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Radioatividade e Energia Nuclear Conceito de Radioatividade: É a capacidade que certos átomos possuem de emitir radiações eletromagnéticas e partículas de seus núcleos instáveis com o objetivo de adquirir estabilidade. A emissão de partículas faz com que o átomo radioativo de determinado elemento químico se transforme num átomo de outro elemento químico diferente. O Átomo e seu Núcleo A reação nuclear é denominada decomposição radioativa ou decaimento. As entidades emitidas pelo núcleo são denominadas de radiações. O fenômeno da radioatividade é exclusivamente nuclear. Quando descobriu a Radioatividade, o homem passou a desvendar o núcleo do átomo e a sua divisibilidade pôde ser confirmada. A descoberta dos raios X A descoberta dos raios catódicos e os trabalhos posteriores de Crookes despertaram um grande nº de físicos no final do século XIX, Entre eles o alemão Wilheim Konrad Röentgen(1845-1923). Em um de seus experimentos (1895) com raios catódicos, percebeu que um negativo de filme fotográfico virgem tinha sido sensibilizado, posteriormente o cientista concluiu que eles não podiam ser partículas com cargas elétricas, como os raios catódicos, e denominou-os Raios X. Histórico: O nome Radioatividade não era usado naquela época,este nome veio porque essas radiações afetavam as emissões de Rádio, atrapalhando o seu funcionamento. Em 1896, o físico francês Antoine-Henri Becquerel, que se dedicava ao estudo de substâncias fluorescentes, percebeu que um sal de urânio( sulfato duplo potássio e uranila) era capaz de sensibilizar não só o negativo de um filme fotográfico- mesmo quando esse filme era recoberto por papel preto, mas também finas lâminas de metal. Becquerel, descobridor do Urânio, percebeu que esse material emitia raios com propriedades semelhantes às dos raios X , a ela deu o nome de Radioatividade. Pierre e Marie Curie identificaram o urânio, o polônio (400 vezes mais radioativo que o urânio) e depois, o rádio (900 vezes mais radioativo que o urânio). Em 1897, a química Marie Curie (1867-1934) nascida na Polônia e naturalizada francesa ao estudar vários compostos do urânio demonstrou que a intensidade da radiação emitida era proporcional à quantidade de urânio presente na amostra.,logo as radiações eram um fenômeno atômico. Entre 1898 e 1900, Ernst Rutherford e Paul Villard descobriram que a emissão radioativa pode ser de 3 tipos. Novas descobertas demonstraram que os elementos radioativos naturais emitem três tipos de radiações:α, βe γ . No começo do século XX, Rutherford criou uma aparelhagem para estudar estas radiações. As radiações eram emitidas pelo material radioativo, contido no interior de um bloco de chumbo e submetidas a um campo magnético e sua trajetória era desviada . Tipos de radiações: 1-Emissões alfa (2α4) : partículas com carga elétrica positiva, constituídas de 2 prótons e 2 nêutrons. Velocidade média : 20.000 km/s . Poder de penetração : pequeno, são detidas por pele, folha de papel ou 7 cm de ar. Poder ionizante ao ar : elevado, por onde passam capturam elétrons, transformando-se em átomos de Hélio. 1ª Lei da Radioatividade (lei de Soddy) : "Quando um núcleo emite uma partícula alfa (α) , seu número atômico diminui de duas unidades e seu número de massa diminui de quatro unidades." Z X A = 2 α 4 + Z - 2 Y A -4 Ex: 92 U 235 = 2 α 4 + 90 Th 231 2-Emissões beta ( -1 β 0 ) : partículas com carga elétrica negativa e massa desprezível (elétrons atirados para fora do núcleo) . nêutron = próton + elétron + neutrino Os prótons permanecem no núcleo e os elétrons e neutrinos são atirados fora dele. Ou: 0 n 1 = 1 p 1 + -1 b 0 + neutrino Velocidade média: 95% da velocidade da luz. Poder de penetração : 50 a 100 vezes mais penetrantes as partículas alfa. São detidas por 1 cm de alumínio (Al) ou 2 mm de chumbo (Pb). Danos os organismos : maiores do que as emissões alfa, podem penetrar até 2 cm do corpo humano e causar danos sérios 2ª Lei da Radioatividade (lei de Soddy-Fajans-Russel) : "Quando um núcleo emite uma partícula beta (b) , seu número atômico aumenta de uma unidade e seu número de massa não se altera." Z X A = -1β 0 + Z + 1 Y A Ex: 83 Bi 210 = -1 β 0 + 84 Po 210 3-Emissões gama(0γ 0) : são ondas eletromagnéticas, da mesma natureza da luz, semelhantes ao raio X. Sem carga elétrica nem massa. Velocidade: igual à da luz= 300 000 km/s. Poder de penetração: alto, são mais penetrantes que raios X. são detidas por 5 cm de chumbo (Pb). Danos à saúde: máximo, pois podem atravessar o corpo humano, causando danos irreparáveis. Partículas usadas nas reações nucleares: Alfa =2α 4 Beta =-1 β0 Gama =0γ0 Próton =1p 1 Deutério =1d 2 Nêutron =0 n 1 Pósitron =+1 β 0 Poder de Penetração Meia vida (P): É o período de tempo necessário para que a metade dos átomos presentes num elemento se desintegre. O tempo de meia vida é uma característica de cada isótopo radioativo e não depende da quantidade inicial do isótopo nem de fatores como pressão e temperatura CURVA DE DECAIMENTO RADIOATIVO TRANSMUTAÇÃO NUCLEAR FISSÃO NUCLEAR:é a divisão de um núcleo atômico pesado e instável através do seu bombardeamento com nêutrons - obtendo dois núcleos menores, nêutrons e a liberação de uma quantidade enorme de energia. 92U 235 + 0n 1 56Ba 142 + 36Kr 91 + 3 0n 1 + 4,6 . 109kcal Os nêutrons liberados na reação, irão provocar a fissão de novos núcleos, liberando outros nêutrons, ocorrendo então uma reação em cadeia: Essa reação é responsável pelo funcionamento de reatores nucleares e pela desintegração da bomba atômica. Energia Liberada A fissão completa de 1kg de 235U libera aproximadamente 8 x 1013 joules, suficiente para ferver 270 milhões de litros de água. Fusão Nuclear: É a junção de dois ou mais núcleos atômicos produzindo um único núcleo maior, com liberação de grande quantidade de energia. Nas estrelas como o Sol, ocorre a contínua irradiação de energia (luz, calor, ultravioleta, etc.)proveniente da reação de fusão nuclear: 4 1H 1 = 2He 4 + outras partículas + energia (Condições de temperatura e pressão: 106 ºC , 104 atm) Energia Liberada A fusão completa de 1 kg de deutério na reação libera aproximadamente 1014 joules. 2H + 2H ® 3H + n Efeitos das Radiações: Efeitos elétricos: o ar atmosféérico e gases são ionizados pelas radiações, tornando-se condutores de eletricidade. O aparelho usado para detectar a presença de radiação e medir sua intensidade, chamado contador Geiger, utiliza esta propriedade -Efeitos luminosos : as radiações provocam fluorescência em certas substâncias, como o sulfeto de zinco - esta propriedade é utilizada na fabricação de ponteiros luminosos de relógios e objetos de decoração -Efeitos biológicos : as radiações podem ser utilizadas com fins benéficos, no tratamento de algumas espécies de câncer, em dosagens apropriadas. Mas em quantidades elevadas, são nocivas aos tecidos vivos, causam grande perda das defesas naturais, queimaduras e hemorragias. Também afetam o DNA, provocando mutações genéticas Aplicações na Medicina : no diagnóstico das doenças, com traçadores = tireóide( I131), tumores cerebrais( Hg197 ), câncer ( Co60 e Cs137 ) , etc Radioterapia -Efeitos químicos : radioisótopos têm sido usados para estabelecer mecanismos de reações nos organismos vivos, como o C14. Radioisótopos sensibilizam filmes fotográficos. COLETA DE CARVÃO PARA DATAÇÃO DE CARBONO 14 Usos das reações nucleares: -Produção de energia elétrica: os reatores nucleares produzem energia elétrica, para a humanidade, que cada vez depende mais dela. Baterias nucleares são também utilizadas para propulsão de navios e submarinos A Usina de Angra I -Aplicações na indústria : em radiografias de tubos, lajes, etc - para detectar trincas, falhas ou corrosões. No controle de produção; no controle do desgaste de materiais; na determinação de vazamentos em canalizações, oleodutos,...; na conservação de alimentos; na esterilização de seringas descartáveis; etc. ESTERILIZAÇÃO DE MATERIAL CIRÚRGICO FAMÍLIAS RADIOATIVAS Os elementos com número atômico igual ou superior a 84 são radioativos, assim como o Tc(Z=43) e o Pm(Z=61). Os elementos de número atômico superior ao do urânio são todos artificiais (assim como o Tc e o Pm). Na natureza existem elementos radioativos que realizam transmutações ou "desintegrações" sucessivas, até que o núcleo atinja uma configuração estável. Isso significa que, após um decaimento radioativo, o núcleo não possui, ainda, uma organização interna estável e, assim, ele executa outra transmutação para melhorá-la e, ainda não conseguindo, prossegue, até atingir a configuração de equilíbrio FAMÍLIAS RADIOATIVAS NATURAIS SÉRIE DO URÂNIO SÉRIE DO ACTÍNIO SÉRIE DO TÓRIO Urânio-238 4,5.109 de anos Tório-234 24,1 dias Protactínio-234 1,14 minutos Urânio-234 2,7.105 anos Tório-230 8,3.104 anos Rádio-226 1 590 anos Radônio-222 3,825 dias *** .. Polônio-210 140 dias Chumbo-206 estável Urânio-235 7,13.108de anos Tório-231 24,6 horas Protactínio-231 32 000 anos Actínio-227 18,9 anos 21,2 anos Frâncio-223 Tório-227 21 minutos 18,9 dias Rádio-223 11,4 dias Radônio-219 3,9 segundos *** Polônio-211 0,005 segundos Chumbo-207 estável Tório-232 1,39.1010 de anos Rádio-228 5,7 anos Actínio-228 6,13 horas Tório-228 1,9 anos Rádio-224 3,6 dias Radônio-220 54,5 segundos *** Polônio-212 0,0000003 segundos Chumbo-208 estável A Radioatividade do Cotidiano Alimentos: 25 mrem(*) por ano (*) mrem = 1/1000 rem rem é uma unidade de dose de radiação ionizante que produz o mesmo efeito biológico de uma unidade de dose de raios-X A Radioatividade do Cotidiano Energia solar: 11 mrem por ano Radiografia dentária: 20 mrem cada A Radioatividade do Cotidiano Área num raio de 1 km de uma usina nuclear: 5 mrem por ano O Lado Bom O Lado Ruim Em Chernobyl, em 1986, reator explodiu durante operação de manutenção dos equipamentos da usina. O Lado Ruim Bomba A- 1945 O Lado Bom O Sol é um grande reator de fusão nuclear O Lado Ruim Bomba H - 1952 Por que a radiação provoca danos biológicos? Quando exposta à radiação a molécula de água, presente no líquido puro ou fazendo parte dos tecidos vivos, absorve energia e forma radicais livres. Poder de Ionização Poder de Penetração Um Grande Problema O LIXO ATÔMICO O meio marinho é continuamente contaminado com rejeitos nucleares provenientes de diversas fontes e por fragmentos de fissão que no meio aquático podem se acumular nos organismos e serem transferidos através da cadeia alimentar, chegando ao homem pelos alimentos que consome. Esses radionuclídeos mesmo em baixas concentrações são tóxicos, podendo causar danos ao ecossistema e ao homem. Existe, portanto, a necessidade de se fazer uma monitoração dos radionuclídeos liberados, assim como das áreas atingidas, com o objetivo de obter os teores de radioatividade presentes no meio ambiente e estimar a dose que a população está exposta pelo consumo de produtos marinhos contaminados. Em caso de contaminação, ações adequadas devem ser implementadas para minimizar os efeitos nocivos da radiação. •Capacitar laboratórios para a determinação da concentração destes radionuclídeo; •Estudar o comportamento destes no meio ambiente; •Estabelecer as vias de transferência nos organismos e, •Efeitos no ecossistema marinho. Os radionuclídeos artificiais dispersos nos oceanos provém de testes com artefatos nucleares, acidentes nucleares e a liberação de material radioativo através das descargas de efluentes de reatores e usinas de reprocessamento, sendo distribuídos pelo “fallout” e circulação oceânica. As principais fontes de radionuclídeos de origem humana nos oceanos são: Os testes de armas nucleares na atmosfera; O acidente de Chernobyl e, Efluentes de usinas nucleares de reprocessamento principalmente Sellafield in the UK and Cap de La Hague in France (UNSCEAR, 2000). Outras fontes incluem, por exemplo: A descarga, no mar, de lixo nuclear; Descargas rotineiras de usinas nucleares; Submarinos nucleares afundados; Satélites defeituosos; Armas nucleares perdidadas; Uso de radioisótopos em procedimentos médicos, industriais e na pesquisa. A poluição radioativa compreende mais de 200 nuclídeos, sendo que do ponto de vista de impacto ambiental, destacam- se o césio-137 (137Cs) e o estrôncio-90 (90Sr), devido às suas características nucleares (alto rendimento de fissão e meia-vida longa). Nos processos biológicos, o césio e o estrôncio, semelhantes quimicamente ao potássio e cálcio tendem a acompanhá-los depositando-se parcialmente nos músculos e ossos, respectivamente. Outro radionuclídeo altamente nocivo e perigoso mesmo em quantidades mínimas, é o plutônio-239, um emissor alfa com meia-vida de 24.000 anos, que é produzido primariamente por meio de captura de nêutrons pelo urânio-238, que está presente no combustível nuclear do reator ou em uma bomba termonuclear, junto com o urânio-2351. Fonte: IAEA, 1995; Aarkrog et al., 1997 De acordo com Smith e Bewers, a maior contribuição de radionuclídeos antropogênicos no meio marinho ocorreu durante as décadas de 1950 e 1960 como resultado dos testes nucleares realizados na atmosfera. Os testes nucleares alcançaram seus pontos culminantes durante o período de 1954 a 1958, quando foram feitas as explosões pelos Estados Unidos, ex-URSS e Reino Unido, e entre 1961 e 1962 pelos Estados Unidos e a ex-URSS. Com a explosão de armas nucleares o homem fica exposto à radiação, pela formação de fragmentos radioativos que são dispersos na atmosfera e se depositam sobre a terra (fenômeno de “fallout”). O fenômeno de “fallout” ocorre quando em uma explosão nuclear, todo o material é vaporizado devido ao intenso calor produzido. No resfriamento, os principais óxidos condensam e são misturados ao material particulado constituído de sulfato e persulfato de amônio. Estas partículas sólidas, com uma atividade praticamente proporcional ao seu volume e alcançando um diâmetro de 0,1 até 1,0 um, constituem os fragmentos de “fallout” Os fragmentos nucleares alcançam a troposfera e a estratosfera, e através da circulação atmosférica são distribuídos para o globo terrestre entre duas a três semanas, onde a seguir atingem a superfície. Os fragmentos encontrados no hemisfério sul são principalmente provenientes da estratosfera. O inventário da concentração dos principais radionuclídeos introduzidos por “fallout” nos oceanos do mundo é o seguinte: Césio-137, 6,37.102 PBq, (1015 Bq) Estrôncio- 90, 4,39.102 PBq e, Plutônio- 239, 16 PBq3-5 Becquerel (símbolo Bq) é a unidade de medida no Sistema Internacional (SI) para radioatividade, definido como sendo a quantidade de material no qual um núcleo decai por segundo. É portanto equivalente a s-1. A medida anterior era o Curie (Ci), definido como 3.7×1010 becquerels, ou 37GBq. O nome dessa unidade é em homenagem ao físico Henri Becquerel, ganhador de um Prêmio Nobel, juntamente com Pierre e Marie Curie, pelo trabalhos deles na descoberta da radioatividade. As descargas de efluentes de reatores e usinas de reprocessamento, apesar de serem controladas e monitoradas, contribuem em muito para o inventário dos radionuclídeos. As descargas de efluentes provenientes do e processamento do ciclo do combustível nuclear, assim como o uso médico e industrial, são difíceis de serem estimadas. As usinas de reprocessamento de Sellafield (Reino Unido) e Cap La Hague (França) são as principais fontes de contaminação do mar do Norte e áreas adjacentes. As estimativas das quantidades anuais dos radionuclídeos césio-137, estrôncio- 90 e plutônio-239 liberada no mar por usinas de reprocessamento e nucleares são respectivamente: 9 e 5.103 TBq (1012Bq) para césio-137, 2 e 6.102 TBq para estrôncio-90 e 50 TBq para plutônio-2396. A água de resfriamento de reatores nucleares, que contém baixos níveis de radionuclídeos, constituem uma fonte insignificante em larga escala. A deposição de rejeitos radioativos no mar é outra forma de contaminação radioativa. Esta prática, entretanto, foi abandonada temporariamente, em 1982, como resultado de uma moratória voluntária, consistindo em um resolução constante do contrato assinado por diferentes países durante a London Dumping Convention. De 1946 a 1970, 4,5 PBq de rejeitos radioativos foram depositados em cerca de 90.000 containers nos oceanos Atlântico e Pacífico e no Golfo do México. Também foram depositados, entre 1949 e 1982, 140.000 toneladas de rejeitos, num total de 54 PBq no oeste europeu, predominantemente nas regiões de latitude 47oN e 17oW. Outras operações de deposição de rejeitos radioativos foram efetuadas no mar em menor escala pelo Japão entre 1965 e 1968, e na República da Coréia, entre 1968 e 1972. O total de material radioativo depositado no mar, cerca de 60 PBq, é muito menor que os 2.105 PBq provenientes dos testes nucleares na atmosfera, realizados durante o período de 1954 e 1962. A deposição de rejeitos radioativos afeta principalmente as áreas utilizadas como repositórios. Os acidentes nucleares ocorridos em Windscale (Reino Unido, 1957), Chelyabinsk, (Rússia, 1957), Three Mile Island, (Estados Unidos, 1979) e Chernobyl (Rússia, 1986), outros como os que ocorreram com o satélite SNAP 9A em 1964 e o avião norte- americano B-52 em 1968, também contribuíram significativamente para a liberação de radionuclídeos no meio ambiente. No caso do acidente de Chernobyl, 4,7 PBq de césio- 137 foram liberados para o meio marinho, ou seja 1% do inventário anteriormente existente de 410 PBq. Os radionuclídeos lançados no meio marinho podem ser dispersos, diluídos, redistribuídos e finalmente acumulados em compartimentos específicos do ecossistema. A figura a seguir apresenta os diversos compartimentos existentes e suas vias de transferência. Os processos de dispersão, acúmulo e transporte dos radionuclídeos no ambiente marinho são influenciados por fatores físicos, químicos e biológicos. Dentre estes fatores o mais complexo é o fator biológico, por abranger a flora, a fauna local e migratória, bem como o próprio homem. A interação do radionuclídeo com partículas na água e nos sedimentos poderá modificar o seu comportamento e controlar o seu transporte e destino no ambiente. Vias de transferência dos radionuclídeos no meio marinho O césio-137 se encontra presente na coluna d’água como íons simples, sofrendo uma ação de dispersão devido a diluição no mar, podendo participar de reações de troca com sólidos em suspensão, especialmente argilas. Este radionuclídeo pode ser incorporado em tecidos de músculos de vários organismos marinhos, os quais podem ser ingeridos pelo homem. O estrôncio-90, poderá participar no equilíbrio com carbonato e devido a similaridade química com o cálcio, sofrer uma ação de fixação no meio marinho, podendo ser adsorvido nos sedimentos, ossos e carapaças de animais marinhos e corais, e no homem, este elemento estará presente nos ossos. O plutônio encontrado em águas marinhas pode ser precipitado e acumulado nos sedimentos e especialmente por órgãos específicos dos organismos marinhos, como indicado pelo alto fator de concentração biológica deste radionuclídeo quando comparado aos do césio-137 e estrôncio-90. A Agência Internacional de Energia Atômica, no período de 1989 a 1993, coordenou um programa de pesquisa, com o objetivo de levantar os níveis de césio-137 no ambiente marinho, dividindo os oceanos por regiões da FAO. Os resultados mostraram que o nível deste radionuclídeo varia com a região geográfica, de acordo com as diferentes fontes de contaminação, sendo que a principal forma de dispersão é o “fallout” decorrente dos testes nucleares atmosféricos e acidentes nucleares. Níveis de Césio-137 em água de mar para algumas regiões do mundo Em algumas regiões, tais como Mar Báltico, a concentração do radionuclídeo depende das descargas de efluentes radioativos das unidades de reprocessamento e do acidente de Chernobyl. A Antártica apresentou o menor valor, 0,5 Bq.m-3 para a água de mar. O sudoeste do Oceano Pacífico apresentou níveis em torno de 1,5 Bq.m-3 e para demais regiões os valores variaram de 3 a 5 Bq.m-3, com exceção dos mares Báltico, Negro, do Norte, Amarelo e Mediterrâneo. Níveis de césio-137 em peixes de algumas regiões do mundo. Em relação a concentração de Césio-137 em peixes os valores encontrados variaram de 0,04 a 0,5 Bq.kg-1, sendo que nos mares Báltico, Irlanda e do Norte, os valores foram mais altos, de 5 a 15 Bq.kg-1. No Brasil existem dados sobre a concentração de césio-137 em água de mar e peixes em vários pontos da costa, do Pará até o Rio Grande do Sul. Os níveis encontrados foram em torno de 1,4 Bq.m-3 para água do mar e de 0,01 a 0,22 Bq.kg-1, estando dentro do esperado para o Hemisfério Sul. As atividades observadas se devem ao “fallout” global, resultante de testes e acidentes nucleares ocorridos no Hemisfério Norte. Níveis de estrôncio-90 em água de mar para algumas regiões do mundo. O Pacífico Norte e Atlântico Norte apresentam níveis de 90Sr de 1,7 a 4,7 Bq.m-3 e são menores que as áreas que sofrem influência das usinas de reprocessamento ou do acidente de Chernobyl, como Cap La Hague14, 29 Bq.m-3, e Mar Báltico15, 17,6 Bq.m-3. Nos peixes os valores para 90Sr oscilam entre 3 a 100 mBq.kg-1 no Japão, com exceção de Sellafield (230 e 320 mBq.kg-1), mar Báltico (20 a 410 mBq.kg-1) e Cap La Hague (130 mBq.kg-1). No Brasil, Figueira e Cunha obtiveram valores de 1,3 Bq.m-3 para água do mar e de 19 a 75 mBq.kg-1 em músculos de peixe. A atividade do plutônio, corresponde em média, a 0,03% da atividade do césio- 137, 80% do plutônio liberado das usinas de reprocessamento do oeste europeu é removido pelo processo de sedimentação antes de alcançar o Oceano Ártico. No mar Báltico estima-se 15 TBq de plutônio-239 nos sedimentos, 0,2 TBq na água e poucos GBq na biota Cerca de 50% do plutônio presente no Mar da Irlanda é adsorvido pelos sedimentos, 1% está presente na água do mar e menos de 0,3 PBq são transferidos para o Atlântico Norte. A maior contribuição do plutônio nestas áreas, se deve aos efluentes de Sellafield e Cap La Hague.