Princípios Básicos de Segurança Proteção Radiológica

5/20/2018 Princpios Bsicos de Segurana Proteo Radiolgica

1/268

PRINCPIOS BSICOS DE

SEGURANA E PROTEO RADIOLGICA

QUARTA EDIO

Universidade Federal do Rio Grande do SulComisso Nacional de Energia Nuclear

JULHO 2014


2/268

ii

PREFCIO DA PRIMEIRA EDIO

A utilizao de energia nuclear, tanto na gerao de energia eltrica comoem prticas mdicas, industriais e de pesquisa, tem como grande oponente,

em todo mundo, a opinio pblica. As bombas de Hiroshima e Nagasaki, ostestes nucleares areos e subterrneos bem como alguns acidentesrelativamente graves, ocorridos ao longo dos ltimos 50 anos, vm sendoresponsabilizados pela maneira sombria com que o tema nuclear percebido pela populao. Tanto o fato da radiao ionizante no poder serdiretamente detectada pelos cinco sentidos como a falta de conhecimentobsico sobre suas propriedades, contribuem para consolidar, cada vez mais,sob a forma de medo, a rejeio ao emprego das radiaes ionizantes parafins pacficos.

Para reverter esse quadro e permitir que a sociedade se beneficie dasinmeras vantagens que a tecnologia nuclear oferece, preciso colocar nacorreta perspectiva os reais riscos associados radiao ionizante bemcomo transmitir conhecimentos sobre os requisitos de segurana e proteoradiolgica a serem adotados de modo a torn-los insignificantes.

Assim, este documento foi elaborado com o objetivo de contribuir, mesmoque modestamente, para o sucesso de um programa de treinamento bsico

sobre os principais aspectos de segurana e proteo relacionados aoemprego de radiaes ionizantes. Seu pblico alvo so os usurios dessasfontes em ensino e pesquisa, ou seja, professores universitrios,pesquisadores bem como alunos de mestrado e de doutorado queconstituem os alicerces do avano cientfico e tecnolgico no Brasil.

Os autores gostariam de agradecer Comisso Nacional de EnergiaNuclear, Fundao de Amparo Pesquisa no Rio Grande do Sul e aoInstituto de Fsica da UFRGS, por terem possibilitado a realizao desteprojeto de ensino. So merecedores, tambm, de nossos agradecimentos osProfessores Maria Teresinha Xavier da Silva, Henri Ivanov Boudinov eMara da Silveira Benfato, da UFRGS, pelos pertinentes comentrios.

Finalmente, importante que seja registrado o esmero no trabalho deimpresso grfica do Sr. Waldomiro da Silva Olivo e nossa gratido muito querida estagiria do Laboratrio de Radiao do Instituto de Fsica,Luciana Brnstrup Bonanno, pela rdua tarefa de reviso grfica,formatao e impresso do original deste documento.


3/268

iii

PREFCIO DA SEGUNDA EDIO

Ao longo dos ltimos dois anos, foi identificada uma demanda portreinamento nas reas de segurana e proteo radiolgica, direcionado

tanto para professores e pesquisadores da Universidade Federal do RioGrande do Sul e de outras Universidades, como para integrantes da DefesaCivil e do Corpo de Bombeiros do Estado.

Na verdade, os tpicos abordados na primeira edio desta publicao, soigualmente pertinentes ao emprego de materiais radioativos em outrasatividades alm das de ensino e pesquisa, como, por exemplo, em medicinanuclear ou em aplicaes industriais de fontes de radiao ionizante.

De fato, noes sobre tpicos como estrutura da matria, radiaoeletromagntica, radioatividade, interao da radiao com a matria,efeitos biolgicos das radiaes ionizantes, princpios de segurana eproteo radiolgica, princpios de deteco da radiao, gerncia derejeitos radioativos, transporte de materiais radioativos, bem como aes deresposta a incidentes e acidentes radiolgicos so fundamentais para aconduo, com segurana, de atividades envolvendo substncias emissorasde radiao ionizante em diversas reas de atuao profissional.

Para estender o escopo desta publicao ao treinamento de pessoal que atuaem resposta a incndios envolvendo materiais radioativos, foi acrescentadoum captulo sobre os principais aspectos a serem considerados para definiras aes de resposta a esse tipo de acidente.

Assim, esta segunda edio da publicao Princpios Bsicos deSegurana e Proteo Radiolgica em Pesquisa, revisada e ampliada,passou a receber o ttulo mais genrico Princpios Bsicos de Segurana eProteo Radiolgica.

Um dos autores (AMX) agradece o apoio financeiro dado pela FAPERGSpara a preparao do presente material didtico, desenvolvido com oobjetivo de estabelecer o contedo programtico bsico de cursos deextenso universitria, cursos esses organizados com o intuito maior decontribuir tanto para o emprego seguro de fontes de radiao ionizantecomo para a proteo radiolgica de profissionais que preparam, usam emanuseiam fontes radioativas em decorrncia de seu trabalho.


4/268

iv

PREFCIO DA TERCEIRA EDIO

Esta publicao vem sendo adotada em curso de extenso universitriaministrado anualmente pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul no

sentido de habilitar profissionais de nvel superior ao registro na CNENpara emprego de materiais radioativos em ensino e pesquisa.

Seu contedo programtico est em linha, tambm, com o adotado pelaCNEN para a prova geral do exame para certificao da qualificao desupervisores de radioproteo.

Nesta edio de 2010, alguns conceitos novos estabelecidos em 2005 nasDiretrizes Bsicas de Proteo Radiolgica da Comisso Nacional de

Energia Nuclear foram incorporados ao Captulo 3. Foram, tambm,inseridos, como Anexos, noes sobre logaritmos e exponenciais, bemcomo sobre estatstica.

PREFCIO DA QUARTA EDIO

Em funo da entrada em vigor da Norma CNEN-NN-8.01 Gerncia deRejeitos Radioativos de Baixo e Mdio Nveis de Radiao e consequenterevogao da Norma CNEN-NE-6.05 Gerncia de Rejeitos Radioativosem Instalaes Radiativas, o Captulo 5 desta publicao foi revisado. Foi,tambm, inserido, no Captulo 7, um breve relato sobre o acidente deFukushima.


5/268

v

SOBRE OS AUTORES

Ana Maria Xavier, pesquisadora titular da Comisso Nacional de EnergiaNuclear, CNEN, graduada em engenharia qumica pela UniversidadeFederal do Rio de Janeiro, obteve o grau de Mestre em Engenharia

Qumica, M.Sc., na Coordenao dos Programas de Ps Graduao damesma Universidade, COPPE/UFRJ e o de Ph.D (Doutora em Engenharia)na Universidade de Cambridge, Inglaterra. Aps ingressar na CNEN em1982, realizou cursos e estgios de especializao em engenharia nuclearna Frana, Alemanha, Inglaterra e Canad. Vem participando, desde 1993,como perita brasileira, em misses no exterior e em diversos grupos detrabalho da Agncia Internacional de Energia Atmica, AIEA, em Viena.Atualmente, responsvel pelo Escritrio da CNEN em Porto Alegre.

Elena Gaidano bacharel em letras pela Universidade Federal do Rio deJaneiro, com curso de especializao e mestrado pela UFRJ e em fase deconcluso de seu doutorado na mesma Universidade. tradutora free-lancer de francs, ingls, alemo e italiano, tanto de textos tcnicos comoliterrios. Realiza, tambm, trabalhos de verso, reviso e edio dedocumentos tcnicos na rea nuclear.

Jos Tullio Moro bacharel em fsica pela Universidade Federal do RioGrande do Sul, possui especializao em fsica das radiaes pela mesmaUniversidade e grande experincia profissional no campo da proteoradiolgica em radiologia. Participou do grupo de trabalho que elaborou oRegulamento Tcnico do Ministrio da Sade sobre Diretrizes de ProteoRadiolgica em Radiodiagnstico Mdico e Odontolgico (Portaria 453).

Paulo Fernando Heilbron, tecnologista snior da Diretoria deRadioproteo e Segurana da Comisso Nacional de Energia Nuclear, graduado em engenharia mecnica pela Universidade Federal do Rio deJaneiro tendo obtido os graus de Mestre em Engenharia Nuclear, M.Sc e deDoutor em Engenharia Mecnica na Coordenao dos Programas de Ps

Graduao em Engenharia, COPPE, da mesma Universidade. Participou decursos de especializao em engenharia nuclear na Inglaterra e nos EstadosUnidos da Amrica. Tem tido atuao marcante, como perito brasileiro,

junto Agncia Internacional de Energia Atmica nas reas de segurananuclear, anlise de segurana de repositrios, transporte de materiaisradioativos, gerncia de rejeitos radiativos e proteo radiolgica, incluindoclculo de blindagem e otimizao. Atuou, tambm, como instrutor decursos promovidos pela AIEA no Brasil, Amrica Latina, Caribe e frica.


6/268

vi

SUMRIO

PREFCIO iiPREFCIO DA SEGUNDA EDIO iii

PREFCIO DA TERCEIRA EDIO ivSOBRE OS AUTORES vSUMRIO vi

1 FUNDAMENTOS DA FSICA 1

1.1 ESTRUTURA DA MATRIA 11.1.1 Introduo 11.1.2 tomo e Estrutura do tomo 11.1.3 Nmero Atmico, Nmero de Massa,

Massa Atmica e tomo-Grama

2

1.1.4 Nucldeo 31.1.5 Istopos 31.1.6 Isbaros 41.1.7 Istonos 41.1.8 Elemento 41.1.9 Equivalncia entre Massa e Energia 4

1.1.10. Energia de Ligao dos Ncleos 51.1.11 Estabilidade Nuclear 61.1.12 Nmeros Qunticos 61.1.13 Nveis de Energia Nucleares 8

1.2 RADIAO ELETROMAGNTICA 8

1.3 RADIOATIVIDADE 91.3.1 Descoberta da Radioatividade 91.3.2 Tipos de Desintegrao Radioativa 10

1.3.2.1 Desintegrao Alfa () 101.3.2.2 Desintegrao Beta 11

1.3.2.2.1 Desintegrao Beta Negativa ( -) 111.3.2.2.2 Desintegrao Beta Positiva ( +) 121.3.2.2.3 Desintegrao por Captura Eletrnica 121.3.2.2.4 Converso Interna e Eltron Auger 12

1.3.2.3 Desintegrao com Emisso Gama ( ) 131.3.3 Interao da Radiao com a Matria 13

1.3.3.1 Interao de Partculas Carregadas 151.3.3.2 Interao da Radiao Eletromagntica Ionizante

com a Matria: Efeito Fotoeltrico, Efeito Comptome Formao de Pares

16

1.3.4 Decaimento Radioativo 18


7/268

vii

1.3.4.1 Velocidade de Desintegrao 191.3.4.2 Constante de Desintegrao e Meia-Vida 201.3.4.3 Sries de Desintegrao de Istopos Naturais 211.3.4.4 Fontes Artificiais de Radiao 23

1.3.4.4.1 Radionucldeos Produzidos em Reatores Nucleares 23

1.3.4.4.2 Radionucldeos Produzidos em Aceleradoresde Partculas (Ciclotron) 23

1.3.4.4.3 Radionucldeos Produzidos por Fisso Nuclear 241.3.4.4.4 Radionucldeos Produzidos por Decaimento e Fracionamento 24

1.4 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 25

2 EFEITOS BIOLGICOS DAS RADIAES

IONIZANTES

27

2.1 INTRODUO 27

2.2 MECANISMOS DE INTERAODAS RADIAES COM O TECIDO

29

2.2.1 Transferncia Linear de Energia 292.2.2 Eficincia Biolgica Relativa 30

2.3 EFEITOS RADIOQUMICOS IMEDIATOS 312.3.1 Produo de Eltrons Hidratados e Radicais Livres 312.3.2 Danos Radioinduzidos na Molcula de DNA 32

2.4 EFEITOS BIOLGICOS PROVOCADOSPELA RADIAO IONIZANTE

33

2.4.1 Caractersticas Gerais 332.4.2 Efeitos Estocsticos e Efeitos Determinsticos 34


3 SEGURANA E PROTEO RADIOLGICA 39

3.1 INTRODUO 39

3.2 GRANDEZAS, UNIDADES E CONCEITOSEMPREGADOS EM PROTEO RADIOLGICA

40

3.2.1 Atividade 413.2.2 Fluncia, 413.2.3 Exposio X ou Gama 42


8/268

viii

3.2.4 Dose Absorvida, D 433.2.5 Equivalente de Dose, H (Dose Equivalent: ICRP-26) 443.2.6 Dose Equivalente, HT(Equivalent Dose: ICRP-60) 453.2.7 Dose Efetiva, E (Effective Dose: ICRP-60) 473.2.8 Kerma, K 48

3.2.9 Dose Absorvida Comprometida, D() ( CNEN-NN-3.01) 483.2.10 Dose Equivalente Comprometida, HT ()(CNEN-NN-3.01) 493.2.11 Dose Efetiva Comprometida E() 493.2.12 Dose Coletiva 493.2.13 Restrio de Dose (Dose Constraint) 493.2.14 Coeficientes de Dose 503.2.15 Detrimento 503.2.16 Dose Evitvel 503.2.17 Prtica 50

3.2.18 Interveno 503.3 REQUISITOS E FATORES DE PROTEORADIOLGICA

51

3.3.1 Justificao 513.3.2 Otimizao 513.3.3 Limitao da Dose Individual 533.3.4 Controle de Exposio: Tempo, Distncia e Blindagem 54

3.3.4.1 Tempo de Exposio 543.3.4.2 Distncia da Fonte 54

3.3.4.3 Blindagem 553.3.5 Proteo do Operador 553.3.6 Classificao de reas 563.3.7 Treinamento 56

3.4 REQUISITOS DE SEGURANA RADIOLGICA 563.4.1 Proteo Fsica 563.4.2 Defesa em Profundidade 573.4.3 Boas Prticas de Engenharia 57

3.5 REQUISITOS DE GESTO 573.5.1 Cultura de Segurana 573.5.2 Garantia da Qualidade 583.5.3 Fatores Humanos 583.5.4 Qualificao de Pessoal 59

3.6 NOES DE CLCULO DE BLINDAGEM 593.6.1 Radiao Gama 593.6.2 Raios-X 62

3.6.3 Partculas 653.6.4 Nutrons 67


9/268

ix

3.7 TIPOS DE FONTES E MODOS DE EXPOSIO 693.7.1 Fontes Seladas 703.7.2 Fontes No Seladas 713.7.3 Aparelhos de Raios-X e Aceleradores de Eltrons 72

3.8 IRRADIAO E CONTAMINAO 72

3.9 VIDA MDIA, MEIAS VIDAS BIOLGICA E EFETIVA 73

3.10 REGRAS BSICAS DE RADIOPROTEO 73

3.11 PROTEO RADIOLGICA DE PACIENTES 75


4 INSTRUMENTAO 77

4.1 INTRODUO 77

4.2 TCNICAS DE DETECO 774.2.1 Ionizao de Molculas de um Gs 774.2.2 Cintilao 794.2.3 Diodos Semicondutores 804.2.4 Temoluminescncia 804.2.5 Formao da Imagem 81

4.3 DETECTORES DE RADIAO 824.3.1 Detectores a Gs 82

4.3.1.1 Cmara de Ionizao 824.3.1.2 Contador Proporcional 834.3.1.3 Contador Geiger-Mueller 83

4.3.2 Detectores Cintilao 844.3.3 Detectores com Diodos Semicondutores 874.3.4 Dosmetros Termoluminescentes 884.3.5 Filmes Dosimtricos 89

4.4 PROPRIEDADES GERAIS DOS DETECTORESDE RADIAO

89

4.4.1 Eficincia Intrnseca 904.4.2 Tempo Morto 90

4.4.3 Discriminao de Energia 914.4.4 Outras Consideraes 92


10/268

x

4.4.4.1 Escolha de Detectores de Radiao 924.4.4.2 Calibrao 92

4.5 MTODOS DE DETECO DA RADIAO 944.5.1 Monitorao de rea 94

4.5.2 Monitorao Individual 954.5.2.1 Monitorao Individual Externa 964.5.2.2 Monitorao Individual Interna 96


5 GERNCIA DE REJEITOS RADIOATIVOS 99

5.1 INTRODUO 995.2 DISPENSA DE REJEITOS RADIATIVOS NO BRASIL 100

5.2.1 Dispensa de Rejeitos Slidos no Sistema de Coleta de LixoUrbano

100

5.2.2 Dispensa de Rejeitos Lquidos na Rede de Esgotos Sanitriosde Instalaes Radiativas

100

5.3 REJEITOS RADIOATIVOS ORIUNDOSDE ATIVIDADES DE PESQUISA

104

5.3.1 Lquidos de Cintilao 1045.3.2 Rejeitos Biolgicos 1055.3.3 Rejeitos Infectados 105

5.4 ASPECTOS ASSOCIADOS GERNCIA DE REJEITOSRADIOATIVOS DE BAIXO E MDIO NVEIS DERADIAO

106

5.4.1 Segregao 1065.4.2 Coleta, Acondicionamento e Armazenamento 107

5.4.3 Caracterizao, Classificao e Identificao 1085.4.4 Armazenamento para Decaimento 1115.4.5 Tratamento, Acondicionamento e Transporte 1185.4.6 Taxas de Dose Externa Estimadas para o Manuseio de alguns

Radionucldeos contidos em Rejeitos Radioativos118

5.5 MINIMIZAO DA GERAO DE REJEITOSRADIOATIVOS

120



11/268

xi

6 TRANSPORTE DE MATERIAIS RADIOATIVOS 121

6.1 INTRODUO 121

6.2 ORGANIZAES INTERNACIONAIS QUEREGULAMENTAM O TRANSPORTE DEMATERIAS RADIOATIVOS

122

6.2.1 IMO (International Maritime Organization) 1226.2.2 ICAO (International Civil Aviation Organization) e

IATA (International Air Transport Association)122

6.2.3 UPU (Universal Postal Union) 123

6.3 AUTORIDADES COMPETENTES BRASILEIRAS 1236.4 NORMA CNEN-NE-5.01 TRANSPORTE DE

MATERIAIS RADIOATIVOS123

6.4.1 Especificaes sobre Materiais Radioativos para fins deTransporte

124

6.4.1.1 Material Radioativo sob Forma Especial 1256.4.1.2 Materiais Radioativos sob Outras Formas 126

6.4.2 Seleo do Tipo de Embalado 1266.4.3 Limitao de Atividade 127

6.4.3.1 Limites para Embalados Exceptivos 1296.4.3.2 Limites para Embalados tipo A 1296.4.3.3 Limites para Embalados tipo B 129

6.5 ENSAIOS PARA EMBALADOS 1306.5.1 Embalados Tipo A 1306.5.2 Embalados Tipo B 130

6.6 CONTROLES OPERACIONAIS 132

6.6.1 ndice de Transporte 1326.6.2 Categorias de Embalados 1336.6.3 Rotulao, Marcao e Placares 1336.6.4 Limites de Contaminao No Fixada na Superfcie 1356.6.5 Responsabilidades e Requisitos Administrativos 136

6.7 PROCESSO DE REVISO DA NORMA CNEN-NE-5.01 137



12/268

xii

ANEXO6

DOCUMENTAO E OUTROS ASPECTOSRELEVANTES AO TRANSPORTE DE MATERIAISRADIOATIVOS

139

7 INCIDENTES E ACIDENTES RADIOLGICOS 143

7.1 INTRODUO 143

7.2 OS ACIDENTES DE CHERNOBYL E DE GOINIA 1467.2.1 O Acidente de Chernobyl 146

7.2.1.1 Vtimas 1477.2.1.2 Impacto Ambiental 1477.2.1.3 Impacto Econmico 148

7.2.2 O Acidente de Goinia 1487.2.2.1 Vtimas 1497.2.2.2 Impacto Ambiental 1497.2.2.3 Impacto Econmico 149

7.2.3 O Acidente de Fukushima 149

7.3 FASES DE UM ACIDENTE ENVOLVENDO MATERIALRADIOATIVO

151

7.3.1 Fase Inicial 1517.3.2 Fase Intermediria ou de Controle 1517.3.3 Fase Final ou Ps-Emergncia ou, ainda, de Recuperao 152

7.4 PLANO DE EMERGNCIA 1527.4.1 Responsabilidades e Procedimentos para Notificao s

Autoridades Competentes e Comunicao com o Pblico152

7.4.2 Nveis de Interveno e de Ao para Proteo Imediata 1537.4.3 Isolamento de reas, Blindagem, Evacuao 1557.4.4 Descontaminao de Pessoal e de reas 1557.4.5 Procedimentos para Treinamento, Exerccios

e Atualizao do Plano

155

7.5 RELATRIO DO EVENTO 161


8 MATERIAIS RADIOATIVOS E O INCNDIO 163

8.1 INTRODUO 163


13/268

xiii

8.2 RADIONUCLDEOS PRESENTES EM INSTALAESNUCLEARES E RADIATIVAS

163

8.2.1 Radionucldeos Empregados em Instalaes Mdicas,Industriais e de Pesquisa

164

8.2.1.1 Fontes Radioativas Seladas 167

8.2.1.2 Fontes Radioativas No Seladas 1678.2.2 Radionucldeos Presentes em Instalaes Nucleares 1688.2.2.1 Minerao e Beneficiamento de Urnio 1708.2.2.2 Converso em UF6 1718.2.2.3 Enriquecimento Isotpico 172

8.2.2.4 Reconverso em UO2 e Fabricao de ElementosCombustveis

173

8.2.2.5 Reatores Nucleares de Potncia 173

8.2.2.6 Reprocessamento 1758.3 COMPORTAMENTO DO MATERIAL RADIOATIVO

DURANTE UM INCNDIO176

8.3.1 Consideraes Gerais 1768.3.2 Comportamento dos Envoltrios de Proteo 1778.3.3 Perigos Resultantes de uma Ruptura dos Envoltrios de

Proteo178

8.3.3.1 Contaminao de Superfcies e do Solo 1788.3.3.2 Contaminao Atmosfrica 1798.3.3.3 Irradiao Externa 179

8.4 O RISCO DE ACIDENTE DE CRITICALIDADE 1808.4.1 Consideraes Gerais 1808.4.2 Conseqncias de um Acidente de Criticalidade 1808.4.3 Preveno de Acidentes de Criticalidade 1818.4.4 Deteco de um Acidente de Criticalidade 1828.4.5 Regras Prticas de Segurana 182

8.5 INFLUNCIA DA PRESENA DE MATERIAISRADIOATIVOS SOBRE AS OPERAES DECOMBATE AO FOGO

183

8.5.1 Luta Contra o Fogo 1838.5.2 Descontaminao das Instalaes 185

8.6 PROTEO CONTRA INCNDIO QUANDO DAPRESENA DE RADIONUCLDEOS

186

8.6.1 Consideraes Gerais 186

8.6.2 Aspectos Especiais de Proteo contra Incndio emInstalaes Nucleares

186


14/268

xiv

8.6.3 Preveno de Incndio 1898.6.3.1 Concepo e Ordenao de Edifcios 1898.6.3.2 Sinalizao e Balizamento 190

8.7 PLANOS E PROCEDIMENTOS PARA

COMBATE AO FOGO

190

8.7.1 Plano de Proteo Contra Incndio 1918.7.2 Procedimentos para Combate ao Fogo 193

8.8 EQUIPAMENTOS E MATERIAIS PARA INTERVENO 1948.8.1 Equipamentos e Materiais de Proteo Individual e Coletiva 1948.8.2 Meios de Proteo e de Descontaminao 194

8. 9 TREINAMENTO DE PESSOAL 195

8.10 PROCEDIMENTOS DAS EQUIPES DE COMBATE AINCNDIO

196

8.10.1 Consideraes Gerais 1968.10.2 Atribuies da Brigada de Incndio 197

8.10.2.1 Incndio Ameaando o Material Radioativo 1978.10.2.2 Incndio Envolvendo Material Radioativo 1978.10.2.3 Incndio que Possa Provocar um Acidente de Criticalidade 2008.10.2.4 Incndio Associado a um Acidente de Criticalidade 200

8.11 INSTRUES PARA EVACUAO EREAGRUPAMENTO DO PESSOAL NOENCARREGADO DA INTERVENO

202

8.11.1 Incndio Ameaando o Material Radioativo 2028.11.2 Incndio Envolvendo Material Radioativo 2028.11.3 Incndio que Possa Provocar um Acidente de Criticalidade 2038.11.4 Incndio Associado a um Acidente de Criticalidade 203


ANEXO8A

PROCEDIMENTOS DE PROTEOCONTRA INCNDIO E PRIMEIROS SOCORROS

205

8A.1 ALERTA 205

8A.2 COMBATE AO FOGO 205

8A.2.1 Vazamento de Gs Combustvel 207

8A.2.2 Derramamento Acidental de Lquido Inflamvel 2088A.2.3 Vazamento da Tubulao de gua, com Inundao das 208


15/268

xv

Dependncias da Instalao

8A.3 OPERAES DE PRIMEIROS SOCORROS ESALVAMENTO

209

8A.3.1 Primeiros Socorros em Caso de Contaminao Radioativa

Externa

209

8A.3.1.1 Contaminao Localizada, Sem Ferimento Associado 2098A.3.1.2 Contaminao Localizada Com Ligeiro Ferimento Associado 2108A.3.1.3 Contaminao Difusa Sem Ferimento Associado 2118A.3.1.4 Ferimento Grave Com Contaminao Externa Associada 2118A.3.1.5 Deslocamento ou Transporte de uma Pessoa Contaminada 212

8A.3.2 Fogo numa Pessoa 2128A.3.3 Queimaduras com Lquido Corrosivo 2128A.3.4 Emisso de Vapores ou de Gases Irritantes ou Sufocantes 213

8A.3.5 Eletrocusso Asfixia 214ANEXO

8BAES DE RESPOSTA A EMERGNCIASENVOLVENDO O TRANSPORTE DEMATERIAIS RADIOATIVOS

215

8B1 Resgate 215

8B2 Combate ao Fogo 215

8B3 Controle de Contaminao no Local do Acidente 215

ANEXO8C

AES PROTETORAS GENRICAS EM CASO DEINCNDIO ENVOLVENDO FONTES RADIOATIVAS,RISCOS RADIOLGICOS ASSOCIADOS EPROPRIEDADES DE ALGUNS MATERIAIS

223

ANEXO

I

NOES DE ESTATSTICA DE CONTAGENS 229

I.1 INTRODUO 229

I.2 PROBABILIDADE 229I.2.1 Lei da Adio 230I.2.2 Lei da Multiplicao 230

I.3 MDIA ARITIMTICA 231

I.4 MEDIANA 231


16/268

xvi

I.5 MODA 232

I.6 MDIA PONDERADA 232

I.7 MODELOS ESTATSTICOS 232I.7.1 Distribuio Binomial 233I.7.2 Distribuio de Poisson 235I.7.3 Distribuio de Gauss e Distribuio Normal 237

I.8 VARIANA, DESVIO PADRO ECOEFICIENTE DE VARIAO

238

I.9 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 239

ANEXOII

FUNO EXPONENCIAL E FUNO LOGARITMA 241

II.1 INTRODUO 241

II.2 PROPRIEDADES DOS LOGARITMOS 242

II.3 PROPRIEDADES OPERATRIAS DOS LOGARITMOS 242

II.4 LOGARITMOS DECIMAIS 245

II.5 LOGARITMO NATURAL OU NEPERIANO 247II.5.1 Propriedades dos Logaritmos Naturais 248

II.6 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 248


17/268

xvii

RELAO DE FIGURAS

Figura2.1

Natureza das espcies reativas na gua pela radiaoionizante: (a) eltron hidratado (b) radical hidrognio (c) onhidrognio (d) radical hidroxila (e) on hidroxila

31

Figura2.2

(a)Estruturas das bases uracil, timina e citosina(b) Natureza dos radicais intermedirios e produtos finais da

irradiao quando uracil atacado pelas espcies ativas-(aq), He OH

32

Figura4.1

Taxa de contagem observada como funo da taxa decontagem real, para detectores com 1 s, 10 s e 100 s detempo morto.

91

Figura4.2

Esquema para monitorao de rea 94

Figura4.3

Esquema para monitorao individual 95

Figura5.1

Fluxograma bsico de gerncia de rejeitos radioativos 106

Figura5.2

Modelo de etiqueta para identificao de rejeitos 110

Figura8.1

Representao Esquemtica do Ciclo do CombustvelNuclear

171

RELAO DE TABELAS

Tabela1.1

Alcance Aproximado de Partculas Carregadas 16

Tabela1.2

Poder de Penetrao de Partculas Carregadasem Diferentes Meios

16

Tabela1.3

Srie de Desintegrao do Urnio-238 22

Tabela2.1

Efeitos da Radioexposio de Corpo Inteiro em Adultos 35

Tabela2.2

Exemplo Comparativo de Riscos de Morte devido aAcidentes de Trabalho nos Estados Unidos da Amrica

36

Tabela3.1

Valores para Fator de Qualidade 45

Tabela3.2

Relao entre TLE e EBR 46

Tabela

3.3

Fatores de Ponderao da Radiao, w R 47


18/268

xviii

Tabela3.4

Fatores de Ponderao de rgo ou Tecido, wT 47

Tabela3.5

Limites Primrios Anuais de Doses (CNEN-NN-3.01) 54

Tabela

3.6

Constantes Especficas de Radiao Gama (Gamo) 61

Tabela3.7

Camadas Semi-Redutoras e Camadas Deci-Redutoras 62

Tabela3.8

Coeficiente de Atenuao Mssico, em cm2/g 62

Tabela3.9

Constantes do Fator de Build-up, para Diversos Meios 63

Tabela3.10

Camadas Semi-Redutoras e Deci-Redutoras para Raios-X 64

Tabela3.11 Fator de Correo (a) para o Espalhamento de Raios-X 65Tabela3.12

Energias dos Principais Emissores Beta 65

Tabela3.13

Relao entre Coeficientes de Atenuao Mssicoe Energias Beta Mximas, para o Alumnio

66

Tabela3.14

Sees de Choque para Nutrons Rpidos 69

Tabela3.15

Fatores de Converso (FluxoDose) 69

Tabela3.16

Principais Radionucldeos Usados em Pesquisa 71

Tabela4.1

Caractersticas dos Principais Radioistopos Usados emPesquisa

78

Tabela4.2

Caractersticas de Alguns Detectores de Radiao 93

Tabela5.1

Limites para Dispensa de Slidos contendo Radionucldeos 102

Tabela

5.2

Limites para Dispensa de Lquidos contendo Radionucldeos

na Rede de Esgotos Sanitrios de Instalaes Radiativas

103

Tabela5.3

Nveis Mximos de Contaminao Radioativa Permitidos emRecipientes

108

Tabela5.4

Dados Referentes aos Principais Emissores Gama Usados emPesquisa

114

Tabela5.5

Taxas de Dose Externa, em Funo da Distncia, para Fontesde 1mCi (3,7.107Bq)

119

Tabela6.1

Classificao Internacional de Produtos Perigosos 121

Tabela6.2

Valores Bsicos de Limites de Atividade e Concentrao emEmbalados Tipo A, para alguns Radionucldeos

128


19/268

xix

Tabela6.3

Limites de Atividade para Embalados Exceptivos 129

Tabela6.4

Fator de Multiplicao do IT para Cargas com GrandesDimenses

132

Tabela

6.5

Categoria de Embalados 133

Tabela6.6

Extrato da Classificao das Naes Unidas contendo NomesApropriados ao Transporte de Materiais Radioativos eRespectivos Nmeros Atribudos

135

Tabela6.7

Limites de Contaminao No Fixada em SuperfciesExternas de Embalados

136

Tabela7.1

Escala Internacional de Eventos Nucleares (INES) paraPronta Comunicao da Importncia de Eventos Ocorridosem Instalaes Nucleares, sob o Ponto de Vista de Segurana

144

Tabela7.2 Detalhamento dos Critrios ou Atributos de SeguranaAdotados para Classificao de Eventos na EscalaInternacional de Eventos Nucleares

145

Tabela7.3

Nveis de Interveno Recomendados pela AIEA 154

Tabela7.4

Nveis de Ao Genricos para Gneros Alimentcios 154

Tabela7.5

Mtodos para Descontaminao de Pessoal 156

Tabela7.6

Mtodos para Descontaminao de Pessoale de rea

158

Tabela8.1

Radionucldeos Empregados em Instalaes Mdicas,Industriais e de Pesquisa

165

Tabela8B1

Riscos Potenciais, Segurana do Pblico e Aes deResposta a Acidentes de Transporte Envolvendo MateriaisRadioativos

217

Tabela8C1

Riscos Radiolgicos Associados ao Manuseio deDispositivos Radioativos Danificados ou sem Blindagem

224

Tabela8C2

Propriedades de Alguns Materiais Radioativos bem como deMateriais Usados em Revestimento, Embalagem eBlindagem

225


20/268

xx


21/268

1

1 FUNDAMENTOS DA FSICAAna Maria Xavier, Jos Tullio Moro e Paulo Fernando Heilbron

1.1 ESTRUTURA DA MATRIA

1.1.1 Introduo

A questo da estrutura da matria vem recebendo ateno de filsofos ecientistas desde os primrdios da civilizao. Sob o ponto de vista deproteo radiolgica, a matria pode ser considerada como constituda departculas fundamentais cujas propriedades de interesse so a massa e acarga eltrica. Neste contexto, as trs partculas importantes para acompreenso da estrutura e propriedades da matria so os eltrons (e), os

prtons (p) e os nutrons (n). A estas, pode ser acrescentado o fton, tipoespecial de partcula associada radiao eletromagntica. Partculas maiselementares como lptons e quarks fogem ao escopo desta publicao.

O eltron j era conhecido desde o sculo dezenove como a unidade decarga eltrica, tendo sua carga negativa o mesmo valor numrico que a doprton, ou seja, 1,6021.10-19 C.

O nutron no possui carga eltrica e tem uma massa aproximadamenteigual do prton. Assim, o ncleo possui uma carga eltrica positiva cujotamanho depende do nmero de prtons nele contidos.

1.1.2 tomo e Estrutura do tomo

O tomo a menor partcula de um elemento que conserva suaspropriedades qumicas, sendo constitudo por partculas fundamentais(prtons, eltrons e nutrons).

Os prtons e os nutrons encontram-se aglomerados numa regio centralmuito pequena, chamada ncleo, que se mantm unida mediante forasnucleares fortes, que tm carter atrativo e so muitas ordens de grandezasuperiores fora de repulso eletrosttica existente entre os prtons, aqual tenderia a expuls-los do interior do ncleo. A densidade do ncleo muito elevada, sendo da ordem de milhes de toneladas por centmetrocbico.

Segundo o modelo atmico de Bohr, os eltrons, partculas de massa

insignificante frente massa do ncleo (me mp/1840) e carga eltrica


22/268

2

negativa, movem-se em torno do ncleo, numa regio denominada coroa,cujo raio cerca de dez mil vezes maior que o raio do ncleo.

Como a massa dos eltrons que orbitam em torno do ncleo muitopequena, correto considerar o ncleo como um ponto minsculo no

centro do tomo onde est concentrada a maior parte de sua massa.

O tomo de um elemento possui uma massa bem definida, cujo valor exato determinado em relao massa de um elemento tomado como padro.Em 1961, por um acordo internacional entre fsicos e qumicos, foiestabelecida uma escala unificada, tendo sido atribudo o valor exato de12,000000 para a massa atmica do carbono-12, Assim, nessa escala, umaunidade de massa atmica igual a 1/12 da massa do tomo de carbono-12,ou seja:

1 u.m.a. = 1/12 da massa do carbono-12 = 1,6598.10-24g

O prton possui uma massa de 1,00759 u.m.a., valor muito semelhante massa do tomo de hidrognio, e uma carga positiva igual a 1,6021.10-19 C.

O nutron possui uma massa de 1,00898 u.m.a., valor muito prximo ao damassa do prton, sendo eletricamente neutro.

As propriedades qumicas dos tomos so definidas pelo nmero atmico Z(nmero de unidades de carga positiva existente no tomo), sendo esta acaracterstica que diferencia um elemento de outro. Normalmente, onmero de unidades de carga positiva igual ao da negativa, tornando otomo eletricamente neutro.

tomos de um elemento podem se combinar com tomos de outroelemento formando molculas. Por exemplo, quatro tomos de hidrogniopodem se combinar com um tomo de carbono para formar uma molculade metano, CH4.

1.1.3 Nmero Atmico, Nmero de Massa, Massa Atmicae tomo-Grama

Nmero atmico: o nmero de prtons que um tomo possui em seuncleo e que determina suas propriedades qumicas, sendo representadopelo smbolo Z. tomos do mesmo elemento qumico possuem o mesmonmero atmico, mas no necessariamente a mesma massa, j que podem

diferir pelo nmero de nutrons.


23/268

3

Nmero de massa: o nmero total de ncleons, ou seja, prtons (Z) +nutrons (N) existentes em um tomo, sendo simbolizado pela letra A(A=N+Z).Massa atmica: tambm conhecida impropriamente por Peso Atmico: arazo ente a massa mdia dos tomos do elemento em sua composio

isotpica natural e 1/12 da massa do carbono-12.

tomo-grama: a massa atmica de um elemento, expressa em gramas, eque contm 6.02 x 1023 tomos desse elemento.

1.1.4 Nucldeo

Chama-se nucldeo qualquer espcie nuclear (ncleo de um dado tomo)

definida por seu nmero atmico (Z), nmero de massa (A) e estadoenergtico. O smbolo utilizado neste texto para representar os nucldeosconsiste no smbolo qumico do elemento (por exemplo, Fe), com o nmeroatmico (Z=26) como subndice direita, abaixo e o nmero de massa(A=57) como supra-ndice, esquerda e acima. Generalizando:

Normalmente, omite-se o nmero atmico como subndice, uma vez que osmbolo qumico suficiente para identificar o elemento, por exemplo:57Fe, 4He , 198Au.

1.1.5 Istopos

Istopos so nucldeos que possuem o mesmo nmero atmico Z masmassas atmicas (A) diferentes, isto , os istopos tm o mesmo nmero deprtons, porm diferente nmero de nutrons (N) e, como conseqncia,

diferente nmero de massa A. O fato dos istopos possurem o mesmonmero atmico faz com que se comportem quimicamente de formaidntica.

Exemplos: 38Cl e 37Cl ;

57Co e 60Co

ZAX


24/268

4

1.1.6 Isbaros

So nucldeos que possuem o mesmo nmero de massa e diferentesnmeros atmicos. Tendo nmeros atmicos distintos, comportam-se

quimicamente de forma diferente.

Exemplo: 57Fe e 57Co

1.1.7 Istonos

So nucldeos que possuem o mesmo nmero de nutrons (N).

Exemplo :

30

Si14 e

31

P15

1.1.8 Elemento

Elemento (X) uma substncia que no pode ser decomposta, por aoqumica normal, em substncias mais simples. A definio de elementoengloba sua mistura natural de istopos, uma vez que a maioria doselementos formada por vrios istopos. Por exemplo, o estanho natural formado pela mistura de dez istopos.

Desde os primrdios da Qumica, tentou-se classificar os elementosconforme as analogias ou diferenas de suas propriedades. Atualmente, apouco mais de centena de elementos conhecidos est classificada nosistema peridico de Niels Bohr, aprimorado a partir da classificaooriginal proposta por Mendeleiev (1834-1907). Assim, os elementos sodispostos em fileiras ou perodos e colunas ou grupos, atendendo estrutura eletrnica de seus tomos, de que dependem as respectivaspropriedades, e em ordem crescente de seus nmeros atmicos.

1.1.9 Equivalncia entre Massa e Energia

A unidade de energia conveniente para o estudo dos fenmenos deinterao da radiao com a matria em proteo radiolgica o eltron-volt (simbolizado eV), que corresponde energia adquirida por um eltronao atravessar um campo eltrico de 1 volt. Esta unidade expressa um valormuito pequeno e sua relao com unidades macroscpicas e a seguinte:

1 eV = 1,602.10-19J = 1,602.10-12 erg


25/268

5

Em 1909, como parte de sua teoria da relatividade especial, AlbertEinstein enunciou que o contedo total de energia E de um sistema demassa m dado pela relao:

E = mc2

onde c = 2,99776.1010cm/s a velocidade da luz no vcuo.

Em quase toda reao nuclear, uma pequena quantidade de massa transformada em energia, ou vice versa, como por exemplo:

226Ra88 222Rn86+ energia

estando essa energia relacionada ao decrscimo de massa convertida deacordo com a equao de Einstein acima. Alternativamente, a equao deEinstein pode ser expressa como:

E = 931 m

sendo E a energia, em MeV, e m o decrscimo de massa, em unidadeunificada de massa atmica.

1.1.10 Energia de Ligao dos Ncleos

As partculas que constituem um ncleo estvel so mantidas juntas porforas de atrao fortes e, portanto, para separ-las, necessrio realizartrabalho at que elas se mantenham afastadas por uma grande distncia. Ouseja, energia deve ser fornecida ao ncleo para separ-lo em seusconstituintes individuais, de tal forma que a energia total dos constituintes,quando suficientemente separados maior do que aquela que tm quandoformam o ncleo.

Verifica-se que a massa real de um ncleo sempre menor que a soma dasmassas dos ncleons que os constituem. Esta diferena de massa,conhecida por defeito de massa, quando convertida em energia,corresponde energia de ligao do ncleo Tomando, por exemplo, otomo de helio (He-4), tem-se:

massa do ncleo do hlio = 4,00150 u.m.a.massa do prton = 1,00728 u.m.a.

massa do nutron = 1,00867 u.m.a.massa total: 2p + 2n = 4,03190 u.m.a.


26/268

6

Pode ser observado que a diferena entre o valor da soma das massas dosconstituintes do ncleo e a massa do ncleo de 0,03040 u.m.a. Como 1u.m.a. equivalente a 931 MeV, temos que a diferena das massasequivale a 28,3 MeV, que representa a energia de ligao do ncleo dotomo de Hlio.

1.1.11 Estabilidade Nuclear

Os nucldeos podem ser estveis ou instveis. Estveis so aqueles quepreservam sua identidade de elemento qumico indefinidamente. Instveisso aqueles que podem sofrer um processo espontneo de transformao(desintegrao) e se converter em um outro nucldeo. Neste processo, podehaver a emisso de radiao.

A energia de ligao , tambm uma medida da estabilidade de um ncleouma vez que pode ser demonstrado que um ncleo no se fragmenta empartculas menores quando sua massa menor que a soma das massas dosfragmentos.

1.1.12 Nmeros Qunticos

As caractersticas de cada eltron so definidas por quatro nmeros,denominados nmeros qunticos. Os eltrons esto distribudos emcamadas ou nveis energticos, sendo que, para cada nvel, a energia totaldos eltrons que o ocupam exatamente a mesma.

O nmero quntico principal ou fundamental indica, ainda, o nmeromximo de eltrons possveis numa camada, sendo que a cada nvelenergtico principal atribudo um nmero inteiro (1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7) ouuma letra ( K, L, M, N, O, P ou Q ).

Os nveis de energia das camadas K, L e M para o tomo de tungstnio, porexemplo, so respectivamente 70 keV, 11 keV e 2,5 keV. Estes valorescorrespondem s energias de ligao dos eltrons em cada um dessesnveis. Isto significa ser necessrio, no mnimo, 70 keV para remover umeltron localizado na camada K para fora do tomo.

medida que aumenta o nmero atmico, aumenta o nmero de eltronsem torno do ncleo. Os novos eltrons iro ocupar as camadas disponveis,seguindo uma ordem bem estabelecida. Cada camada tem uma capacidade

mxima de receber eltrons. Assim, o nvel energtico K pode comportarat dois eltrons; o L, oito; o M, dezoito; o N e o O comportam o nmero


27/268

7

mximo de trinta e dois eltrons cada. A camada K a mais prxima doncleo e corresponde ao nvel energtico mais baixo do tomo. Os eltronsem nveis energticos mais altos tm probabilidade maior de situarem-seem regies mais afastadas do ncleo do tomo. Os eltrons localizados emrbitas prximas do ncleo, como a rbita K, tm uma certa probabilidade

de penetrar na regio do ncleo. Este fato faz com que esses eltronspossam participar de certos processos nucleares.

Se uma quantidade de energia for fornecida ao tomo de forma que seuseltrons mais internos sejam removidos para rbitas mais externas oumesmo arrancados do tomo, um dos eltrons das camadas mais externasir ocupar a vaga deixada e, nessa transio, o tomo emitir ftons deenergia, conhecidos por radiao caracterstica.

Cada nvel energtico principal subdivide-se em subnveis, que dependemdo segundo nmero quntico, chamado nmero quntico secundrio. Oeltron pode se encontrar em qualquer lugar em torno do ncleo, excetoneste. No entanto, h algumas regies do espao onde muito maisprovvel encontr-lo que outras. Chama-se orbital regio do espao emvolta do ncleo onde mais provvel encontrar o eltron ou onde adensidade eletrnica maior. O nmero quntico secundrio pode ter nvalores, comeando por 0, sendo o valor mximo n-1, onde n = noqunticoprincipal, e indicam a forma e o tamanho dos orbitais, sendo seu valorrepresentado, tambm, pelas letras s, p, d, f.... Os orbitais s, por exemplo,tm a forma esfrica e seu raio aumenta com o nvel energtico principal.

Uma vez que o eltron uma partcula carregada e em movimento, ela criaum campo magntico e se constitui em pequeno m, razo pela qual seorienta em qualquer campo magntico externo. As diferentes orientaesque um eltron pode tomar vm definidas pelo terceiro nmero quntico, onmero quntico magntico, cujo valor tambm inteiro, positivo,negativo ou nulo.

Os eltrons tm um movimento de rotao sobre si mesmos, conhecido porspin, que definido pelo quarto nmero quntico, o nmero qunticorotacional ou de spin, que toma os valores e + , conforme o sentido derotao seja horrio ou o contrrio.

De acordo com o Princpio de excluso de Pauli, dois eltrons de ummesmo tomo no podem ter os quatro nmeros qunticos iguais; diferiro,pelo menos em um deles. Assim que dois eltrons no mesmo orbital tm,necessariamente, spins opostos.


28/268

8

1.1.13 Nveis de Energia Nucleares

O ncleo atmico tambm se apresenta em estados com energias bemdefinidas. O estado de energia mais baixa denominado estadofundamental e corresponde ao nvel de energia zero. O primeiro nvel

acima deste o 1 estado excitado e assim sucessivamente. Se, porqualquer motivo, for fornecida uma quantidade de energia suficiente aoncleo, ele passar a um de seus estados excitados. Aps um perodo detempo, em geral muito curto, ele voltar ao seu estado fundamental,emitindo radiao.

Normalmente, o retorno ao estado fundamental se d por meio da emissode radiao eletromagntica gama, . Durante esse processo, o ncleo podepassar por vrios de seus estados de excitao. Como conseqncia, raios

de diferentes energias podem ser emitidos por um nico ncleo.

1.2 RADIAO ELETROMAGNTICA

Os gregos da antiguidade j haviam reconhecido a natureza nica da luz,empregando o termo fton para definir o tomo de luz, ou seja, a menorquantidade de qualquer radiao eletromagntica que possui a velocidadeda luz. O fton pode ser retratado como um pequeno pacote de energia,

tambm chamado quantum, que se move atravs do espao com avelocidade da luz.

Embora ftons no possuam massa, eles possuem campos eltricos emagnticos que se movem continuamente sob a forma de ondas senoidais.As propriedades importantes do modelo senoidal so a freqncia (f) e ocomprimento de ondas (), sendo a equao da onda expressasimplesmente por:

v = f .

No caso de radiao eletromagntica, o produto da freqncia pelocomprimento de onda constante e igual velocidade da luz. Assim,sempre que a freqncia aumenta, o comprimento de onda diminui e vice-versa.

Outra propriedade importante da radiao eletromagntica emitida por umafonte expressa pela lei do quadrado das distncias, ou seja, a intensidade(I) diminui rapidamente com a distncia da fonte (d), conforme se segue:

I1/ I2 = (d2/ d1 )2


29/268

9

A razo para esse rpido decrscimo na intensidade da radiao o fatoque, quando se aumenta cada vez mais a distncia da fonte pontual, aenergia emitida espalhada por reas cada vez maiores. Como regra geral,a lei do quadrado da distncia pode ser aplicada sempre que a distncia dafonte for, pelo menos, sete vezes maior que a maior dimenso da fonte no

pontual.

O espectro eletromagntico est compreendido na faixa de freqncia de 10a 1024Hz e o comprimento de onda dos respectivos ftons encontram-se nafaixa de 107a 10-16metros.

1.3 RADIOATIVIDADE

1.3.1 Descoberta da RadioatividadeAps o descobrimento dos raios-X por William Rentgen em 1895, ofsico francs Henri Becquerel, associando a existncia desses raios atento desconhecidos aos materiais fosforescentes e fluorescentes, testouuma srie de substncias com essas caractersticas. Assim, em 1896,verificou que sais de urnio emitiam radiaes capazes de velar chapasfotogrficas, mesmo quando envoltas em papel preto. Observou ainda, quea quantidade de radiao emitida era proporcional concentrao de urnioe era independente das condies de presso, temperatura ou estadoqumico da amostra, alm de permanecer inalterada mesmo sob a ao decampos eltricos ou magnticos.

Posteriormente, o casal Pierre e Marie Curie aprofundou estas pesquisas,chegando, em 1898, descoberta de dois novos elementos radioativos,quais sejam, o polnio e o rdio, tendo empregado o termo radioatividadepara descrever a energia por eles emitida.

Ernest Rutherford, em 1899, por meio de uma experincia simples,

contribuiu para elucidar a natureza da radioatividade. Uma amostra domaterial radioativo foi colocada dentro de um recipiente de chumbocontendo um orifcio. A radiao produzia um ponto brilhante em umaplaca de sulfeto de zinco, colocada diante do orifcio. Sob a ao de umcampo magntico, o feixe de radiao repartia-se em trs, que foramdenominadas radiao alfa, beta e gama.


30/268

10

Em 1909, Rutherford e Soddydemonstraram que a radiao era constituda por ncleos de hlio,com dois prtons e dois nutrons,apresentando, portanto, duas cargas

positivas.

A radiao foi, posteriormente,identificada como sendo constitudapor eltrons. Tanto as partculas como as partculas eram emitidascom altas velocidades, demonstrandoque uma grande quantidade de energiaestava armazenada no tomo.

Foi observado, tambm, que a radiao gama () no era desviada de suatrajetria sob a ao do campo magntico e apresentava as mesmascaractersticas dos raios-X, ou seja, uma onda eletromagntica de altaenergia.

Esses trabalhos de pesquisa cientfica permitiram concluir que aradioatividade a transformao espontnea de um ncleo atmico,convertendo um nucldeo em outro.

A natureza das radiaes emitidas caracterstica das propriedadesnucleares do nucldeo que est se desintegrando, denominado nucldeo pai.O nucldeo pai, ao se desintegrar, d origem ao nucldeo filho. Em algunscasos, o nucldeo filho tambm radiativo, formando, assim, uma cadeiaradioativa.

Um nucldeo radioativo denominado radionucldeo.

1.3.2 Tipos de Desintegrao Radioativa

1.3.2.1 Desintegrao Alfa ()

As partculas alfa so ncleos de hlio, constitudos por dois prtons e doisnutrons, tendo duas cargas positivas.

A reao de desintegrao alfa pode ser assim esquematizada:

A X ZA-4 Y Z-2 +

4He 2 + Q

MaterialRadioativo

Chumbo


31/268

11

sendo Q a energia liberada no processo de desintegrao, oriunda dadiferena de massa existente entre o ncleo pai e os produtos dadesintegrao.

As partculas alfa so emitidas como energias discretas e caractersticas doncleo pai. A desintegrao alfa caracterstica de ncleos pesados(Z > 82), salvo excees, sendo que a maioria dos nucldeos emissores alfaso naturais.

1.3.2.2 Desintegrao Beta

A desintegrao beta tanto pode ser negativa (emisso de eltrons), quandoo ncleo est com excesso de nutrons, como positiva (emisso depsitrons), ou seja, partculas com massa igual do eltron, mas com cargapositiva, quando o ncleo est com excesso de prtons, conforme descrito aseguir.

1.3.2.2.1 Desintegrao Beta Negativa ( -)

Quando o ncleo possui um nutron em excesso, este convertido em umprton e uma partcula beta negativa.

A X ZA

YZ+1 +

- + + Q

Aqui, representa o antineutrino, partcula sem carga, com massa derepouso extremamente pequena e que se desloca velocidade da luz.

A partcula beta negativa possui as mesmas caractersticas dos eltronsatmicos, porm tem origem no ncleo. A emisso de partcula - diferente das emisses uma vez que as partculas - so emitidas em umespectro contnuo de energia, variando de zero at um valor mximo,caracterstico do ncleo pai. Esta energia mxima est na faixa de 0,05 -3,5 MeV, para os nucldeos mais comuns.

Como o ncleo possui nveis de energias discretos, a emisso de umapartcula com espectro contnuo de energia explicada pela emisso deuma segunda partcula, neste caso o antineutrino. O antineutrino transportaa diferena de energia existente entre a energia da partcula beta negativa ea energia disponvel, dada pela diferena de massa entre o ncleo pai e os

produtos da desintegrao (Q).


32/268

12

1.3.2.2.2 Desintegrao Beta Positiva ( +)

Quando o ncleo possui um prton em excesso, este convertido em umnutron e uma partcula beta positiva (psitron).

AXZ

AY

Z-1 +

+ + + Q

O psitron possui a mesma massa do eltron e sua carga tem valor absolutoigual do eltron, porm com sinal positivo. De maneira anloga spartculas beta negativas, as partculas beta positivas so emitidas em umespectro contnuo de energia. Neste caso, a energia mxima est na faixa de0,3 - 1,4 MeV, para os nucldeos mais comuns.

1.3.2.2.3 Desintegrao por Captura Eletrnica

O processo de captura eletrnica compete com o de desintegrao betapositiva, isto , tambm ocorre quando o ncleo possui um excesso deprtons. Em certos casos, a probabilidade do mesmo ncleo se desintegrarpor qualquer um desses dois processos comparvel. Assim, o ncleo, aoinvs de emitir um psitron, captura um eltron de seu prprio tomo,convertendo um de seus prtons em nutron e liberando um neutrino mono-

energtico, o qual transporta a energia disponvel no processo.0

e -1+A

X ZA

YZ-1 + + Q

O eltron da camada K o que tem maior probabilidade de ser capturado,em razo da sua maior proximidade do ncleo. Entretanto, este processopode ocorrer tambm com eltrons de camadas mais externas.

Aps a captura do eltron, este deixar uma vaga no seu nvel orbital, queser preenchida por outro eltron de camadas mais externas, dando origem emisso de raios-X (chamados de caractersticos).

1.3.2.2.4 Converso Interna e Eltron Auger

A captura de eltrons orbitais pelo ncleo atmico pode vir acompanhada,algumas vezes, pela emisso de eltrons atmicos denominados eltronsAuger. Isto ocorre quando um dos raios-X emitidos colide com um doseltrons que permaneceram nos orbitais atmicos e cede energia a esse

eltron, deslocando-o de seu orbital.


33/268

13

1.3.2.3 Desintegrao com Emisso Gama ( )

Em muitos casos, aps ocorrer um dos tipos de desintegrao descritosanteriormente, o processo radioativo se completa. Em outros, o ncleo filho formado em um de seus estados excitados, contendo, ainda, um excesso

temporrio de energia. Quando isto ocorre, o ncleo filho emite essaenergia armazenada sob a forma de raios gama ().

A radiao gama pertence a uma classe conhecida como radiaoeletromagntica. Este tipo de radiao consiste de pacotes de energia(quanta) transmitidos em forma de movimento ondulatrio. A radiaoeletromagntica uma modalidade de propagao de energia atravs doespao, sem necessidade de um meio material. Outros membros bemconhecidos desta classe so: ondas de rdio, raios-X e, inclusive, a luz

visvel.

A diferena essencial entre a radiao e a radiao X est na sua origem.Enquanto os raios resultam de mudanas no ncleo, os raios-X soemitidos quando os eltrons atmicos sofrem uma mudana de orbital.

Os raios so emitidos dos ncleos radioativos com energias bemdefinidas, correspondentes diferena entre os nveis de energia detransio do ncleo que se desexcita. A transio pode ocorrer entre dois

nveis excitados ou entre um nvel excitado e o nvel fundamental. Destemodo, pode haver a emisso de um ou mais raios em cada desintegrao.

Por exemplo, o Cobalto-60, aps desintegrao beta, tem como resultado osegundo nvel de excitao do Nquel-60 que, como conseqncia, emitedois gamas, um de 1,17 MeV e outro de 1,33 MeV.

A energia dos raios gamas emitidos pelos diferentes nucldeos est,aproximadamente, na faixa de 0,03 3 MeV.

1.3.3 Interao da Radiao com a Matria

As radiaes so processos de transferncia de energia sob a forma deondas eletromagnticas e, ao interagir com a matria, resulta natransferncia de energia para os tomos e molculas que estejam em suatrajetria.

Sob ponto de vista da fsica, as radiaes, ao interagirem com um meiomaterial, podem provocar ionizao, excitao, ativao do ncleo ouemisso de radiao de frenamento, conforme descrito a seguir.


34/268

14

Ionizao: processo de formao de tomos eletricamente carregados, ouseja, ons, pela remoo ou acrscimo de um ou mais eltrons.

Excitao: adio de energia a um tomo, elevando-o do estado

fundamental de energia ao estado de excitao. Os eltrons so deslocadosde seus orbitais de equilbrio e, ao retornarem, emitem a energia excedentesob a forma de radiao (luz ou raios-X caractersticos).

Ativao do Ncleo: interao de radiaes com energia superior energiade ligao dos ncleons e que provoca reaes nucleares, resultando numncleo residual e na emisso de radiao.

Radiao de Frenamento:(Bremsstrahlung) radiao, em particular

raios-X, emitida em decorrncia da perda de energia cintica de eltronsque interagem com o campo eltrico de ncleos de tomos-alvo, tomosestes com elevado nmero atmico, ou mesmo que interagem com aeletrosfera.

Em decorrncia das diferenas existentes entre as partculas e radiaes, emsuas cargas e suas massas, cada um deles interage de modo diferente com amatria.

O conhecimento das propriedades das radiaes e de seus efeitos sobre amatria de grande importncia, destacando-se: a deteco de substncias radioativas, uma vez que se baseia, sempre,

em alguns dos efeitos produzidos pela radiao na parte sensvel doequipamento de medida;

a maior facilidade na interpretao das diversas aplicaes dos materiaisradioativos;

a adoo das medidas preventivas mais apropriadas, de modo a protegero corpo humano dos efeitos nocivos da radiao.

Quando as partculas carregadas ou a radiao eletromagntica atravessama matria, o mecanismo que mais contribui para a perda de energia ainterao com os eltrons. Isto se justifica pelo fato do raio do ncleo ser daordem de 10.000 vezes menor que o raio do tomo. Assim, de se esperarque o nmero de interaes com eltrons seja muito maior que comncleos, uma vez que o nmero de interaes proporcional reaprojetada, ou seja, ao raio elevado ao quadrado.

Para o caso especfico de partculas carregadas, este fenmeno facilmente

evidenciado a partir da disperso que elas experimentam ao interagir com amatria. As partculas mais pesadas so pouco desviadas de sua direo


35/268

15

original quando interagem, perdendo energia. As partculas beta, porserem menos pesadas, so desviadas com ngulos muito maiores aointeragirem com o meio. As perdas de energia resultante de colises comncleos resultam ser vrias ordens de grandeza menores que na interaocom eltrons.

1.3.3.1 Interao de Partculas Carregadas (10 keV a 10 MeV)

Uma partcula carregada, ao passar atravs de uma substncia (alvo) podeinteragir com eltrons carregados negativamente e ncleos de tomos oumolculas carregados positivamente. Devido fora coulombiana, apartcula, em funo de sua carga, tenta atrair ou repelir os eltrons ouncleos prximos de sua trajetria, perdendo parte de sua energia, esta

tomada pelos tomos alvo prximos a sua trajetria.Essas partculas, medida que penetram na matria, sofrem colises einteraes com perda de energia at que, a uma dada espessura do material,toda energia dissipada e a partcula, portanto, para de se deslocar.Denomina-se alcance a distncia mdia percorrida por uma partculacarregada, em uma dada direo, distncia essa que depende de vriosfatores. Quatro dos mais importantes so descritos a seguir:

Energia: O alcance de uma dada partcula ampliado com o aumento daenergia inicial.

Massa: Partculas mais leves tm alcance maior que partculas maispesadas de mesma energia e carga. A dependncia do alcance em relao massa , algumas vezes, expressa como funo da velocidade da partcula.

Carga: Uma partcula com menos carga possui alcance maior que umapartcula com mais carga.

Densidade do Meio: Quanto mais alta a densidade do meio, menor oalcance da partcula, sendo este muito maior em gases do que em lquidosou slidos.

As partculas , por exemplo, pelo fato de serem pesadas e possurem carga+2, interagem muito intensamente com a matria. Seu poder de ionizao muito alto, perdendo toda a energia em poucos micrometros de materialslido ou em alguns centmetros de ar. Isso significa que o poder depenetrao das partculas alfa muito pequeno, sendo a espessura de uma

folha de papel suficiente para blindar todas as partculas emitidas por umafonte alfa.


36/268

16

J as partculas , pelo fato de possurem massa muito menor do que adas partculas e, ainda, uma carga menor, tambm apresentam poder deionizao mais baixo. Isto significa que seu poder de penetrao maiordo que o das partculas e, portanto, necessria uma espessura maiorde material para que ocorra a perda de toda sua energia.

Tabela 1.1 Alcance Aproximado de Partculas CarregadasALCANCE (cm)

TECIDO MOLE AREnergia (keV)e- ou e+ e- ou e+

10 2 . 10 -4


37/268

17

a ionizao da matria, quando atravessada por ftons, conseqncia deeltrons secundrios, j que cada fton, em princpio, produz muito poucaou, s vezes, s uma ionizao.

Os principais efeitos decorrentes da interao das radiaes e X com a

matria so:

Efeito Fotoeltrico, caracterizado pela transferncia total de energia de umfton (radiao X ou gama), que desaparece, a um nico eltron orbital, oqual expelido com uma energia cintica bem definida, T, qual seja:

T = h- Be

onde h a constante de Planck, a freqncia da radiao e Be a energia

de ligao do eltron orbital.

Como T expressa a energia do fton, a menos de um valor constante Be, atransferncia dessa energia para o material de um detetor pode ser utilizadacomo mecanismo de identificao do fton e respectiva energia. O fato datransferncia de energia do eltron de ionizao para o material produziruma ionizao secundria proporcional, faz com que a amplitude do pulsode tenso ou intensidade de corrente proveniente da coleta dos eltrons, ouons, no final do processo expressem a energia da radiao incidente.

A direo de sada do fotoeltron, com relao de incidncia do fton,varia com a energia. Para altas energias (acima de 3 MeV), a probabilidadede ser ejetado para frente bastante grande. Para baixas energias (abaixo de20 keV) a probabilidade de sair para o lado mxima para um ngulo de 70graus.

O efeito fotoeltrico predominante para baixas energias e para elementosqumicos de elevado nmero atmico Z, decrescendo rapidamente com oaumento de energia. No caso do chumbo, por exemplo, o efeito fotoeltrico maior para energias menores que 0,6 MeV e, no caso do alumnio, paraenergias menores do que 0,06 MeV.

Efeito Comptom, onde o fton interage com um eltron perifrico dotomo, mas cede apenas parte de sua energia, resultando na emisso de umfton com energia menor e que continua sua trajetria dentro do material eem outra direo.

Como a transferncia de energia depende da direo do eltron emergente esendo esta aleatria, de um fton de energia fixa podem resultar eltrons


38/268

18

com energia variando de zero at um valor mximo. Assim, a informaoassociada ao eltron emergente desinteressante, sob ponto de vista dadeteco da energia do fton incidente.

Quando a energia de ligao dos eltrons orbitais se torna desprezvel face

energia do fton incidente, a probabilidade de ocorrncia deespalhamento Compton aumenta consideravelmente. O efeito Compton predominante para energias intermedirias (100keV - 1MeV).

Formao de Pares, uma das formas predominantes de absoro daradiao eletromagntica de alta energia, tambm chamada de formao depar eltron-psitron, ocorre quando ftons de energia superior a 1,02 MeVpassam prximos a ncleos de elevado nmero atmico, interagindo com oforte campo eltrico nuclear. Nesta interao, a radiao desaparece e dorigem a um par eltron-psitron, por meio da reao:

e- + e++ E

1.3.4 Decaimento Radioativo

Quando um ncleo instvel por excesso de ncleons (prtons e nutrons)ou quando a razo A/Z (nmero de massa/nmero atmico) muito grande,ele se desintegra, por emisso alfa ou beta, conforme exemplificado aseguir:

226 Ra 88 222 Rn 86 +

4 He 2 ( emisso )

234 Th90 234 Pa91 + - ( emisso )

No interior do ncleo, os prtons e os nutrons interagem intensamente,resultando numa fora chamada nuclear, de curto alcance, de tal forma quesomente ncleons muito prximos interagem entre si. Existe, tambm, noncleo, uma interao entre prtons, dando origem a foras eltricas maisfracas, porm com alcance maior. Assim, quando prtons e nutrons estono ncleo, existe competio entre essas duas foras: as foras nucleares decurto alcance tendem a manter os ncleons bem prximos e a fora eltrica

tende a separar os prtons.

)cos1(11

'

12

0

=cmEE


39/268

19

Para tomos com um nmero elevado de prtons e nutrons, a fora eltricade repulso continua atuando, mas a fora nuclear de curto alcance noabrange todos os ncleons, resultando em ncleo instvel. Assim, em buscada estabilidade, ou seja, para se transformar em ncleo com ncleons maisfortemente ligados, so emitidas energia e partculas ou , o que leva

formao de ncleo de elemento qumico distinto do original.

Muitos fatores afetam a estabilidade nuclear sendo, talvez, o maisimportante o nmero de nutrons. Quando um ncleo possui nutrons amais (em relao ao nmero de prtons), ou a menos, o tomo pode sedesintegrar em busca de uma configurao estvel.

1.3.4.1 Velocidade de Desintegrao

A emisso de radiao por uma populao de tomos de um dado istoporadioativo no ocorre simultaneamente em todos os seus ncleos. Assim, onmero de tomos que se desintegram transcorrido um intervalo de tempo(t t0) ser dado pela diferena entre o nmero de tomos de um istoporadioativo no instante inicial (N0) e o nmero de tomos ainda nodesintegrados (N) do mesmo istopo, no tempo t > t0. Logo, a velocidademdia de desintegrao, Vm, ser dada pela relao:

Vm =

(N0

- N)/ (t - t0)

ouVm = - ( N - N0 )/ (t - t0 ) = - N / t

A velocidade instantnea de desintegrao num intervalo de tempoinfinitsimo dt, ou seja, quando t tende a zero, dada pela derivada de Nem relao a t, dN/dt , com o sinal negativo.

A variao do nmero de desintegraes nucleares espontneas (dN) emum intervalo de tempo dt chamada atividade, A, ou seja:

A = dN/dt

A primeira unidade estabelecida para atividade foi o Curie, originalmentedefinido como a taxa de desintegrao do gs radnio (222Rn), emequilbrio com um grama de rdio (226Ra). Posteriormente, o Curie foidefinido mais precisamente pelo valor abaixo, que bem prximo domedido originalmente.

1Ci = 3,7 x 1010desintegraes/segundo


40/268

20

O sistema Internacional adotou como unidade padro de atividade oBecquerel (Bq). Assim:

1 Bq = 1 desintegrao/segundo

1.3.4.2 Constante de Desintegrao e Meia-Vida

A velocidade de desintegrao varia muito entre os istopos radioativos,existindo uma probabilidade para cada um emitir um certo tipo de radiao,ou se desintegrar, caracterstica desse istopo. Esta probabilidade chamada Constante de Desintegrao ou Constante Radioativa, sendorepresentada pelo smbolo .

A velocidade de desintegrao depende no s do nmero de tomos doistopo radioativo presente na amostra (quanto maior N, maior o nmerode radiaes emitidas), como tambm da constante radioativa , ou seja:

dN/dt = -NAssim,

dN/N = - .dt

Integrando-se o primeiro termo dessa igualdade no intervalo de variao do

nmero de tomos no desintegrados, ou seja, entre N0(incio da contagemdo tempo, t = 0) e N (nmero de tomos do radioistopo, presentesdecorrido o tempo t) e integrando-se o segundo termo entre zero e t, tem-seque:

N = N0exp (- .t )

sendo esta a expresso da Lei da Desintegrao Radioativa, que mostra queo nmero de tomos de um radionucldeo diminui exponencialmente com o

tempo.De maneira similar, a atividade de uma fonte radioativa, no tempo t, expressa por:

A = A0exp (- .t )uma vez que

A = N e A0= N0 , ou seja A/A0 = N/N0.

A meia-vida de um istopo radioativo, t1/2

, o tempo necessrio para que

metade dos tomos contidos numa amostra desse istopo sofradesintegrao, ou seja, o tempo necessrio para que N seja igual a N0/2. A


41/268

21

relao matemtica existente entre e t1/2 pode ser obtida substituindo-se,na equao anterior, N por N0/2 e t por t1/2.

N0/2 = N0.exp (-.t1/2)Assim,

1/2 = exp (-.t1/2) ln 1 / 2 = -.t1/2Logo

.t1/2 = - ln 1/ 2 = ln 1 (- ln 2)Ou seja,

= ln 2/ t1/2

Portanto, a meia-vida de um radioistopo pode ser calculada a partir daconstante de desintegrao e vice-versa.O intervalo de tempo necessrio para que o organismo elimine metade de

uma substncia ingerida ou inalada chamado meia-vida biolgica, tb .Quando a meia-vida fsica e a meia-vida biolgica devem ser levadas emconsiderao, determina-se a meia-vida efetiva, tef, por meio da seguinteexpresso:

tef = (t1/2. tb) / (t1/2 + tb)

1.3.4.3 Sries de Desintegrao de Istopos Naturais

Todos os nucldeos com nmero atmico maior do que Z = 83 soradioativos. Se o nmero atmico do ncleo pai for muito grande, o ncleoformado por decaimento tambm radioativo, dando origem a uma srie dedecaimento radioativo, ou seja, seqncia em que um ncleo radioativodecai em outro que, por sua vez decai num terceiro e assim sucessivamente.

Encontram-se, na natureza, trs sries de desintegrao de istopos naturaisque se iniciam com 238U, 235U e 232Th e que, por sucessivas desintegraes,

so compostas por istopos de diversos elementos, o ltimo destes sendosempre istopos diferentes, mas estveis (no radioativos), do chumbo.

A srie do 238U integrada por 18 radioistopos, com 3 bifurcaes,terminando no 206Pb, istopo estvel.

A srie do 235U contem 17 istopos, com 5 bifurcaes, terminando no 207Pb, estvel e a srie do 232Th apresenta, apenas, 13 istopos, com duasbifurcaes, terminando no 208Pb, tambm estvel.O urnio natural constitudo em 99,28% pelo 238U, que se desintegraconforme descrito na Tabela 1, e em 0,72% pelo 235U.


42/268

22

Quando a meia vida do nucldeo pai muito mais longa que a do filho, umequilbrio, denominado secular, estabelecido. No equilbrio secular, asatividades dos pais e filhos tornam-se iguais. Assim,

N11= N22= N33 = N44 =.......

ou

N1/(t1/2)1= N2/(t1/2)2= N3/(t1/2)3= N4/(t1/2)4= .......

ou seja, quando um elemento da srie tem meia vida curta, ocorrespondente nmero de tomos ser pequeno e vice versa.

Tabela 1.3 Srie de Desintegrao do Urnio-238

ElementoEmissor

Istopo Meia-vida(t 1/2 )

Energia daRadiao(MeV)

Urnio 92 U-238 4,5 x 109 anos 4,20 ()Trio 90 Th-234 - 24 dias 0,20 (-)Protoactnio 91 Pa-234 - 6,7 horas 0,16 (-)Urnio 92 U-234 2,5 x 105 anos 4,76 ()Trio 91 Th-230 8 x 104 anos 4,88 ()Rdio 88 Ra-226 1622 anos 4,78 ()

Radnio 86 Rn-222 3,8 dias 5,49 ()Polnio 84 Po-218 - 3 minutos 6,0 ()Astatnio 85 At-218 2 segundos 6,63 ()Chumbo 82 Pb-214 - 3 minutos 0,7 (-)Bismuto 83 .Bi-214 - 19,7 minutos 5,6 ()

1,6 (-)Tlio 81 - Tl-210 1,3 minutosPolnio 84 Po-214 1,6 x 10-4

segundos

7,7 ()

Chumbo 82 Pb-210 - 22 anos 0,02 (-)Bismuto 83 Bi-210 - ()2,6x1010anos

(() 5 dias4,94 ()1,17 (-)

Polnio 84 Po-210 138 dias 5,39 ()Tlio 81 - Tl-206 4,2 minutos 1,5 (-)Chumbo 82 Pb-206 Estvel -


43/268

23

1.3.4.4 Fontes Artificiais de Radiao

A radioatividade artificial foi descoberta pelo casal de cientistas francesesF. Joliot e I. Curie (filha de Marie Curie) ao bombardear alumnio porpartculas alfa, obtendo a liberao de nutrons e a formao de 30P.

27 Al 13+4He 2

1n 0 +30

P 15

Atualmente, quatro processos bsicos so empregados para produzirartificialmente radionucldeos: irradiao de elementos estveis em reatores; irradiao de elementos estveis em aceleradores de partculas ou

ciclotrons; fisso de elementos pesados; e

decaimento/fracionamento.

1.3.4.4.1 Radionucldeos Produzidos em Reatores Nucleares

O processo de produo de radionucldeos em reatores nucleares baseadona captura de nutrons trmicos (ou seja, nutrons com energia cinticabaixa, da ordem de 0,025 eV) por tomos de um dado elemento.

A

X Z +1

n 0 A+1

X Z+ radiao

Pode-se observar que na reao de captura de nutrons, o nmero atmico(Z) do nucldeo resultante no alterado e o nmero de massa (A) aumentaem uma unidade.

O Cromo-51, o Ferro-59, o Cobalto-60, o Selnio-76, o Molibdnio-99, oIodo-131, o Xennio-133, o Samrio-153, o Ouro-198 e o Irdio-192 soexemplos de radionucldeos produzidos em reatores.

1.3.4.4.2 Radionucldeos Produzidos em Aceleradores de Partculas(Ciclotron)

A produo de radionucldeos em aceleradores de partculas pode serrealizada empregando diferentes partculas a serem aceleradas, tais comoprtons (1p1), deutrio (

2H1), trcio (3H1) e partcula alfa (

4He2). As reaesmais comuns para prtons so:

A X Z + 1p 1 AX Z+1 + 1n 0


44/268

24

A X Z +1p 1

A - 1Y Z+1 + 2 .1n 0

As reaes mais comuns para partculas so

A X Z +4He 2

A + 3X Z+2 +1n 0

A X Z +4He 2

A + 2X Z+2 + 2 .1n 0

O Flor-18, o Glio-57, o Iodo-123, o Iodo-125 e o Tlio-201 soexemplos de radionucldeos produzidos a partir de feixes de partculasaceleradas.

1.3.4.4.3 Radionucldeos Produzidos por Fisso Nuclear

Para muitos radionucldeos pesados (A 200), a captura de um nutronresulta ou num radionucldeo pesado ou em radionucldeos cujas massasatmicas so cerca de metade do nucldeo alvo. Por exemplo, no caso de235U:

235U92 +1n0

236U92 + (raro)

ou, numa reao muito mais freqente,

235U92 +1n0

141Ba56 +91Kr36 + 4 .

1n0

O processo de diviso de um ncleo pesado em dois mais leves chamadode fisso. Todos os elementos de nmero atmico entre z = 30 (zinco) e z =66 (disprsio) tm sido identificados em reaes de fisso.

1.3.4.4.4 Radionucldeos Produzidos por Decaimento/Fracionamento

Um radionucldeo gerador (tambm chamado pai) aquele que, pordecaimento, resulta em radionucldeo de meia-vida mais curta (filho). Porexemplo:

99Mo 99mTc 99Tc 99Ru67 h 6 h longa estvel

Na condio acima (t1/2 do pai > t1/2 do filho) um equilbrio transiente

estabelecido entre

99

Mo e

99m

Tc, em um tempo t, quando a razo entre asquantidades desses dois radionucldeos torna-se constante.


45/268

25

oportuno observar que nesse equilbrio transiente, a atividade do filho levemente superior do pai.

No caso de geradores, o radionucldeo filho quimicamente separado dopai, antes de ser empregado em prticas mdicas e em pesquisa.

1.4 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

[1] Johns, H.E. e Cunningham, J.R., The Physics of Radiology,Publication No 932, American Lecture Series, CharlesC. ThomasPublisher, Revised Third Printing (1974).[2] Febrer Canals, M.A., Atlas de Qumica, Libro Edio ComemorativaIbrico-Americano Ltda., Ediciones Jover S.A. (1980).

[3] Saffioti, W., Fundamentos de Energia Nuclear, Editora Vozes Ltda(1982).[4] Bitelli, Thomaz, Higiene das Radiaes, Editora do GrmioPolitcnico da USP (1982).[5] Alonso, M. e Finn, E.J., Physics, Addison Wesley Longman Ltd.,Harlow, U.K. (1992).[5] Bushong, S.C., Radiologic Science for Technologists: Physics,Biology and Protection, 6thEdition, Mosby (1997).[6] Ebbing, D.D., Qumica Geral, Quinta Edio, Volume 2, LTC Livros Tcnicos e Cientficos S.A. (1998).


46/268

26


47/268

27

2 EFEITOS BIOLGICOS DAS RADIAESIONIZANTES

Ana Maria Xavier e Paulo Fernando Heilbron

2.1 INTRODUO

As propriedades da matria so afetadas pela radiao em funo do tipo deprocesso associado absoro de energia: excitao e /ou produo deons, ativao nuclear ou, ainda, no caso especfico de nutrons, produode ncleos radioativos. Os efeitos podem ser descritos em diferentes nveis,desde o comportamento do tomo isolado s mudanas produzidas nomaterial como um todo.

Slidos orgnicos, por exemplo, quando sujeitos excitao eletrnicacausada pela radiao, podem mudar de cor ou emitir luz (cintilao) medida que a excitao decai. No entanto, no caso de slidos como metaisou cermicas, o efeito maior da radiao a transferncia de quantidade demovimento para tomos na estrutura cristalina, resultando no deslocamentodesses tomos que, ao ocupar posies intersticiais, deixam espaos vazios.Esses processos podem causar mudanas nas propriedades fsicas doslido, como alterao de forma ou inchao devido aos espaos vazioscriados. A induo de cor em gemas, pela exposio destas radiaoionizante, uma prova visvel da interao da radiao com a matria.

No nvel atmico, a ionizao afeta, principalmente, os eltrons dascamadas mais externas que circundam o ncleo. Tendo em vista que

justamente esses eltrons esto envolvidos nas ligaes qumicas de tomosem molculas, no de surpreender que o comportamento qumico dostomos ou das molculas, ambos alterados pela radiao, seja diferente deseu comportamento original.

A remoo de eltrons pode provocar a quebra de uma molcula e seus

fragmentos, dependendo da estabilidade qumica, podem se combinar, dealgumas maneiras diferentes, com o material do meio circundante.

A irradiao de material biolgico pode resultar em transformao demolculas especficas (gua, protena, acar, DNA, etc.), levando aconseqncias que devem ser analisadas em funo do papel biolgicodesempenhado pelas molculas atingidas. Os efeitos das citadastransformaes moleculares devem ser acompanhados nas clulas, vistoserem estas as unidades morfolgicas e fisiolgicas dos seres vivos. O

DNA, por ser responsvel pela codificao da estrutura molecular de todas


48/268

28

as enzimas das clulas, passa a ser a molcula chave no processo deestabelecimento de danos biolgicos.No caso de exposio de seres humanos a altas doses de radiao, como emacidentes nucleares, uma grande parte das clulas do corpo afetada,impossibilitando a sustentao da vida. Por outro lado, h, ainda, muita

incerteza quanto aos efeitos da exposio de pessoas a baixas doses deradiao uma vez que, caso haja efeitos, estes, em via de regra, somascarados pela ocorrncia natural de doenas que podem ou no serprovocadas pela exposio radiao, como o caso do cncer.

Assim, para que um estudo sobre os efeitos da radiao a baixas doses sejaestatisticamente vlido, preciso observar uma populao de milhes depessoas expostas a esses nveis baixos de radiao, durante vrias geraes,

j que os organismos dispem de mecanismos de reparo e, mesmo que haja

morte celular, as clulas podem vir a ser prontamente substitudas por meiode processos metablicos normais, neutralizando, assim, o efeito emestudo.

Os efeitos das radiaes ionizantes sobre os organismos vivos dependemno somente da dose por eles absorvida, mas, tambm, da taxa de absoro(aguda ou crnica) e do tecido atingido. Assim, por exemplo, os efeitosrelacionados a uma determinada dose so muito menores quando essa dose fracionada e recebida em pequenas quantidades ao longo do tempo, umavez que os mecanismos de reparo das clulas podem entrar em ao entreuma dose e outra. , tambm, sabido que o dano infringido em clulasquando estas esto em processo de diviso maior, tornando os respectivostecidos e rgos mais radiosensveis que outros constitudos por clulas quepouco ou nunca se dividem, ou seja, a radiosensibilidade inversamenteproporcional especificidade da clula.

Convm manter em perspectiva o fato de ser consenso mundial que ainduo de cncer devido exposio a baixas doses de radiao acrescentaalguns casos de ocorrncia dessa doena aos milhares de casos que ocorrem

naturalmente, devido a outras causas. No se deve esquecer que o cncer a principal doena na velhice e que diversas substncias a que se pode estarexposto no dia a dia tm sido identificadas como cancergenas (arsnio,fuligem de chamins, alcatro, asbestos, parafina, alguns componentes dafumaa de cigarro, toxinas em alimentos, etc.), alm da radiaoeletromagntica como a ultravioleta e mesmo do calor.

importante, tambm, mencionar, que h alguma evidncia experimentalde que baixas doses de radiao podem estimular uma variedade de funes

celulares, incluindo seus mecanismos de reparo, bem como aprimorar osistema imunolgico, fortalecendo os mecanismos de defesa do corpo. No


49/268

29

entanto, estudos desses efeitos benficos da radiao, conhecidos porhormesis, ainda no so considerados conclusivos, face s dificuldadesestatsticas associadas a baixas doses de radiao. Assim, sob o ponto devista de proteo radiolgica, considera-se, por prudncia, que qualquerdose de radiao est associada a uma probabilidade de ocorrncia de

efeitos nocivos sade, no importando quo baixa seja essa dose.

2.2 MECANISMOS DE INTERAO DAS RADIAES COM OTECIDO

2.2.1 Transferncia Linear de Energia

Quando clulas em uma cultura so expostas radiao ionizante, pode ser

mostrado, para a maioria dos efeitos observados, que a quantidade deenergia absorvida pela clula , claramente, uma varivel muito importante.

Outro fator bastante relevante, sob o ponto de vista de efeitos biolgicos, a qualidade da radiao, sendo que efeitos maiores sero produzidos emreas de ionizao mais freqente. A incidncia de radiao ionizantedensa dar lugar a uma ionizao do meio mais intensa do que a deradiao ionizante esparsa.

Uma vez que a quantidade de ionizao dependente da energia liberadano meio, ento, a qualidade de diferentes tipos de radiao pode sercomparada tomando por base a energia mdia liberada por unidade decomprimento ao longo do caminho percorrido no meio irradiado. Essaquantidade denominada Transferncia Linear de Energia, ou TLE daradiao, normalmente expressa em keV/m e que depende, de modocomplexo, da massa, energia e carga da radiao ionizante. Assim, porexemplo, para um valor tpico de TLE para um eltron posto emmovimento pela radiao do Co-60, qual seja, 0,25 keV/m, seroliberados 250 eV de energia ao longo de uma trajetria de 1 m decomprimento.

Radiaes eletromagnticas como raios X e gama, ou, ainda, partculas,tm uma probabilidade baixa de interagir com os tomos do meioirradiado e, portanto, liberam sua energia ao longo de uma trajetriarelativamente longa. Por outro lado, partculas alfa, prtons, ou mesmonutrons (ou seja, partculas pesadas) liberam sua energia ao longo de umatrajetria mais curta, em decorrncia da maior probabilidade de colisocom o meio.


50/268

30

No caso de valores de TLE altos, ocorrero, em uma dada rea-alvo, muitoseventos de ionizao com alta probabilidade de efeitos biolgicos danosos,mesmo a baixas doses.

Valores baixos de TLE, ao contrrio, provocam efeitos pequenos e

isolados, de tal forma que o reparo molecular possvel.

2.2.2 Eficcia Biolgica Relativa

A dose absorvida uma grandeza fsica que, permanecendo os demaisparmetros iguais, se correlaciona bem com o efeito biolgico. No entanto,quando a qualidade da radiao muda (de raios-X para nutrons, porexemplo), o efeito biolgico causado no necessariamente o mesmo, ou

seja, doses idnticas podem produzir efeitos diferentes em um mesmotecido ou rgo.

Assim, para caracterizar essa diferena, o conceito de eficcia biolgicarelativa, EBR, foi introduzido, tendo essa eficcia sido definida comosendo a razo entre a dose de uma radiao de referncia, que produz umdeterminado efeito biolgico e a dose da radiao em estudo, necessriapara produzir o mesmo efeito, (DR/D). Normalmente, a radiao usadacomo referncia em muitas experincias a radiao X, filtrada (camadasemi-redutora de 1,5 mm de Cu), de tenso de 200 kV (pico).

A eficcia biolgica relativa depende no somente da qualidade da radiaocomo, tambm, do efeito biolgico que est sendo observado. Quando ovalor da EBR de uma radiao (alfa, por exemplo) comparado com o deoutra radiao (gama, por exemplo) o resultado representa a razo inversadas doses absorvidas que produzem a mesma extenso de um definidoefeito biolgico, ou seja:

EBR1/ EBR2 = D2/D1

Os fatores de ponderao de dose utilizados em proteo radiolgica foramselecionados para refletir a eficcia biolgica relativa de cada tipo deradiao em induzir efeitos estocsticos a baixas doses, sendo esta eficciafuno, primordialmente, da qualidade da radiao, expressa em termos deTransferncia Linear de Energia. A rigor, a EBR depende, tambm, deoutros fatores como taxa de dose, fracionamento da dose, rgo ou tecidoirradiado e, mesmo, da idade da pessoa irradiada.


51/268

31

2.3 EFEITOS RADIOQUMICOS IMEDIATOS

2.3.1 Produo de Eltrons Hidratados e Radicais Livres

Uma vez que a gua o principal componente das clulas, sendo

responsvel por cerca de 70% da composio celular, a maior parte daradiao incidente por ela absorvida, dando lugar s seguintes espciesreativas:

H2Oh H2O

+ + - H2O+ + - (aq)

A molcula dgua, afetada pela passagem da radiao, ionizada. Oeltron que deixa a molcula aprisionado por demais molculas dguaque, devido a sua natureza polar, se posicionam de tal forma que os tomos

de hidrognio, carregados positivamente, ficam mais prximos ao eltron eos tomos de oxignio, mais distantes (ver Figura 2.1). Esse arranjo denominado eltron hidratado, -(aq).

H2O+ OH + H+

A molcula dgua ionizada, H2O+ , pode, tambm, se dissociar, dando

formao ao on hidrognio e ao radical livre hidroxila, conforme ilustradoacima.

H2Oh H2O* H + OH

possvel, ainda, por radilise da molcula dgua, a formao dosradicais livres hidrognio e hidroxila que, sendo altamente reativos emdecorrncia da presena, nas respectivas ltimas camadas eletrnicas, deum eltron isolado ou no emparelhado interagem quimicamente entre siou com as molculas do meio, modificando-as.

Figura 2.1: Natureza das espcies reativas produzidas na gua pelaradiao ionizante: (a) eltron hidratado (b) radical hidrognio (c) on

hidrognio (d) radical hidroxila (e) on hidroxila


52/268

32

Os principais produtos resultantes da irradiao da gua pura tendem areagir com as bases nitrogenadas do DNA ou, na ausncia destas, entre si.

- (aq) + - (aq) + 2 H2O 2 H2 + OH-

H + H H2

OH + OHH2O2H + OH H2O

As reaes acima iro sempre competir com as reaes que levam ao dano dasmolculas biolgicas presentes no sistema.

2.3.2 Danos Radioinduzidos na Molcula de DNA

As espcies reativas

-

(aq), H e OH, resultantes da transferncia deenergia da radiao ionizante para a gua, podem atacar, em maior oumenor grau, as bases nitrogenadas contidas no DNA (Adenina, Guanina,Citosina e Timina), alterando, consequentemente, seu papel biolgico.

Experimentos mostram que o perodo de vida das espcies reativas -(aq) eH em soluo drasticamente reduzido na presena das bases timina,uracil ou citosina, uma vez que os eltrons hidratados atacam as ligaesduplas entre os carbono 5 e 6 dos anis desses compostos, conforme

ilustrado na Figura 2.

Figura 2.2: (a) Estrutura das bases uracil, timina e citosina (b)natureza dos radicais intermedirios e produtos finais da irradiaoquando uracil atacado pelas espcies reativas -(aq), H e OH.Os produtos finais mostrados so IIa, IIb, IIIa, IIIb. Outros produtosso, tambm, formados.


53/268

33

Convm observar que o DNA, responsvel pela codificao da estruturamolecular de todas as enzimas das clulas, passa a ser a molcula chave noprocesso de estabelecimento de danos biolgicos. Ao sofrer a ao dasradiaes, a molcula de DNA pode sofrer mutaes gnicas ou quebras.

As mutaes gnicas correspondem a alteraes induzidas na molcula deDNA que resultam na perda ou na transformao de informaescodificadas na forma de genes. A introduo de mutaes no genoma deuma clula considerada indispensvel para a induo de um cncer porao das radiaes. No entanto, mutaes radioinduzidas no evoluemobrigatoriamente para cncer.

Quando uma leso no DNA resultar em quebra desta molcula, a respectivaclula, caso possua taxa de diviso alta, passa a ter dificuldade emtransferir integralmente seu patrimnio material gentico para as clulasfilhas que podem morrer aps uma ou duas divises subseqentes.

Por outro lado, clulas diferenciadas (que no sofrem diviso) podemconviver com inmeras quebras sem, contudo, terem suas funesprejudicadas. No entanto, caso haja rearranjo dos fragmentos resultantesdas quebras de DNA, possvel que surjam cromossomos aberrantes,afetando o funcionamento das clulas que os contm.

oportuno ressaltar que nem todas as alteraes introduzidas pela ao dasradiaes no DNA causam dano biolgico. Assim que o processo deevoluo dos seres vivos ocorreu, desde o princpio, em ambientes nosquais as radiaes ionizantes eram parte integrante e interagiam com asmolculas precursoras dos sistemas biolgicos. Pode-se afirmar que aradioatividade natural teve um papel preponderante no surgimento denovos arranjos moleculares e sistemas primitivos de vida, assim como naevoluo destes ltimos para as formas atuais de vida.

2.4 EFEITOS BIOLGICOS PROVOCADOS PELARADIAO IONIZANTE

2.4.1 Caractersticas Gerais

Os efeitos biolgicos provocados pela radiao ionizante so de naturezabastante varivel e dependem de fatores como dose total recebida, se estafoi aguda ou crnica, se localizada ou de corpo inteiro. As caractersticas

gerais desses efeitos so:


54/268

34

Especificidade: os efeitos biolgicos das radiaes podem serprovocados por outros agentes fsicos, qumicos ou biolgicos.

Reversibilidade: a clula possui mecanismos de reparo, podendo, emcaso de danos parciais, re-sintetizar ou restaurar uma estruturadanificada.

Transmissividade: a maior parte das alteraes causadas pelasradiaes ionizantes que afetam clulas e organismos no se transmitema outras clulas ou outros organismos, exceo feita irradiao dasgnadas, que pode resultar em alteraes transmissveis aosdescendentes.

Radiosensibilidade: nem todas as clulas, tecidos rgos ouorganismos respondem igualmente mesma dose de radiao. Aradiosensibilidade das clulas diretamente proporcional a suacapacidade de reproduo e inversamente proporcional ao seu grau de

especializao. Fatores de Influncia: pessoas expostas mesma dose de radiao noapresentam, necessariamente os mesmos danos e o mesmo tempo deresposta. Por exemplo, o indivduo mais vulnervel radiao quandocriana (processo de multiplicao celul

Documents

Princípios Básicos de Segurança Proteção Radiológica