiológica com resultadosrelacionados ao corpo humano inteiro ou a um órgão ou tecido. Detector/Contador Geiger-Müller (GM) É um dos dispositivos mais antigos para detectar e medir radiação, desenvolvido porGeiger e Müller em 1928 e muito usado ainda atualmente por sua simplicidade, baixo custo efacilidade de operação. Os detectores GM podem ser usados para medir grandezas como dose e exposição, através de artifícios de instrumentação e metrologia. Para a taxa de exposição a escala é normalmente calibrada para a energia do 60Co. GM-MIR, produzido no IEN 36
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAAS APLICAÇÕES DA ENERGIA NUCLEAR E DAS RADIAÇÕES Infelizmente são pouco divulgados os grandes benefícios da energia nuclear.A cada dia, novas técnicas nucleares são desenvolvidas nos diversos campos da atividadehumana, possibilitando a execução de tarefas impossíveis de serem realizadas pelos meiosconvencionais. A aplicação de maior vulto é a conversão da energia nuclear para energia elétrica, o quese obtém nos Reatores Nucleares de Potência, como os de Angra, já mencionados. De uma forma simplificada, um Reator Nuclear é um equipamento onde se processauma reação de fissão nuclear, assim como um reator químico é um equipamento onde seprocessa uma reação química. Um Reator Nuclear para gerar energia elétrica é, na verdade, uma Central Térmica,onde a fonte de calor é o urânio-235, em vez de óleo combustível ou de carvão. É, portanto,uma Central Térmica Nuclear. Não há diferença entre a energia gerada por uma fonte convencional (hidroelétrica outérmica) e a energia elétrica gerada por um Reator Nuclear. A grande vantagem de uma Central Térmica Nuclear é a enorme quantidade de energiaque pode ser gerada, ou seja, a potência gerada, para pouco material usado (o urânio). 37
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Comparação entre as quantidades de diferentes combustíveis, em massa, para a geração da mesma quantidade de energia. A medicina, a indústria, particularmente a farmacêutica, e a agricultura são as áreas maisbeneficiadas pela energia das radiações. Os isótopos radioativos ou radioisótopos, devido à propriedade de emitirem radiações,têm vários usos. As radiações podem até atravessar a matéria ou serem absorvidas por ela, oque possibilita múltiplas aplicações. Mesmo em quantidades cuja massa não pode serdeterminada pelos métodos químicos, a radiação por eles emitida pode ser detectada. Pela absorção da energia das radiações (em forma de calor) células ou pequenosorganismos podem ser destruídos. Essa propriedade, que normalmente é altamenteinconveniente para os seres vivos, pode ser usada em seu benefício, quando empregada paradestruir células ou microorganismos nocivos. A propriedade de penetração das radiações possibilita identificar a presença de umradioisótopo em determinado local.TRAÇADORES RADIOATIVOS As radiações emitidas por radioisótopos podem atravessar a matéria e, dependendo daenergia que possuam, são detectadas ("percebidas") onde estiverem, através de aparelhosapropriados, denominados detectores de radiação. Dessa forma, o deslocamento de umradioisótopo pode ser acompanhado e seu percurso ou "caminho" ser "traçado" num mapa dolocal. Por esse motivo, recebe o nome de traçador radioativo. Traçadores Radioativos - Radioisótopos que, usados em "pequeníssimas" quantidades, podem ser "acompanhados" por detectores de radiação. 38
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAA MEDICINA NUCLEAR A Medicina Nuclear é a área da medicina onde são utilizados os radioisótopos, tanto emdiagnósticos como em terapias. Radioisótopos administrados a pacientes passam a emitir suas radiações do lugar (nocaso, órgão) onde têm preferência em ficar. Um exemplo prático bem conhecido é o uso do iodo-131 (I-131), que emite partículabeta, radiação gama e tem meia-vida de oito dias. O elemento iodo, radioativo ou não, é absorvido pelo organismo humanopreferencialmente pela glândula tireóide, onde se concentra. O funcionamento da tireóide influimuito no comportamento das pessoas e depende de como o iodo é por ela absorvido. O fato de ser radioativo não tem qualquer influência no comportamento de um elementoquímico em relação aos demais elementos. Para diagnóstico de tireóide, o paciente ingere uma solução de iodo-131, que vai serabsorvido pela glândula. "Passando" um detector pela frente do pescoço do paciente, pode-seobservar se o iodo foi muito ou pouco absorvido em relação ao normal (padrão) e como sedistribui na glândula. O detector é associado a um mecanismo que permite obter um "desenho" ou mapeamento, em preto e branco ou colorido, da tireóide. Um diagnóstico, no caso um radiodia- gnóstico, é feito por comparação com um mapa padrão de uma tireóide normal. A mesma técnica é usada para mapeamento de fígado e de pulmão. Exemplo de radiodiagnóstico da tireóide, utilizando-se o Iodo-131. A área mais brilhante indica maior concentração do radioisótopo. 39
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAOS RADIOISÓTOPOS NA MEDICINA Os radiofármacos usados em medicina no Brasil são, em grande parte, produzidos peloInstituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN/CNEN, em São Paulo. Gerador de Tecnécio (IPEN/CNEN) O tecnécio-99 (Tc-99m) é utilizado, para obtenção de mapeamentos (cintilografia) de diversos órgãos: • cintilografia renal, cerebral, hepato-biliar (fígado), pulmonar e óssea; • diagnóstico do infarto agudo do miocárdio e em estudos circulatórios; • cintilografia de placenta. Outro radioisótopo, o samário-153 (Sm-153), é aplicado (injetado) em pacientes commetástase óssea, como paliativo para a dor. Esses produtos são distribuídos semanalmente pelo IPEN para os usuários.A RADIOTERAPIA A radioterapia teve origem na aplicação do elemento rádio pelo casal Curie, para destruircélulas cancerosas, e foi inicialmente conhecida como "Curieterapia". Posteriormente, outrosradioisótopos passaram a ser usados, apresentando um maior rendimento. O iodo-131 também pode ser usado em terapia para eliminar lesões, identificadas nosradiodiagnósticos da tireóide, aplicando-se, no caso, uma dose maior do que a usada nosdiagnósticos. O iodo radioativo apresenta as características ideais para aplicação em Medicina, tantoem diagnóstico como em terapia:• tem meia-vida curta;• é absorvido preferencialmente por um órgão (a tireóide);• é eliminado rapidamente do organismo;• a energia da radiação gama é baixa. 40
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Fontes radiativas (= fontes de radiação) de césio-137 e cobalto-60 são usadas paradestruir células de tumores, uma vez que estas são mais sensíveis à radiação do que ostecidos normais (sãos). Radioterapia = tratamento com fontes de radiação. Um dos aparelhos de radioterapia mais conhecidos é a Bomba de Cobalto, usada notratamento contra o câncer, e que nada tem de "bomba" (não explode). Trata-se de uma fonteradiativa de cobalto-60 (Co-60), encapsulada ou "selada" (hermeticamente fechada) eblindada, para impedir a passagem de radiação. Até bem pouco tempo, para este fim, eramutilizadas fontes de césio-137, que foram substituídas pelas de cobalto-60, que, entre outrasrazões técnicas, apresentam maior rendimento terapêutico. No momento da utilização, a fonte é deslocada de sua posição "segura", dentro do cabeçote de proteção (feito de chumbo e aço inoxidável), para a frente de um orifício, que permite a passagem de um feixe de radiação, concentrado sobre a região a ser "tratada" ou irradiada. Após o uso, a fonte é recolhida para a posição de origem ("segura"). Deve ficar bem claro que um objeto ou o próprio corpo, quando irradiado (exposto à radiação) por uma fonte radiativa, NÃO FICA RADIOATIVO. Não se deve confundir o efeito (construtivo ou destrutivo) da radiação com o fato detornar radioativo um material, só possível por outros processos (em Reatores Nucleares ouaceleradores de partículas). 41
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAAPLICAÇÕES NA AGRICULTURA É possível acompanhar, com o uso de traçadores radioativos, o metabolismo das plantas,verificando o que elas precisam para crescer, o que é absorvido pelas raízes e pelas folhas eonde um determinado elemento químico fica retido. Uma planta que absorveu um traçador radioativo pode, também, ser "radiografada",permitindo localizar o radioisótopo. Para isso, basta colocar um filme, semelhante ao usado emradiografias e abreugrafias, sobre a região da planta durante alguns dias e revelá-lo. Obtém-seo que se chama de auto-radiografia da planta. A técnica do uso de traçadores radioativos também possibilita o estudo docomportamento de insetos, como abelhas e formigas. Ao ingerirem radioisótopos, os insetos ficam marcados, porque passam a "emitirradiação", e seu "raio de ação" pode ser acompanhado. No caso de formigas, descobre-seonde fica o formigueiro e, no caso de abelhas, até as flores de sua preferência. A "marcação" de insetos com radioisótopos também é muito útil para eliminação depragas, identificando qual predador se alimenta de determinado inseto indesejável. Neste casoo predador é usado em vez de inseticidas nocivos à saúde. 42
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAAPLICAÇÕES NA INDÚSTRIA A aplicação de radioisótopos mais conhecida na indústria é a radiografia de peçasmetálicas ou gamagrafia industrial. Gamagrafia Impressão de radiação gama em filme fotográfico. Os fabricantes de válvulas usam a gamagrafia, na área de Controle da Qualidade, paraverificar se há defeitos ou rachaduras no corpo das peças. As empresas de aviação fazem inspeções freqüentes nos aviões, para verificar se há"fadiga" nas partes metálicas e soldas essenciais sujeitas a maior esforço (por exemplo, nasasas e nas turbinas) usando a gamagrafia. 43
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Para ter-se indicação de nível de um líquido em um tanque, coloca-se uma fonte radiativaem um dos lados e, no lado oposto, um detector ligado a um dispositivo (aparelho) deindicação ou de medição. Quando o líquido alcança a altura da fonte, a maior parte da radiação emitida pela fonte é absorvida por ele e deixa de chegar ao detector, significando que o líquido atingiu aquele nível. O mesmo artifício serve para indicar um nível mínimo de líquido desejado em um tanque.Nesse caso, a fonte e o detector devem ser colocados na posição adequada e, quando olíquido atingir esse ponto, deixará de absorver a radiação, que chegará ao detector com maiorintensidade. Em geral, acrescenta-se um sistema de alarme, para soar ao ser atingido essenível. No caso de indicação de nível máximo ocorrerá o contrário, isto é, a radiação chegará aodetector com menor intensidade. A Indústria Farmacêutica utiliza fontes radioativas de grande porte para esterilizarseringas, luvas cirúrgicas, gaze e material farmacêutico descartável, em geral. Seriapraticamente impossível esterilizar, pelos métodos convencionais que necessitam de altastemperaturas, tais materiais, que se deformariam ou se danificariam de tal forma que nãopoderiam ser mais utilizados. 44
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAA PRESERVAÇÃO DE ALIMENTOS POR IRRADIAÇÃO A preservação de alimentos por irradiação consiste em sua exposição, embalado ou não,à radiação ionizante (radiação gama, raios-x ou feixe de elétrons). A tecnologia de preservação de alimentos por ionização em conseqüência de irradiaçãotem recebido uma crescente atenção de todo o mundo, junto com os métodos tradicionais depreservação de alimentos. As autoridades de vigilância sanitária e de segurança alimentar de37 países, inclusive o Brasil, aprovaram a irradiação de vários tipos de alimentos, englobandoespeciarias, carne de frango, frutas e legumes. O Brasil está tentando entrar na área de preservação de alimentos por irradiação(ionização). O desconhecimento do assunto leva à idéia errônea de que os alimentos "seriamcontaminados pela irradiação" ou que ficariam radioativos, o que, em ambos os casos, seconstitui num absurdo técnico e científico. Deve-se salientar que a preservação de alimentos por irradiação não é um "milagre" enão pode transformar alimento deteriorado em alimento de alta qualidade nem substituiprocessos de higiene. Além disso, esse tratamento pode não ser adequado para algum tipo de alimento, assimcomo outra técnica de preservação pode não ser adequada para algum tipo de alimento. Duas grandes vantagens podem ser destacadas: não altera a qualidade do alimento enão deixa resíduos tóxicos. O processo é realizado em uma instalação radiativa denominada Irradiador de GrandePorte, utlizando, na maioria dos casos, uma fonte de Co-60. 45
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA A vantagem do uso de uma fonte de Co-60 é devida à penetração da radiação gama,proporcionando maior versatilidade e maior amplitude de utilização do irradiador. A Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA) regulamentou, através daResolução no 21, de 26 de janeiro de 2001, a preservação de alimentos por irradiação, desdeque sejam observadas as seguintes condições, em relação à dose de radiação:a) a dose mínima absorvida deve ser suficiente para alcançar a finalidade pretendida;b) a dose máxima absorvida deve ser inferior àquela que comprometeria as propriedades funcionais e/ou os atributos sensoriais do alimento.OS RAIOS-X Os raios-X são radiações da mesma natureza da radiação gama (ondaseletromagnéticas), com características idênticas. Só diferem da radiação gama pela origem, ouseja, os Raios-X não saem do núcleo do átomo. Raios-X não são energia nuclear Os raios-X são emitidos quando elétrons, acelerados por alta voltagem, são lançadoscontra átomos e sofrem frenagem, perdendo energia. Não têm, pois, origem no núcleo doátomo. Raios-X são energia atômica Toda energia nuclear é atômica, porque o núcleo pertence ao átomo, mas nem todaenergia atômica é nuclear. Outro exemplo de energia atômica e não nuclear é a energia das reações químicas(liberadas ou absorvidas). 46
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAA DESCOBERTA DOS RAIOS-X O físico alemão Roentgen (pronúncia portuguesa: rêntguen) observou que saíam raiosmisteriosos de uma ampola de Crookes (físico inglês), capazes de atravessar folhas depapelão. Por isso, ele os chamou de raios "X" . A ampola de Edison, que ficou conhecida como lâmpada incandescente, depois deaperfeiçoada, deu origem à ampola de Crookes, usada por Roentgen. Atualmente, a ampolamais famosa é o tubo de televisão. Na época, Roentgen fez algumas observações sobre os "raios" que descobrira: - são diferentes dos raios catódicos ; - causam fluorescência em certos sais metálicos; - impressionam (enegrecem) chapas fotográficas; - são de natureza eletromagnética, pois não sofrem desvios em campos eletro- magnéticos; - produzem radiações secundárias por onde atravessam; - propagam-se em linha reta em toas as direções; - transformam gases em condutores elétricos (ionização); - seu poder de penetração aumenta com o aumento da tensão nos tubo que os geraram. A descoberta de Roentgen permitiu "visualizar" o interior de muitos objetos e o corpohumano, opacos à luz mas transparentes aos raios-X. Na realidade, a primeira radiografia foi amão de sua própria mulher. 47
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICA Quando se eleva a voltagem de alimentação da ampola ou "tubo" de raios-X, eles setornam mais penetrantes. As primeiras aplicações dos aparelhos de raios-X ocorreram na Medicina, paradiagnóstico de fraturas ósseas e, logo após, na Odontologia, para diagnóstico de canaisdentários. Foram desenvolvidos aparelhos mais potentes para uso em radiografia industrial(semelhante à gamagrafia). As principais desvantagens de tais aparelhos, para a indústria, sãoas seguintes: • as peças têm que ser levadas até eles, uma vez que é impraticável deslocar os aparelhos (de grande porte) e acessórios; • depende de fonte de alimentação (energia elétrica); • têm limitações, impostas pela forma das peças a serem radiografadas. Os aparelhos de raios-X não são radioativos. Só emitem radiação quando estão ligados , isto é, em operação. Em relação ao ser humano, os raios-X requerem os mesmos cuidados que a radiaçãogama e, por isso, não podem ser usados indiscriminadamente. 48
PROGRAMA DE INTEGRAÇÃO CNEN - PIC MÓDULO INFORMAÇÃO TÉCNICAIDENTIFICAÇÃO DA PRESENÇA DE RADIAÇÃO Símbolo da presença de radiação*. Deve ser respeitado e não temido. * Trata-se da presença de radiação acima dos valores encontrados no meio ambiente, uma vez que a radiação está presente em qualquer lugar. 49