PRINCPIOS BSICOS DE SEGURANA E PROTEO RADIOLGICA

Terceira Edio Revisada e Ampliada

Universidade Federal do Rio Grande do Sul Comisso Nacional de Energia NuclearAbril 2010

PREFCIO DA PRIMEIRA EDIOA utilizao de energia nuclear, tanto na gerao de energia eltrica como em prticas mdicas, industriais e de pesquisa, tem como grande oponente, em todo mundo, a opinio pblica. As bombas de Hiroshima e Nagasaki, os testes nucleares areos e subterrneos bem como alguns acidentes relativamente graves, ocorridos ao longo dos ltimos 50 anos, vm sendo responsabilizados pela maneira sombria com que o tema nuclear percebido pela populao. Tanto o fato da radiao ionizante no poder ser diretamente detectada pelos cinco sentidos como a falta de conhecimento bsico sobre suas propriedades, contribuem para consolidar, cada vez mais, sob a forma de medo, a rejeio ao emprego das radiaes ionizantes para fins pacficos. Para reverter esse quadro e permitir que a sociedade se beneficie das inmeras vantagens que a tecnologia nuclear oferece, preciso colocar na correta perspectiva os reais riscos associados radiao ionizante bem como transmitir conhecimentos sobre os requisitos de segurana e proteo radiolgica a serem adotados de modo a torn-los insignificantes. Assim, este documento foi elaborado com o objetivo de contribuir, mesmo que modestamente, para o sucesso de um programa de treinamento bsico sobre os principais aspectos de segurana e proteo relacionados ao emprego de radiaes ionizantes. Seu pblico alvo so os usurios dessas fontes em ensino e pesquisa, ou seja, professores universitrios, pesquisadores bem como alunos de mestrado e de doutorado que constituem os alicerces do avano cientfico e tecnolgico no Brasil. Os autores gostariam de agradecer Comisso Nacional de Energia Nuclear, Fundao de Amparo Pesquisa no Rio Grande do Sul e ao Instituto de Fsica da UFRGS, por terem possibilitado a realizao deste projeto de ensino. So merecedores, tambm, de nossos agradecimentos os Professores Maria Teresinha Xavier da Silva, Henri Ivanov Boudinov e Mara da Silveira Benfato, da UFRGS, pelos pertinentes comentrios. Finalmente, importante que seja registrado o esmero no trabalho de impresso 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.

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PREFCIO DA SEGUNDA EDIOAo longo dos ltimos dois anos, foi identificada uma demanda por treinamento nas reas de segurana e proteo radiolgica, direcionado tanto para professores e pesquisadores da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e de outras Universidades, como para integrantes da Defesa Civil e do Corpo de Bombeiros do Estado. Na verdade, os tpicos abordados na primeira edio desta publicao, so igualmente pertinentes ao emprego de materiais radioativos em outras atividades alm das de ensino e pesquisa, como, por exemplo, em medicina nuclear ou em aplicaes industriais de fontes de radiao ionizante. De fato, noes sobre tpicos como estrutura da matria, radiao eletromagntica, radioatividade, interao da radiao com a matria, efeitos biolgicos das radiaes ionizantes, princpios de segurana e proteo radiolgica, princpios de deteco da radiao, gerncia de rejeitos radioativos, transporte de materiais radioativos, bem como aes de resposta a incidentes e acidentes radiolgicos so fundamentais para a conduo, com segurana, de atividades envolvendo substncias emissoras de radiao ionizante em diversas reas de atuao profissional. Para estender o escopo desta publicao ao treinamento de pessoal que atua em resposta a incndios envolvendo materiais radioativos, foi acrescentado um captulo sobre os principais aspectos a serem considerados para definir as aes de resposta a esse tipo de acidente. Assim, esta segunda edio da publicao Princpios Bsicos de Segurana e Proteo Radiolgica em Pesquisa, revisada e ampliada, passou a receber o ttulo mais genrico Princpios Bsicos de Segurana e Proteo Radiolgica. Um dos autores (AMX) agradece o apoio financeiro dado pela FAPERGS para a preparao do presente material didtico, desenvolvido com o objetivo de estabelecer o contedo programtico bsico de cursos de extenso universitria, cursos esses organizados com o intuito maior de contribuir tanto para o emprego seguro de fontes de radiao ionizante como para a proteo radiolgica de profissionais que preparam, usam e manuseiam fontes radioativas em decorrncia de seu trabalho.

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PREFCIO DA TERCEIRA EDIO

Esta publicao vem sendo adotada em curso de extenso universitria ministrado anualmente pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul no sentido de habilitar profissionais de nvel superior ao registro na CNEN para emprego de materiais radioativos em ensino e pesquisa. Seu contedo programtico est em linha, tambm, com o adotado pela CNEN para a prova geral do exame para certificao da qualificao de supervisores de radioproteo. Nesta edio de 2010, alguns conceitos novos estabelecidos em 2005 nas Diretrizes 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, bem como sobre estatstica.

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SOBRE OS AUTORES

Ana Maria Xavier, pesquisadora titular da Comisso Nacional de Energia Nuclear, CNEN, graduada em engenharia qumica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, obteve o grau de Mestre em Engenharia Qumica, M.Sc., na Coordenao dos Programas de Ps Graduao da mesma Universidade, COPPE/UFRJ e o de Ph.D (Doutora em Engenharia) na Universidade de Cambridge, Inglaterra. Aps ingressar na CNEN em 1982, realizou cursos e estgios de especializao em engenharia nuclear na Frana, Alemanha, Inglaterra e Canad. Vem participando, desde 1993, como perita brasileira, em misses no exterior e em diversos grupos de trabalho 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 de Janeiro, realizou curso de ps-graduao lato sensu oferecido pela Faculdade de Letras da UFRJ e est em fase final de concluso de seu Mestrado na mesma Universidade. tradutora free-lancer de francs, ingls, alemo, italiano e espanhol, tanto de textos tcnicos como literrios. Realiza, tambm, trabalhos de verso, reviso e edio de documentos tcnicos na rea nuclear. Jos Tullio Moro bacharel em fsica pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, possui especializao em fsica das radiaes pela mesma Universidade e grande experincia profissional no campo da proteo radiolgica em radiologia. Participou do grupo de trabalho que elaborou o Regulamento Tcnico do Ministrio da Sade sobre Diretrizes de Proteo Radiolgica em Radiodiagnstico Mdico e Odontolgico (Portaria 453). Paulo Fernando Heilbron, tecnologista snior da Diretoria de Radioproteo e Segurana da Comisso Nacional de Energia Nuclear, graduado em engenharia mecnica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro tendo obtido os graus de Mestre em Engenharia Nuclear, M.Sc e de Doutor em Engenharia Mecnica na Coordenao dos Programas de Ps Graduao em Engenharia, COPPE, da mesma Universidade. Participou de cursos de especializao em engenharia nuclear na Inglaterra e nos Estados Unidos da Amrica. Tem tido atuao marcante, como perito brasileiro, junto Agncia Internacional de Energia Atmica nas reas de segurana nuclear, transporte de materiais radioativos, gerncia de rejeitos radiativos e anlise de segurana de repositrios. Atua, tambm, como instrutor de cursos promovidos pela AIEA no Brasil, Amrica Latina, Caribe e Africa.

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SUMRIO

PREFCIO PREFCIO DA SEGUNDA EDIO PREFCIO DA TERCEIRA EDIO SOBRE OS AUTORES SUMRIO 1 FUNDAMENTOS DA FSICA 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8 1.1.9 1.1.10. 1.1.11 1.1.12 1.1.13 ESTRUTURA DA MATRIA Introduo tomo e Estrutura do tomo Nmero Atmico, Nmero de Massa, Massa Atmica e tomo-Grama Nucldeo Istopos Isbaros Istonos Elemento Equivalncia entre Massa e Energia Energia de Ligao dos Ncleos Estabilidade Nuclear Nmeros Qunticos Nveis de Energia Nucleares

ii iii iv v vi 1 1 1 1 2 3 3 4 4 4 4 5 6 6 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 12 13 13 15 16

1.2 RADIAO ELETROMAGNTICA 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.3.2.2.1 1.3.2.2.2 1.3.2.2.3 1.3.2.2.4 1.3.2.3 1.3.3 1.3.3.1 1.3.3.2 RADIOATIVIDADE Descoberta da Radioatividade Tipos de Desintegrao Radioativa Desintegrao Alfa ( ) Desintegrao Beta Desintegrao Beta Negativa ( - ) Desintegrao Beta Positiva ( +) Desintegrao por Captura Eletrnica Converso Interna e Eltron Auger Desintegrao com Emisso Gama ( ) Interao da Radiao com a Matria Interao de Partculas Carregadas Interao da Radiao Eletromagntica Ionizante com a Matria: Efeito Fotoeltrico, Efeito Comptom e Formao de Pares 1.3.4 Decaimento Radioativo

18

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1.3.4.1 1.3.4.2 1.3.4.3 1.3.4.4 1.3.4.4.1 1.3.4.4.2

Velocidade de Desintegrao Constante de Desintegrao e Meia-Vida Sries de Desintegrao de Istopos Naturais Fontes Artificiais de Radiao Radionucldeos Produzidos em Reatores Nucleares Radionucldeos Produzidos em Aceleradores de Partculas (Ciclotron) 1.3.4.4.3 Radionucldeos Produzidos por Fisso Nuclear 1.3.4.4.4 Radionucldeos Produzidos por Decaimento e Fracionamento 1.4 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

19 20 21 23 23 23 24 24 25

2 EFEITOS BIOLGICOS DAS RADIAES IONIZANTES 2.1 INTRODUO 2.2 MECANISMOS DE INTERAO DAS RADIAES COM O TECIDO 2.2.1 Transferncia Linear de Energia 2.2.2 Eficincia Biolgica Relativa 2.3 EFEITOS RADIOQUMICOS IMEDIATOS 2.3.1 Produo de Eltrons Hidratados e Radicais Livres 2.3.2 Danos Radioinduzidos na Molcula de DNA 2.4 EFEITOS BIOLGICOS PROVOCADOS PELA RADIAO IONIZANTE 2.4.1 Caractersticas Gerais 2.4.2 Efeitos Estocsticos e Efeitos Determinsticos 2.5 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

27

27 29 29 30 31 31 32 33 33 34 37

3 SEGURANA E PROTEO RADIOLGICA 3.1 INTRODUO 3.2 GRANDEZAS, UNIDADES E CONCEITOS 3. EMPREGADOS EM PROTEO RADIOLGICA 3.2.1 Atividade 3.2.2 Fluncia, 3.2.3 Exposio X ou Gama

39 39 40 41 41 42vii

3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 3.2.9 3.2.10 3.2.11 3.2.12 3.2.13 3.2.14 3.2.15 3.2.16 3.2.17 3.2.18 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.4.1 3.3.4.2 3.3.4.3 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4viii

Dose Absorvida, D Equivalente de Dose, H (Dose Equivalent: ICRP-26) Dose Equivalente, HT (Equivalent Dose: ICRP-60) Dose Efetiva, E (Effective Dose: ICRP-60) Kerma, K Dose Absorvida Comprometida, D() ( CNEN-NN-3.01) Dose Equivalente Comprometida, HT ( )(CNEN-NN-3.01) Dose Efetiva Comprometida E() Dose Coletiva Restrio de Dose (Dose Constraint) Coeficientes de Dose Detrimento Dose Evitvel Prtica Interveno REQUISITOS E FATORES DE PROTEO RADIOLGICA Justificao Otimizao Limitao da Dose Individual Controle de Exposio: Tempo, Distncia e Blindagem Tempo de Exposio Distncia da Fonte Blindagem Proteo do Operador Classificao de reas Treinamento REQUISITOS DE SEGURANA RADIOLGICA Proteo Fsica Defesa em Profundidade Boas Prticas de Engenharia REQUISITOS DE GESTO Cultura de Segurana Garantia da Qualidade Fatores Humanos Qualificao de Pessoal NOES DE CLCULO DE BLINDAGEM Radiao Gama Raios-X Partculas Nutrons

43 44 45 47 48 48 49 49 49 49 50 50 50 50 50 51 51 51 53 54 54 54 55 55 56 56 56 56 57 57 57 57 58 58 59 59 59 62 65 67

3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3

TIPOS DE FONTES E MODOS DE EXPOSIO Fontes Seladas Fontes No Seladas Aparelhos de Raios-X e Aceleradores de Eltrons

69 70 71 72 72 73 73 75 76

3.8 IRRADIAO E CONTAMINAO 3.9 VIDA MDIA, MEIAS VIDAS BIOLGICA E EFETIVA 3.10 REGRAS BSICAS DE RADIOPROTEO 3.11 PROTEO RADIOLGICA DE PACIENTES 3.12 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

4 INSTRUMENTAO 4.1 INTRODUO 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.3 4.3.1 4.3.1.1 4.3.1.2 4.3.1.3 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 TCNICAS DE DETECO Ionizao de Molculas de um Gs Cintilao Diodos Semicondutores Temoluminescncia Formao da Imagem DETECTORES DE RADIAO Detectores a Gs Cmara de Ionizao Contador Proporcional Contador Geiger-Mueller Detectores Cintilao Detectores com Diodos Semicondutores Dosmetros Termoluminescentes Filmes Dosimtricos

77 77 77 77 79 80 80 81 82 82 82 83 83 84 87 88 89 89 90 90 91ix

4.4 PROPRIEDADES GERAIS DOS DETECTORES DE RADIAO 4.4.1 Eficincia Intrnseca 4.4.2 Tempo Morto 4.4.3 Discriminao de Energia

4.4.4 Outras Consideraes 4.4.4.1 Escolha de Detectores de Radiao 4.4.4.2 Calibrao 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.2.1 4.5.2.2 MTODOS DE DETECO DA RADIAO Monitorao de rea Monitorao Individual Monitorao Individual Externa Monitorao Individual Interna

92 92 92 94 94 95 96 96 98

4.6 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

5 GERNCIA DE REJEITOS RADIOATIVOS 5.1 INTRODUO

99 99

5.2 ELIMINAO DE REJEITOS RADIATIVOS NO BRASIL 100 5.2.1 Eliminao de Rejeitos Slidos no Sistema de Coleta de Lixo Urbano 100 5.2.2 Eliminao de Rejeitos Lquidos na Rede de Esgotos Sanitrios 100 5.3 REJEITOS RADIOATIVOS ORIUNDOS DE ATIVIDADES DE PESQUISA 5.3.1 Lquidos de Cintilao 5.3.2 Rejeitos Biolgicos 5.3.3 Rejeitos Infectados 5.4 PRINCIPAIS ASPECTOS ASSOCIADOS GERNCIA DE REJEITOS RADIOATIVOS 5.4.1 Segregao 5.4.2 Coleta, Acondicionamento e Armazenamento 5.4.3 Caracterizao, Classificao e Identificao 5.4.4 Armazenamento para Decaimento 5.4.5 Tratamento, Acondicionamento e Transporte 5.4.6 Caractersticas Principais de alguns Radionucldeos contidos em Rejeitos Radioativos 5.4.7 Taxas de Dose Externa Estimadas para o Manuseio de alguns Radionucldeos contidos em Rejeitos Radioativos 101 102 103 103 104 105 106 107 108 116 117 117

x

5.5 MINIMIZAO DA GERAO DE REJEITOS RADIOATIVOS

119

5.6 NOVA CLASSIFICAO DE REJEITOS RADIOATIVOS 119 5.7 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 120

6 TRANSPORTE DE MATERIAIS RADIOATIVOS 6.1 INTRODUO 6.2 ORGANIZAES INTERNACIONAIS QUE REGULAMENTAM O TRANSPORTE DE MATERIAS RADIOATIVOS 6.2.1 IMO (International Maritime Organization) 6.2.2 ICAO (International Civil Aviation Organization) e IATA (International Air Transport Association) 6.2.3 UPU (Universal Postal Union) 6.3 AUTORIDADES COMPETENTES BRASILEIRAS 6.4 NORMA CNEN-NE-5.01 TRANSPORTE DE MATERIAIS RADIOATIVOS 6.4.1 Especificaes sobre Materiais Radioativos para fins de Transporte 6.4.1.1 Material Radioativo sob Forma Especial 6.4.1.2 Materiais Radioativos sob Outras Formas 6.4.2 Seleo do Tipo de Embalado 6.4.3 Limitao de Atividade 6.4.3.1 Limites para Embalados Exceptivos 6.4.3.2 Limites para Embalados tipo A 6.4.3.3 Limites para Embalados tipo B 6.5 ENSAIOS PARA EMBALADOS 6.5.1 Embalados Tipo A 6.5.2 Embalados Tipo B 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 CONTROLES OPERACIONAIS ndice de Transporte Categorias de Embalados Rotulao, Marcao e Placares Limites de Contaminao No Fixada na Superfcie

121 121 122

122 122 123 123 123 124 125 126 126 127 129 129 129 130 130 130 132 132 133 133 135xi

6.6.5 Responsabilidades e Requisitos Administrativos 6.7 PROCESSO DE REVISO DA NORMA CNEN-NE-5.01 6.8 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ANEXO DOCUMENTAO E OUTROS ASPECTOS 6 RELEVANTES AO TRANSPORTE DE MATERIAIS RADIOATIVOS

136 137 138

139

7 INCIDENTES E ACIDENTES RADIOLGICOS 7.1 INTRODUO 7.2 7.2.1 7.2.1.1 7.2.1.2 7.2.1.3 7.2.2 7.2.2.1 7.2.2.2 7.2.2.3 OS ACIDENTES DE CHERNOBYL E DE GOINIA O Acidente de Chernobyl Vtimas Impacto Ambiental Impacto Econmico O Acidente de Goinia Vtimas Impacto Ambiental Impacto Econmico

143 143 146 146 147 147 148 148 149 149 149 149 150 150 150 151 151 152 153 154 154

7.3 FASES DE UM ACIDENTE ENVOLVENDO MATERIAL RADIOATIVO 7.3.1 Fase Inicial 7.3.2 Fase Intermediria ou de Controle 7.3.3 Fase Final ou Ps-Emergncia ou, ainda, de Recuperao 7.4 PLANO DE EMERGNCIA 7.4.1 Responsabilidades e Procedimentos para Notificao s Autoridades Competentes e Comunicao com o Pblico 7.4.2 Nveis de Interveno e de Ao para Proteo Imediata 7.4.3 Isolamento de reas, Blindagem, Evacuao 7.4.4 Descontaminao de Pessoal e de reas 7.4.5 Procedimentos para Treinamento, Exerccios e Atualizao do Plano 7.5 RELATRIO DO EVENTO 7.6 BIBLIOGRAFIA CONSULTADAxii

160 161

8 MATERIAIS RADIOATIVOS E O INCNDIO 8.1 INTRODUO 8.2 RADIONUCLDEOS PRESENTES EM INSTALAES NUCLEARES E RADIATIVAS 8.2.1 Radionucldeos Empregados em Instalaes Mdicas, Industriais e de Pesquisa 8.2.1.1 Fontes Radioativas Seladas 8.2.1.2 Fontes Radioativas No Seladas 8.2.2 Radionucldeos Presentes em Instalaes Nucleares 8.2.2.1 Minerao e Beneficiamento de Urnio 8.2.2.2 Converso em UF6 8.2.2.3 Enriquecimento Isotpico 8.2.2.4 Reconverso em UO2 e Fabricao de Elementos Combustveis 8.2.2.5 Reatores Nucleares de Potncia 8.2.2.6 Reprocessamento 8.3 COMPORTAMENTO DO MATERIAL RADIOATIVO DURANTE UM INCNDIO 8.3.1 Consideraes Gerais 8.3.2 Comportamento dos Envoltrios de Proteo 8.3.3 Perigos Resultantes de uma Ruptura dos Envoltrios de Proteo 8.3.3.1 Contaminao de Superfcies e do Solo 8.3.3.2 Contaminao Atmosfrica 8.3.3.3 Irradiao Externa 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 O RISCO DE ACIDENTE DE CRITICALIDADE Consideraes Gerais Conseqncias de um Acidente de Criticalidade Preveno de Acidentes de Criticalidade Deteco de um Acidente de Criticalidade Regras Prticas de Segurana

163 163 163 164 167 167 168 170 171 172 173 173 175 176 176 177 178 178 179 179 180 180 180 181 182 182 183

8.5 INFLUNCIA DA PRESENA DE MATERIAIS RADIOATIVOS SOBRE AS OPERAES DE COMBATE AO FOGO 8.5.1 Luta Contra o Fogo 8.5.2 Descontaminao das Instalaes

183 185

xiii

8.6 PROTEO CONTRA INCNDIO QUANDO DA PRESENA DE RADIONUCLDEOS 8.6.1 Consideraes Gerais 8.6.2 Aspectos Especiais de Proteo contra Incndio em Instalaes Nucleares 8.6.3 Preveno de Incndio 8. 6.3.1 Concepo e Ordenao de Edifcios 8. 6.3.2 Sinalizao e Balizamento 8.7 PLANOS E PROCEDIMENTOS PARA COMBATE AO FOGO 8.7.1 Plano de Proteo Contra Incndio 8.7.2 Procedimentos para Combate ao Fogo

186 186 186 189 189 190 190 191 193

8.8 EQUIPAMENTOS E MATERIAIS PARA INTERVENO 194 8.8.1 Equipamentos e Materiais de Proteo Individual e Coletiva 194 8.8.2 Meios de Proteo e de Descontaminao 194 8. 9 TREINAMENTO DE PESSOAL 8.10 PROCEDIMENTOS DAS EQUIPES DE COMBATE A INCNDIO 8.10.1 Consideraes Gerais 8.10.2 Atribuies da Brigada de Incndio 8.10.2.1 Incndio Ameaando o Material Radioativo 8.10.2.2 Incndio Envolvendo Material Radioativo 8.10.2.3 Incndio que Possa Provocar um Acidente de Criticalidade 8.10.2.4 Incndio Associado a um Acidente de Criticalidade 8.11 INSTRUES PARA EVACUAO E REAGRUPAMENTO DO PESSOAL NO ENCARREGADO DA INTERVENO 8.11.1 Incndio Ameaando o Material Radioativo 8.11.2 Incndio Envolvendo Material Radioativo 8.11.3 Incndio que Possa Provocar um Acidente de Criticalidade 8.11.4 Incndio Associado a um Acidente de Criticalidade 8.12 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ANEXO PROCEDIMENTOS DE PROTEO 8A CONTRA INCNDIO E PRIMEIROS SOCORROS 8A.1 ALERTAxiv

195 196 196 197 197 197 200 200 202

202 202 203 203 204 205

205

8A.2 COMBATE AO FOGO 8A.2.1 Vazamento de Gs Combustvel 8A.2.2 Derramamento Acidental de Lquido Inflamvel 8A.2.3 Vazamento da Tubulao de gua, com Inundao das Dependncias da Instalao 8A.3 OPERAES DE PRIMEIROS SOCORROS E SALVAMENTO 8A.3.1 Primeiros Socorros em Caso de Contaminao Radioativa Externa 8A.3.1.1 Contaminao Localizada, Sem Ferimento Associado 8A.3.1.2 Contaminao Localizada Com Ligeiro Ferimento Associado 8A.3.1.3 Contaminao Difusa Sem Ferimento Associado 8A.3.1.4 Ferimento Grave Com Contaminao Externa Associada 8A.3.1.5 Deslocamento ou Transporte de uma Pessoa Contaminada 8A.3.2 Fogo numa Pessoa 8A.3.3 Queimaduras com Lquido Corrosivo 8A.3.4 Emisso de Vapores ou de Gases Irritantes ou Sufocantes 8A.3.5 Eletrocusso Asfixia ANEXO AES DE RESPOSTA A EMERGNCIAS 8B ENVOLVENDO O TRANSPORTE DE MATERIAIS RADIOATIVOS 8B1 8B2 8B3 Resgate Combate ao Fogo Controle de Contaminao no Local do Acidente

205 207 208 208

209 209 209 210 211 211 212 212 212 213 214 215

215 215 215 223

ANEXO AES PROTETORAS GENRICAS EM CASO DE 8C INCNDIO ENVOLVENDO FONTES RADIOATIVAS, RISCOS RADIOLGICOS ASSOCIADOS E PROPRIEDADES DE ALGUNS MATERIAIS ANEXO NOES DE ESTATSTICA DE CONTAGENS I I.1 I.2 I.2.1 I.2.2 INTRODUO PROBABILIDADE Lei da Adio Lei da Multiplicao

229

229 229 230 230xv

I.3 I.4 I.5 I.6 I.7 I.7.1 I.7.2 I.7.3 I.8

MDIA ARITIMTICA MEDIANA MODA MDIA PONDERADA MODELOS ESTATSTICOS Distribuio Binomial Distribuio de Poisson Distribuio de Gauss e Distribuio Normal VARIANA, DESVIO PADRO E COEFICIENTE DE VARIAO BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

231 231 232 232 232 233 235 237 238

I.9

239 241

ANEXO FUNO EXPONENCIAL E FUNO LOGARITMA II II.1 II.2 II.3 II.4 II.5 II.5.1 II.6 INTRODUO PROPRIEDADES DOS LOGARITMOS PROPRIEDADES OPERATRIAS DOS LOGARITMOS LOGARITMOS DECIMAIS LOGARITMO NATURAL OU NEPERIANO Propriedades dos Logaritmos Naturais BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

241 242 242 245 247 248 248

xvi

RELAO DE FIGURAS Figura Natureza das espcies reativas na gua pela radiao 31 2.1 ionizante: (a) eltron hidratado (b) radical hidrognio (c) on hidrognio (d) radical hidroxila (e) on hidroxila 32 Figura (a) Estruturas das bases uracil, timina e citosina 2.2 (b) Natureza dos radicais intermedirios e produtos finais da irradiao quando uracil atacado pelas espcies ativas -(aq), H e OH Figura Taxa de contagem observada como funo da taxa de 91 4.1 contagem real, para detectores com 1 s, 10 s e 100 s de tempo morto. Figura Esquema para monitorao de rea 94 4.2 Figura Esquema para monitorao individual 95 4.3 Figura Fluxograma bsico de gerncia de rejeitos radioativos 104 5.1 Figura Modelo de etiqueta para identificao de rejeitos 108 5.2 Figura Representao Esquemtica do Ciclo do Combustvel 171 8.1 Nuclear

RELAO DE TABELAS Tabela 1.1 Tabela 1.2 Tabela 1.3 Tabela 2.1 Tabela 2.2 Tabela 3.1 Tabela 3.2 Tabela 3.3 Alcance Aproximado de Partculas Carregadas Poder de Penetrao de Partculas Carregadas em Diferentes Meios Srie de Desintegrao do Urnio-238 Efeitos da Radioexposio de Corpo Inteiro em Adultos Exemplo Comparativo de Riscos de Morte devido a Acidentes de Trabalho nos Estados Unidos da Amrica Valores para Fator de Qualidade Relao entre TLE e EBR Fatores de Ponderao da Radiao, w R 16 16 22 35 36 45 46 47

xvii

Tabela 3.4 Tabela 3.5 Tabela 3.6 Tabela 3.7 Tabela 3.8 Tabela 3.9 Tabela 3.10 Tabela 3.11 Tabela 3.12 Tabela 3.13 Tabela 3.14 Tabela 3.15 Tabela 3.16 Tabela 4.1 Tabela 4.2 Tabela 5.1 Tabela 5.2 Tabela 5.3 Tabela 5.4 Tabela 6.1 Tabela 6.2 Tabela 6.3xviii

Fatores de Ponderao de rgo ou Tecido, wT Limites Primrios Anuais de Doses (CNEN-NN-3.01) Constantes Especficas de Radiao Gama (Gamo) Camadas Semi-Redutoras e Camadas Deci-Redutoras Coeficiente de Atenuao Mssico, em cm2/g Constantes do Fator de Build-up, para Diversos Meios Camadas Semi-Redutoras e Deci-Redutoras para Raios-X Fator de Correo (a) para o Espalhamento de Raios-X Energias dos Principais Emissores Beta Relao entre Coeficientes de Atenuao Mssico e Energias Beta Mximas, para o Alumnio Sees de Choque para Nutrons Rpidos Fatores de Converso (Fluxo Dose) Principais Radionucldeos Usados em Pesquisa Caractersticas dos Principais Radioistopos Usados em Pesquisa Caractersticas de Alguns Detectores de Radiao Limites para Eliminao ou Dispensa de Rejeitos Lquidos na Rede de Esgotos Sanitrios Nveis Mximos de Contaminao Radioativa Permitidos em Recipientes Dados Referentes aos Principais Emissores Gama Usados em Pesquisa Taxas de Dose Externa, em Funo da Distncia, para Fontes de 1mCi (3,7.107 Bq) Classificao Internacional de Produtos Perigosos

47 54 61 62 62 63 64 65 65 66 69 69 71 78 93 102 106 112 118 121

Valores Bsicos de Limites de Atividade e Concentrao em 128 Embalados Tipo A, para alguns Radionucldeos Limites de Atividade para Embalados Exceptivos 129

Tabela 6.4 Tabela 6.5 Tabela 6.6 Tabela 6.7 Tabela 7.1 Tabela 7.2

Fator de Multiplicao do IT para Cargas com Grandes Dimenses Categoria de Embalados Extrato da Classificao das Naes Unidas contendo Nomes Apropriados ao Transporte de Materiais Radioativos e Respectivos Nmeros Atribudos Limites de Contaminao No Fixada em Superfcies Externas de Embalados Escala Internacional de Eventos Nucleares (INES) para Pronta Comunicao da Importncia de Eventos Ocorridos em Instalaes Nucleares, sob o Ponto de Vista de Segurana Detalhamento dos Critrios ou Atributos de Segurana Adotados para Classificao de Eventos na Escala Internacional de Eventos Nucleares Nveis de Interveno Recomendados pela AIEA

132 133 135

136 144

145

Tabela 7.3 Tabela Nveis de Ao Genricos para Gneros Alimentcios 7.4 Tabela Mtodos para Descontaminao de Pessoal 7.5 Tabela 7.6 Tabela 8.1 Tabela 8B1

152 153 155

Mtodos para Descontaminao de Pessoal e de rea Radionucldeos Empregados em Instalaes Mdicas, Industriais e de Pesquisa Riscos Potenciais, Segurana do Pblico e Aes de Resposta a Acidentes de Transporte Envolvendo Materiais Radioativos Tabela Riscos Radiolgicos Associados ao Manuseio de 8C1 Dispositivos Radioativos Danificados ou sem Blindagem Tabela Propriedades de Alguns Materiais Radioativos bem como de 8C2 Materiais Usados em Revestimento, Embalagem e Blindagem

157 165 217

224 225

xix

xx

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 e cientistas desde os primrdios da civilizao. Sob o ponto de vista de proteo radiolgica, a matria pode ser considerada como constituda de partculas fundamentais cujas propriedades de interesse so a massa e a carga eltrica. Neste contexto, as trs partculas importantes para a compreenso da estrutura e propriedades da matria so os eltrons (e), os prtons (p) e os nutrons (n). A estas, pode ser acrescentado o fton, tipo especial de partcula associada radiao eletromagntica. Partculas mais elementares como lptons e quarks fogem ao escopo desta publicao. O eltron j era conhecido desde o sculo dezenove como a unidade de carga eltrica, tendo sua carga negativa o mesmo valor numrico que a do prton, ou seja, 1,6021.10-19 C. O nutron no possui carga eltrica e tem uma massa aproximadamente igual do prton. Assim, o ncleo possui uma carga eltrica positiva cujo tamanho 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 suas propriedades qumicas, sendo constitudo por partculas fundamentais (prtons, eltrons e nutrons). Os prtons e os nutrons encontram-se aglomerados numa regio central muito pequena, chamada ncleo, que se mantm unida mediante foras nucleares fortes, que tm carter atrativo e so muitas ordens de grandeza superiores fora de repulso eletrosttica existente entre os prtons, a qual tenderia a expuls-los do interior do ncleo. A densidade do ncleo muito elevada, sendo da ordem de milhes de toneladas por centmetro cbico. Segundo o modelo atmico de Bohr, os eltrons, partculas de massa insignificante frente massa do ncleo (me mp/1840) e carga eltrica1

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 muito pequena, 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, foi estabelecida uma escala unificada, tendo sido atribudo o valor exato de 12,000000 para a massa atmica do carbono-12, Assim, nessa escala, uma unidade 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 da massa 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 a caracterstica que diferencia um elemento de outro. Normalmente, o nmero de unidades de carga positiva igual ao da negativa, tornando o tomo eletricamente neutro. tomos de um elemento podem se combinar com tomos de outro elemento formando molculas. Por exemplo, quatro tomos de hidrognio podem se combinar com um tomo de carbono para formar uma molcula de metano, CH4. 1.1.3 Nmero Atmico, Nmero de Massa, Massa Atmica e tomo-Grama Nmero atmico: o nmero de prtons que um tomo possui em seu ncleo e que determina suas propriedades qumicas, sendo representado pelo smbolo Z. tomos do mesmo elemento qumico possuem o mesmo nmero atmico, mas no necessariamente a mesma massa, j que podem diferir pelo nmero de nutrons.2

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: a razo 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, e que 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 estado energtico. O smbolo utilizado neste texto para representar os nucldeos consiste no smbolo qumico do elemento (por exemplo, Fe), com o nmero atmico (Z=26) como subndice direita, abaixo e o nmero de massa (A=57) como supra-ndice, esquerda e acima. Generalizando:A

XZ

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

1.1.5 Istopos Istopos so nucldeos que possuem o mesmo nmero atmico Z mas massas atmicas (A) diferentes, isto , os istopos tm o mesmo nmero de prtons, porm diferente nmero de nutrons (N) e, como conseqncia, diferente nmero de massa A. O fato dos istopos possurem o mesmo nmero atmico faz com que se comportem quimicamente de forma idntica. Exemplos:38

Cl e

37

Cl ;

57

Co e

60

Co

3

1.1.6 Isbaros So nucldeos que possuem o mesmo nmero de massa e diferentes nmeros atmicos. Tendo nmeros atmicos distintos, comportam-se quimicamente de forma diferente. Exemplo:57

Fe e

57

Co

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 ao qumica normal, em substncias mais simples. A definio de elemento engloba sua mistura natural de istopos, uma vez que a maioria dos elementos formada por vrios istopos. Por exemplo, o estanho natural formado pela mistura de dez istopos. Desde os primrdios da Qumica, tentou-se classificar os elementos conforme as analogias ou diferenas de suas propriedades. Atualmente, a pouco mais de centena de elementos conhecidos est classificada no sistema peridico de Niels Bohr, aprimorado a partir da classificao original proposta por Mendeleiev (1834-1907). Assim, os elementos so dispostos em fileiras ou perodos e colunas ou grupos, atendendo estrutura eletrnica de seus tomos, de que dependem as respectivas propriedades, 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 de interao da radiao com a matria em proteo radiolgica o eltronvolt (simbolizado eV), que corresponde energia adquirida por um eltron ao atravessar um campo eltrico de 1 volt. Esta unidade expressa um valor muito pequeno e sua relao com unidades macroscpicas e a seguinte: 1 eV = 1,602.10-19 J = 1,602.10-12 erg4

Em 1909, como parte de sua teoria da relatividade especial, Albert Einstein enunciou que o contedo total de energia E de um sistema de massa m dado pela relao: E = mc2 onde c = 2,99776.1010 cm/s a velocidade da luz no vcuo. Em quase toda reao nuclear, uma pequena quantidade de transformada em energia, ou vice versa, como por exemplo:226

massa

Ra88 222Rn86 + energia

estando essa energia relacionada ao decrscimo de massa convertida de acordo com a equao de Einstein acima. Alternativamente, a equao de Einstein pode ser expressa como:E = 931 m

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

1.1.10 Energia de Ligao dos Ncleos As partculas que constituem um ncleo estvel so mantidas juntas por foras de atrao fortes e, portanto, para separ-las, necessrio realizar trabalho at que elas se mantenham afastadas por uma grande distncia. Ou seja, energia deve ser fornecida ao ncleo para separ-lo em seus constituintes individuais, de tal forma que a energia total dos constituintes, quando suficientemente separados maior do que aquela que tm quando formam o ncleo. Verifica-se que a massa real de um ncleo sempre menor que a soma das massas 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, o tomo de 4 He, tem-se: massa do ncleo do hlio massa do prton massa do nutron massa total: 2p + 2n = 4,00150 u.m.a. = 1,00728 u.m.a. = 1,00867 u.m.a. = 4,03190 u.m.a.5

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

1.1.11 Estabilidade Nuclear Os nucldeos podem ser estveis ou instveis. Estveis so aqueles que preservam sua identidade de elemento qumico indefinidamente. Instveis so aqueles que podem sofrer um processo espontneo de transformao (desintegrao) e se converter em um outro nucldeo. Neste processo, pode haver a emisso de radiao. A energia de ligao , tambm uma medida da estabilidade de um ncleo uma vez que pode ser demonstrado que um ncleo no se fragmenta em partculas menores quando sua massa menor que a soma das massas dos fragmentos.

1.1.12 Nmeros Qunticos As caractersticas de cada eltron so definidas por quatro nmeros, denominados nmeros qunticos. Os eltrons esto distribudos em camadas ou nveis energticos, sendo que, para cada nvel, a energia total dos eltrons que o ocupam exatamente a mesma. O nmero quntico principal ou fundamental indica, ainda, o nmero mximo de eltrons possveis numa camada, sendo que a cada nvel energtico principal atribudo um nmero inteiro (1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7) ou uma letra ( K, L, M, N, O, P ou Q ). Os nveis de energia das camadas K, L e M para o tomo de tungstnio, por exemplo, so respectivamente 70 keV, 11 keV e 2,5 keV. Estes valores correspondem s energias de ligao dos eltrons em cada um desses nveis. Isto significa ser necessrio, no mnimo, 70 keV para remover um eltron localizado na camada K para fora do tomo. medida que aumenta o nmero atmico, aumenta o nmero de eltrons em 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 comportar at dois eltrons; o L, oito; o M, dezoito; o N e o O comportam o nmero6

mximo de trinta e dois eltrons cada. A camada K a mais prxima do ncleo e corresponde ao nvel energtico mais baixo do tomo. Os eltrons em nveis energticos mais altos tm probabilidade maior de situarem-se em regies mais afastadas do ncleo do tomo. Os eltrons localizados em rbitas prximas do ncleo, como a rbita K, tm uma certa probabilidade de penetrar na regio do ncleo. Este fato faz com que esses eltrons possam participar de certos processos nucleares. Se uma quantidade de energia for fornecida ao tomo de forma que seus eltrons mais internos sejam removidos para rbitas mais externas ou mesmo arrancados do tomo, um dos eltrons das camadas mais externas ir ocupar a vaga deixada e, nessa transio, o tomo emitir ftons de energia, conhecidos por radiao caracterstica. Cada nvel energtico principal subdivide-se em subnveis, que dependem do segundo nmero quntico, chamado nmero quntico secundrio. O eltron pode se encontrar em qualquer lugar em torno do ncleo, exceto neste. No entanto, h algumas regies do espao onde muito mais provvel encontr-lo que outras. Chama-se orbital regio do espao em volta do ncleo onde mais provvel encontrar o eltron ou onde a densidade eletrnica maior. O nmero quntico secundrio pode ter n valores, comeando por 0, sendo o valor mximo n-1, onde n = no quntico principal, e indicam a forma e o tamanho dos orbitais, sendo seu valor representado, 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 cria um campo magntico e se constitui em pequeno m, razo pela qual se orienta em qualquer campo magntico externo. As diferentes orientaes que um eltron pode tomar vm definidas pelo terceiro nmero quntico, o nmero quntico magntico, cujo valor tambm inteiro, positivo, negativo ou nulo. Os eltrons tm um movimento de rotao sobre si mesmos, conhecido por spin, que definido pelo quarto nmero quntico, o nmero quntico rotacional ou de spin, que toma os valores e + , conforme o sentido de rotao seja horrio ou o contrrio. De acordo com o Princpio de excluso de Pauli, dois eltrons de um mesmo 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.

7

1.1.13 Nveis de Energia Nucleares O ncleo atmico tambm se apresenta em estados com energias bem definidas. O estado de energia mais baixa denominado estado fundamental e corresponde ao nvel de energia zero. O primeiro nvel acima deste o 1 estado excitado e assim sucessivamente. Se, por qualquer motivo, for fornecida uma quantidade de energia suficiente ao ncleo, ele passar a um de seus estados excitados. Aps um perodo de tempo, em geral muito curto, ele voltar ao seu estado fundamental, emitindo radiao. Normalmente, o retorno ao estado fundamental se d por meio da emisso de radiao eletromagntica gama, . Durante esse processo, o ncleo pode passar 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 menor quantidade de qualquer radiao eletromagntica que possui a velocidade da luz. O fton pode ser retratado como um pequeno pacote de energia, tambm chamado quantum, que se move atravs do espao com a velocidade da luz. Embora ftons no possuam massa, eles possuem campos eltricos e magnticos que se movem continuamente sob a forma de ondas senoidais. As propriedades importantes do modelo senoidal so a freqncia (f) e o comprimento de ondas (), sendo a equao da onda expressa simplesmente por: v=f. No caso de radiao eletromagntica, o produto da freqncia pelo comprimento de onda constante e igual velocidade da luz. Assim, sempre que a freqncia aumenta, o comprimento de onda diminui e viceversa. Outra propriedade importante da radiao eletromagntica emitida por uma fonte 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 )28

A razo para esse rpido decrscimo na intensidade da radiao o fato que, quando se aumenta cada vez mais a distncia da fonte pontual, a energia emitida espalhada por reas cada vez maiores. Como regra geral, a lei do quadrado da distncia pode ser aplicada sempre que a distncia da fonte for, pelo menos, sete vezes maior que a maior dimenso da fonte no pontual. O espectro eletromagntico est compreendido na faixa de freqncia de 10 a 1024 Hz e o comprimento de onda dos respectivos ftons encontram-se na faixa de 107 a 10-16 metros.

1.3 RADIOATIVIDADE 1.3.1 Descoberta da Radioatividade Aps o descobrimento dos raios-X por William Rentgen em 1895, o fsico francs Henri Becquerel, associando a existncia desses raios at ento desconhecidos aos materiais fosforescentes e fluorescentes, testou uma srie de substncias com essas caractersticas. Assim, em 1896, verificou que sais de urnio emitiam radiaes capazes de velar chapas fotogrficas, mesmo quando envoltas em papel preto. Observou ainda, que a quantidade de radiao emitida era proporcional concentrao de urnio e era independente das condies de presso, temperatura ou estado qumico da amostra, alm de permanecer inalterada mesmo sob a ao de campos 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 radioatividade para 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 do material radioativo foi colocada dentro de um recipiente de chumbo contendo um orifcio. A radiao produzia um ponto brilhante em uma placa de sulfeto de zinco, colocada diante do orifcio. Sob a ao de um campo magntico, o feixe de radiao repartia-se em trs, que foram denominadas radiao alfa, beta e gama.

9

Em 1909, Rutherford e Soddy demonstraram 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 constituda por eltrons. Tanto as partculas como as partculas eram emitidas com altas velocidades, demonstrando que uma grande quantidade de energia estava armazenada no tomo.

Chumbo

Material Radioativo

Foi observado, tambm, que a radiao gama () no era desviada de sua trajetria sob a ao do campo magntico e apresentava as mesmas caractersticas dos raios-X, ou seja, uma onda eletromagntica de alta energia. Esses trabalhos de pesquisa cientfica permitiram concluir que a radioatividade a transformao espontnea de um ncleo atmico, convertendo um nucldeo em outro. A natureza das radiaes emitidas caracterstica das propriedades nucleares do nucldeo que est se desintegrando, denominado nucldeo pai. O nucldeo pai, ao se desintegrar, d origem ao nucldeo filho. Em alguns casos, o nucldeo filho tambm radiativo, formando, assim, uma cadeia radioativa. 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 dois nutrons, tendo duas cargas positivas. A reao de desintegrao alfa pode ser assim esquematizada:A

XZ

A-4

Y Z-2 +

4

He 2 + Q

10

sendo Q a energia liberada no processo de desintegrao, oriunda da diferena de massa existente entre o ncleo pai e os produtos da desintegrao. As partculas alfa so emitidas como energias discretas e caractersticas do ncleo pai. A desintegrao alfa caracterstica de ncleos pesados (Z > 82), salvo excees, sendo que a maioria dos nucldeos emissores alfa so naturais.

1.3.2.2 Desintegrao Beta A desintegrao beta tanto pode ser negativa (emisso de eltrons), quando o ncleo est com excesso de nutrons, como positiva (emisso de psitrons), ou seja, partculas com massa igual do eltron, mas com carga positiva, quando o ncleo est com excesso de prtons, conforme descrito a seguir. 1.3.2.2.1 Desintegrao Beta Negativa ( - ) Quando o ncleo possui um nutron em excesso, este convertido em um prton e uma partcula beta negativa.A

XZ

A

Y Z+1 + - + + Q

Aqui, representa o antineutrino, partcula sem carga, com massa de repouso extremamente pequena e que se desloca velocidade da luz. A partcula beta negativa possui as mesmas caractersticas dos eltrons atmicos, porm tem origem no ncleo. A emisso de partcula - diferente das emisses uma vez que as partculas - so emitidas em um espectro 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 uma partcula com espectro contnuo de energia explicada pela emisso de uma segunda partcula, neste caso o antineutrino. O antineutrino transporta a diferena de energia existente entre a energia da partcula beta negativa e a energia disponvel, dada pela diferena de massa entre o ncleo pai e os produtos da desintegrao (Q).11

1.3.2.2.2 Desintegrao Beta Positiva ( +) Quando o ncleo possui um prton em excesso, este convertido em um nutron e uma partcula beta positiva (psitron).A

XZ

A

Y Z-1 + + + + Q

O psitron possui a mesma massa do eltron e sua carga tem valor absoluto igual do eltron, porm com sinal positivo. De maneira anloga s partculas beta negativas, as partculas beta positivas so emitidas em um espectro contnuo de energia. Neste caso, a energia mxima est na faixa de 0,3 - 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 beta positiva, isto , tambm ocorre quando o ncleo possui um excesso de prtons. Em certos casos, a probabilidade do mesmo ncleo se desintegrar por qualquer um desses dois processos comparvel. Assim, o ncleo, ao invs de emitir um psitron, captura um eltron de seu prprio tomo, convertendo um de seus prtons em nutron e liberando um neutrino monoenergtico, o qual transporta a energia disponvel no processo.0

e -1 +

A

XZ

A

Y Z-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 processo pode ocorrer tambm com eltrons de camadas mais externas. Aps a captura do eltron, este deixar uma vaga no seu nvel orbital, que ser 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 eltrons Auger. Isto ocorre quando um dos raios-X emitidos colide com um dos eltrons que permaneceram nos orbitais atmicos e cede energia a esse eltron, deslocando-o de seu orbital.12

1.3.2.3 Desintegrao com Emisso Gama ( ) Em muitos casos, aps ocorrer um dos tipos de desintegrao descritos anteriormente, 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 essa energia armazenada sob a forma de raios gama (). A radiao gama pertence a uma classe conhecida como radiao eletromagntica. Este tipo de radiao consiste de pacotes de energia (quanta) transmitidos em forma de movimento ondulatrio. A radiao eletromagntica uma modalidade de propagao de energia atravs do espao, sem necessidade de um meio material. Outros membros bem conhecidos 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 so emitidos quando os eltrons atmicos sofrem uma mudana de orbital. Os raios so emitidos dos ncleos radioativos com energias bem definidas, correspondentes diferena entre os nveis de energia de transio do ncleo que se desexcita. A transio pode ocorrer entre dois nveis excitados ou entre um nvel excitado e o nvel fundamental. Deste modo, pode haver a emisso de um ou mais raios em cada desintegrao. Por exemplo, o Cobalto-60, aps desintegrao beta, tem como resultado o segundo nvel de excitao do Nquel-60 que, como conseqncia, emite dois 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 de ondas eletromagnticas e, ao interagir com a matria, resulta na transferncia de energia para os tomos e molculas que estejam em sua trajetria. Sob ponto de vista da fsica, as radiaes, ao interagirem com um meio material, podem provocar ionizao, excitao, ativao do ncleo ou emisso de radiao de frenamento, conforme descrito a seguir.13

Ionizao: processo de formao de tomos eletricamente carregados, ou seja, 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 deslocados de seus orbitais de equilbrio e, ao retornarem, emitem a energia excedente sob a forma de radiao (luz ou raios-X caractersticos). Ativao do Ncleo: interao de radiaes com energia superior energia de ligao dos ncleons e que provoca reaes nucleares, resultando num ncleo residual e na emisso de radiao. Radiao de Frenamento:(Bremsstrahlung) radiao, em particular raios-X, emitida em decorrncia da perda de energia cintica de eltrons que interagem com o campo eltrico de ncleos de tomos-alvo, tomos estes com elevado nmero atmico, ou mesmo que interagem com a eletrosfera. Em decorrncia das diferenas existentes entre as partculas e radiaes, em suas cargas e suas massas, cada um deles interage de modo diferente com a matria. O conhecimento das propriedades das radiaes e de seus efeitos sobre a matria 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 do equipamento de medida; a maior facilidade na interpretao das diversas aplicaes dos materiais radioativos; a adoo das medidas preventivas mais apropriadas, de modo a proteger o corpo humano dos efeitos nocivos da radiao. Quando as partculas carregadas ou a radiao eletromagntica atravessam a matria, o mecanismo que mais contribui para a perda de energia a interao com os eltrons. Isto se justifica pelo fato do raio do ncleo ser da ordem de 10.000 vezes menor que o raio do tomo. Assim, de se esperar que o nmero de interaes com eltrons seja muito maior que com ncleos, uma vez que o nmero de interaes proporcional rea projetada, 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 a matria. As partculas mais pesadas so pouco desviadas de sua direo14

original quando interagem, perdendo energia. As partculas beta, por serem menos pesadas, so desviadas com ngulos muito maiores ao interagirem com o meio. As perdas de energia resultante de colises com ncleos resultam ser vrias ordens de grandeza menores que na interao com eltrons.

1.3.3.1 Interao de Partculas Carregadas (10 keV a 10 MeV) Uma partcula carregada, ao passar atravs de uma substncia (alvo) pode interagir com eltrons carregados negativamente e ncleos de tomos ou molculas carregados positivamente. Devido fora coulombiana, a partcula, em funo de sua carga, tenta atrair ou repelir os eltrons ou ncleos 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 e interaes 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 partcula carregada, em uma dada direo, distncia essa que depende de vrios fatores. Quatro dos mais importantes so descritos a seguir: Energia: O alcance de uma dada partcula ampliado com o aumento da energia inicial. Massa: Partculas mais leves tm alcance maior que partculas mais pesadas 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 uma partcula com mais carga. Densidade do Meio: Quanto mais alta a densidade do meio, menor o alcance da partcula, sendo este muito maior em gases do que em lquidos ou 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 material slido ou em alguns centmetros de ar. Isso significa que o poder de penetrao das partculas alfa muito pequeno, sendo a espessura de uma folha de papel suficiente para blindar todas as partculas emitidas por uma fonte alfa.15

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

Tabela 1.1 Alcance Aproximado de Partculas Carregadas ALCANCE (cm) AR Energia (keV) TECIDO MOLE e ou e+ e- ou e+ -4 4 1 10 2 . 10