Energia nuclear e seus usos na sociedade

A ENERGIA NUCLEAR E SEUS USOS NA SOCIEDADE
Cínthia Helena Claudino Silvestre
Disrael Camargo Neves da Cunha
Felipe Prates Moitinho Mendes Pereira
Felipe Renier Maranhão Lima
Guilherme Campos Gonçalves
Raissa Fernandes Pessoa Mendes
Bolsistas do Grupo PET-Física – 2007
Introdução
A ciência pode ser usada para diferentes fins, éticos ou não, pacíficos ou bélicos – a escolha fica
nas mãos de quem possui esse conhecimento. Todo conhecimento está sujeito ao possível mau uso. No
entanto a energia nuclear é vista como uma das mais perigosas em razão do seu uso em guerras,
especialmente em relação ao genocídio ocorrido nas cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki, no ano
de 1945, durante a Grande Guerra. Além disso, os acidentes nas usinas nucleares ocorridos nos Estados
Unidos e na Ucrânia ainda assustam muito.
É necessário que possa ser visto e reconhecido o benefício que a energia nuclear pode trazer, suas
aplicações na medicina, na detecção, prevenção e cura de doenças como o câncer.
A energia nuclear é fundamental para o desenvolvimento mundial, suas aplicações são inúmeras.
Analisemos então, de modo mais concreto, a energia nuclear.
A matéria é caracterizada pelos seus elementos constituintes, que, por sua vez, são caracterizados
pelo número de prótons que apresentam em seus núcleos. Além dos prótons, que possuem cargas
positivas, cujo número é representado pela letra Z, os elementos possuem nêutrons, que não possuem
carga, e os elétrons, que possuem carga negativa.
Pode-se afirmar que o núcleo atômico é o responsável pela massa do átomo, enquanto a eletrosfera
é responsável pelo volume. O núcleo é bem pequeno (10-13 cm a 10-12 cm). A massa do nêutron é
semelhante à do próton, 1,67 × 10-24 gramas. A mecânica quântica (que trata de fenômenos que ocorrem
em escala nuclear, atômica e molecular) classifica essas partículas segundo parâmetros denominados
números quânticos.
Os prótons possuem carga positiva, o que provoca uma repulsão entre eles. A força eletrostática é a
responsável por isso, e seria lógico que devido a ela as partículas positivas se afastem umas das outras, o
que destruiria o núcleo. Mas existe uma força, conhecida como força nuclear forte, que não é de natureza
eletromagnética e nem gravitacional, a qual mantém os núcleos com seus elementos presos uns aos outros
e proporciona a sua estabilidade.
À medida que a energia de ligação média (soma de todas as energias de ligação entre os
constituintes do núcleo dividido pelo número destes) cresce, aumenta também a coesão no núcleo. É essa
energia, que está relacionada com a força nuclear, o objeto do nosso estudo.
Tipos de radiação
O número de prótons de um átomo é o seu principal parâmetro caracterizador pois o relaciona a um
elemento químico. Por outro lado, átomos com o mesmo número de prótons e diferente número de
nêutrons são denominados isótopos, ou seja, iso – igual e topos – prótons. Uma dada combinação de
nêutrons e prótons pode ser estável ou não. Aqueles cuja combinação é estável são chamados isótopos
estáveis, e aqueles cuja combinação é instável são denominados radioisótopos ou isótopos radioativos.
Estes são emissores de energia eletromagnética e/ou partículas, a fim de atingir, desse modo, a estabilidade
ou equilíbrio.
A energia emitida pelo núcleo na busca por estabilidade é chamada de radiação nuclear, a qual se
manifesta na emissão de nêutrons, radiação gama, cujas partículas constituintes (fótons) não possuem
massa e têm a mesma natureza da luz visível, dos raios-x e das microondas, porém com mais energia e
maior poder de penetração. Outra forma de radiação é a alfa, que é constituída por 2 prótons e 2 nêutrons,
ou seja, por núcleos de hélio-4; e há também a radiação beta, que é gerada nada mais, nada menos, por
emissão de elétrons ou suas antipartículas (pósitrons).
A energia em ciências nucleares é medida em elétron-volts (eV), ou em unidades múltiplas desta
como o quiloeletron-volt (keV). A energia emitida pelo núcleo de um átomo supera 10 keV, que é bilhões
de vezes menor que a energia com as quais lidamos freqüentemente. Porém, 100 g de urânio contém 1023
átomos, aproximadamente. A bomba de Hiroshima tinha apenas 20 kg de matéria-prima, o que indica
quanta energia pode ser liberada com uma quantidade relativamente pequena de material radioativo,
tamanho o poder que possui o núcleo dos átomos! Esse poder é expresso através da liberação de energia
que se dá nas reações de fissão ou fusão, processos que serão explicados adiante.
Decaimento nuclear
O decaimento radioativo é tido como um fenômeno probabilístico: na medida em que não é
possível prever quando exatamente um determinado núcleo decairá, consideramos não a história dos
átomos isoladamente, mas o comportamento do conjunto formado por eles. Quando um núcleo atômico
encontra-se instável devido ao excesso de prótons e/ou nêutrons, ocorre o decaimento, com a geração de
um nuclídeo mais estável. O decaimento radioativo consiste, portanto, na desintegração de um núcleo em
outro núcleo, com a liberação de partículas e/ou radiação gama. O fenômeno da radioatividade foi
descoberto em 1896, acidentalmente, por Becquerel, que notou que uma chapa fotográfica guardada em
uma gaveta junto com um pedaço de minério de urânio havia sido impressionada pela radiação emitida por
ele.
Um elemento radioativo, ou radioisótopo, geralmente percorre uma cadeia de desintegrações até
que um núcleo estável seja formado. Por esse processo de decaimento, ocorre a diminuição, no decorrer do
tempo, do número inicial de núcleos radioativos de uma amostra. Tendo isso em vista, define-se meia-vida
de um radioisótopo como o tempo necessário para que metade de sua população decaia para o outro
elemento resultante. A cadeia de desintegrações percorrida por um elemento, assim como a energia da
radiação por ele emitida, são próprias de cada radioisótopo; essas informações, junto com a energia da
radiação, podem, assim, ser utilizadas na identificação do elemento radioativo. A radioatividade é
característica natural de alguns isótopos de elementos químicos, mas o decaimento nuclear pode ser
induzido em núcleos naturalmente estáveis, através de seu bombardeio com partículas ou radiação
eletromagnética.
Um elemento químico pode existir na natureza em uma variedade de isótopos, que podem ou não
apresentar comportamento radioativo. Por exemplo, o urânio, que possui 92 prótons, existe na natureza na
forma de três isótopos: 99,3% de urânio-238 (146 nêutrons), 0,7% de urânio-235 (143 nêutrons, usado em
reatores, depois de enriquecido) além de uma quantidade praticamente desprezível de urânio-234 (142
nêutrons). Cada isótopo possui uma meia-vida própria. Por exemplo, a meia-vida do urânio-238 é de 4,47
× 109 anos. Ao decair, ele produz o tório-234, que é também instável, o qual decai, a seguir, para
protactínio-234, urânio-234, tório-230, e assim até o chumbo-206. Existem apenas três famílias radioativas
naturais, sendo elas a série do urânio, a série do actínio e a série do tório; todas terminam em isótopos do
chumbo, respectivamente, chumbo-206, chumbo-207 e chumbo-208, que são todos estáveis.
Fissão nuclear
No processo de fissão nuclear, o núcleo é dividido em normalmente dois núcleos-filho de massas
comparáveis, ocorrendo grande liberação de energia. Essa energia, que inicialmente opera a ligação do
núcleo, passa a compor a energia de ligação do novo núcleo e a energia cinética dos produtos da fissão.
Ao contrário da radioatividade, que é manifestada naturalmente por alguns isótopos, a fissão
nuclear raramente ocorre na natureza de forma espontânea, sendo obtida através do bombardeio de núcleos
pesados por um nêutron, que torna o núcleo instável ao ser por ele absorvido.
A fissão foi descoberta por volta de 1940 pelos cientistas alemães Hahn e Strassmann, que, ao
bombardear uma amostra de urânio por nêutrons, detectou a formação de átomos menores (Ba e Kr),
juntamente com a liberação de uma grande quantidade de energia.
O desencadeamento da fissão nuclear se dá pelo bombardeamento da amostra por um nêutron, que
provocam uma reação em cadeia. O nêutron oferece a energia necessária para que o núcleo instável se
fissione em dois núcleos menores. Juntamente com esses dois núcleos-filho e com a quantidade de energia
liberada, são emitidos também mais dois ou três nêutrons que, por sua vez, podem desencadear a fissão de
mais núcleos. Tal processo é o mecanismo básico de funcionamento tanto de reatores nucleares (reação
controlada) quanto da bomba atômica (onde todas as fissões ocorrem em um curto intervalo de tempo,
numa reação em cadeia). Em ambas as aplicações, o combustível usado é o urânio-235, por ser um isótopo
mais facilmente fissionável. A fissão nuclear do urânio é, assim, uma das principais aplicações civis da
energia nuclear, sendo a base do funcionamento de centrais nucleares em vários países, como a França,
Japão, Estados Unidos, Alemanha, Suécia, Espanha, China, Rússia, Coréia do Norte, Paquistão e Índia,
entre outros.
Na saúde
Os radioisótopos produzidos em reatores nucleares ou aceleradores de partículas têm sido
freqüentemente associados a substâncias químicas na formação de compostos chamados de radiofármacos,
os quais se associam a determinado tecido ou órgão humano objetivando o diagnóstico de doenças. Há
várias técnicas de utilização dessas substâncias, sendo que, uma bem conhecida é a cintilografia.
A cintilografia utiliza a propriedade do radiofármaco de ter um comportamento biológico que é
idêntico ao de similares não radioativos, como é o exemplo da concentração de iodo, radioativo ou não, na
tireóide. Após o tempo necessário para a fixação do composto no órgão a se pesquisar, imagens são
produzidas em câmaras de cintilação ou por outros aparelhos de detecção de radiação. A detecção gera
uma imagem, onde os pontos mais claros são aqueles que emitem maior radiação.
Além da imagem, a concentração e a captação do radiofármaco também são fatores para o
diagnóstico feito pelo médico. E a utilização desse tipo de imagem inovou o mundo do diagnóstico, pois,
diferente das outras formas de imagem, como radiografia simples, a detecção de radiofármacos avalia o
perfeito funcionamento do órgão e não, apenas sua morfologia.
O radiofármaco é produzido a partir de elementos radioativos de meias-vidas curtas, pois a
presença do elemento no organismo não pode ser muito significativa e duradoura, para não ocasionar
danos maiores ao paciente. Exemplos desses elementos, órgãos de utilização e meias-vidas são:
tecnécio-99m (cérebro, glândulas salivares, fígado, pulmão, rins, sistema linfático, ossos e estômago) de
meia-vida de 6 horas, iodo-131 (tireóide, pulmão e rins) de meia-vida de 8 dias, iodo-123 (tireóide e rins)
de meia-vida de 13 horas, irídio-192 (garganta) de meia-vida de 75 dias, tálio-201 (coração) de meia-vida
de 3 dias, cromo-51 (intestino e rins) de meia-vida de 27,7 dias, gálio-67 (tecidos moles) de meia-vida de
3 dias, etc.
Físicos e médicos trabalham continuamente pela melhor administração dessas substâncias com
meia-vida alta, como é o caso do cromo-51. Sabe-se que os danos para o paciente dependem da dose,
tempo de exposição, amplitude da área irradiada e a idade do indivíduo, ou seja, uma perfeita combinação
desses fatores é sempre buscada nesse tipo de diagnóstico.
Os radiofármacos reduzem os níveis de radiação dos métodos convencionais de imagem em até
100 vezes, mas mesmo assim, ainda são feitas pesquisas na busca de formas mais eficientes e cada vez
menos prejudiciais para o paciente, a fim de se eliminar ou amenizar problemas como mutações somáticas
e desequilíbrio hormonal. Um resultado dessa pesquisa é a técnica que se vale da emissão de pósitrons,
chamada de PET (sigla em inglês de positron emission tomography ou tomografia por emissão de
pósitrons).
O PET também utiliza radioisótopos, mas aqueles produzidos em aceleradores de partículas
específicos, cíclotrons, os quais possuem meia-vida muito curta em comparação com os radiofármacos. O
cíclotron é um acelerador que produz uma grande quantidade de prótons e os colocam em movimento ao
longo de uma órbita circular em uma câmara com um campo eletromagnético alternante, de forma que,
acumulando energia, são arremessados em um alvo com uma velocidade próxima à da luz. Esse alvo é o
átomo que se deseja alterar.
O átomo alterado é o radioisótopo a ser utilizado, o qual, nesse caso, deve ter a propriedade de
emitir pósitrons (decaimento β+), os quais são anti-partículas dos elétrons, quando decair, ter meia-vida
(período de estabilidade) curta e ser facilmente incorporado a um radiofármaco útil, através de síntese
química. Os radioisótopos mais utilizados são: flúor-18 (110 minutos de meia-vida), carbono-11 (20
minutos de meia-vida), nitrogênio-13 (10 minutos de meia-vida) e oxigênio-15 (2,07 minutos de
meia-vida).
A curta meia-vida desses elementos acaba por demandar uma proximidade do cíclotron ao local
onde o PET é realizado. Elementos como o oxigênio-15 são pouco utilizados, pois sua meia-vida é
extremamente pequena. O mais utilizado é o flúor-18, o qual é injetado na forma de fluorodeoxiglicose
(FDG). Em células neoplásicas, caracterizadas por multinucleação, hipercromatismo nuclear e perda da
relação núcleo-citoplasma, há um aumento do metabolismo da glicose. Como o FDG se assemelha a uma
molécula de glicose comum, ele é fosforilado dando origem ao FDG-6-P, o qual não passa pela seqüência
enzimática posterior, emitindo pósitrons e promovendo a base para a formação de imagens.
Outro uso da radiação nuclear é a teleterapia. Muito utilizada na terapia do câncer, trabalha com
uma fonte de cobalto-60, tradicionalmente, ou com outro isótopo, comumente césio-137, que emite uma
quantidade grande de radiação. Coloca-se a fonte externa a uma distância do paciente e é emitida a
radiação de forma local, para assim destruir as células cancerígenas.
A lei de Bergonié-Trinbondeau diz que uma célula é tanto mais radiossensível quanto maior é a sua
atividade cariocinética (capacidade de reprodução) e quanto menos fixadas estão sua morfologia e as suas
funções. É o caso da célula cancerosa. Por isso, é tão utilizada a teleterapia (ou radioterapia externa) e, por
fim, se conseguem bons resultados, muitas vezes aliando-se à quimioterapia.
Começou-se a utilizar a teleterapia na segunda década do século XX mas sua utilização ainda é
restrita se considerarmos tumores em regiões altamente sensíveis, as quais não podem receber radiação,
como é o caso de ossos, linfócitos, gônadas e baço. Nesses órgãos ela pode causar inúmeros problemas
desde infecções (ossos e baço) até esterilidade temporária ou definitiva (gônadas).
Há também a técnica dos aceleradores lineares, nos quais elétrons são acelerados e, ao incidirem
no tecido, geram fótons que irão interagir com as células expostas a essa radiação eletromagnética, sejam
elas tumorais ou não. Para evitar danos aos tecidos saudáveis do paciente, costuma-se usar uma proteção
de chumbo e marcas de tinta na pele, delimitando a área a ser irradiada, seja na teleterapia, seja nos
aceleradores lineares.
Em crianças e adolescentes, o uso da radioterapia tem sido cada vez menor, pois, já se sabe dos
efeitos colaterais ao desenvolvimento orgânico, os quais esse processo acarreta. A radioterapia pode
causar, de forma geral, feridas na boca, queimaduras na pele (na região irradiada), diarréia, dor ao urinar,
boca seca, queda de cabelo na região atingida, etc.
Outra técnica de terapia oncológica é a braquiterapia ou curieterapia, onde se colocam pequenas
fontes em contato direto com a região a ser tratada, ou até mesmo são implantadas no corpo do paciente e
depois retiradas, como no tratamento de câncer de próstata e de útero. A utilização dessa técnica não é
muito difundida pelos possíveis danos que se possa causar nas células sadias do órgão.
Enfim, a utilização da energia nuclear na medicina tem aumentado a cada ano e seu uso benéfico
tem se tornado comum. Depois do uso da bomba atômica, nada como salvar vidas para recuperar o
prestígio da comunidade acadêmica.
Medicina nuclear diagnóstica
Roentgen fez uma importante descoberta no ano de 1895, os raios-X, que logo foram aplicados à
medicina. Essa radiação pode atravessar tecidos moles do corpo humano facilmente e revelar estruturas
detalhadas do esqueleto humano, o que a torna capaz de constatar sem dificuldade a ruptura ou quebra de
ossos. No entanto, os raios-X apresentam limitações: não são capazes de detectar tumores, por não
conseguirem diferenciar determinados tecidos, e, é claro, produzem imagens bidimensionais, o que
também impossibilita a detecção de detalhes que só a profundidade pode oferecer. Os raios-X podem
apresentar ineficácia quando o tecido ósseo cobre o tecido que se deseja observar, como o cérebro, por
exemplo.
O recurso da imagem como auxílio para o diagnóstico médico tem sido beneficiado pelo
desenvolvimento da física nuclear. Câmeras de raio gama e aceleradores especializados na produção de
radioisótopos resultaram em novas técnicas para a produção de imagens de alta definição. Essa área de
pesquisa recebe o nome de Medicina Nuclear e seus pesquisadores são geralmente físicos nucleares
trabalhando em colaboração com médicos.
Para a obtenção dessas imagens pode-se injetar radioisótopos emissores de raios gama no paciente,
os quais se acumulam num determinado órgão do corpo. Uma das primeiras aplicações foi para se gerar
imagens da glândula tireóide, para as quais usa-se iodo-131 que tem um período curto de meia-vida (8
dias), sendo, então menos prejudicial ao corpo do paciente. O iodo-131 é ingerido por via oral. Tem-se alta
emissão de partículas beta, que não contribuem para o diagnóstico e que provoca absorção de uma alta
dose de radiação (incremento de 3 rads para cada microcurie de 131I). Geralmente, usam-se muitos
microcuries de 131I para se obter diagnósticos e a dose de radiação absorvida pode atingir 30 rads ou mais.
Uma alternativa é a escolha do 132I (meia-vida de 2,3 h), que é um produto do 132Te (meia-vida de 78 h),
por meio do uso de um solvente que dissolva I e não Te, que por sua vez, também é produto de fissão.
Mais recentemente, o 123I (meia-vida de 13 h) tem sido amplamente utilizado pois seus efeitos colaterais
são mais leves por possuir uma dose de radiação bem menor que 131I e 132I, de 2 rads por 100 µCi. Emite
somente um raio gama de 159 keV, já que decai por captura de elétrons e, portanto, não emite radiação
beta adicional.
Outro órgão estudado usando-se 131I é o rim, no qual o iodo é inserido via intravenosa. A
comparação do nível de iodo nos dois rins pode revelar anormalidades. O material radioativo no paciente é
excretado após a passagem por esse órgão.
Muitos fármacos têm radioisótopos em sua composição. A emissão dos radioisótopos pode
produzir uma imagem espacial num detector de cintilação, com um colimador limitado que pode observar
pequenas áreas (de 2 a 3 mm de diâmetro). Um outro colimador permite detectar a radiação que vem
somente de uma determinada profundidade do paciente.
O isótopo mais utilizado para gerar imagens é o 99mTc (cuja meia-vida é de 6 horas) que é produto
do 99Mo (meia-vida de 66h), o qual, por sua vez, é obtido de fissão ou por captura de nêutron pelo 98Mo.
O raio gama de 140 keV do 99mTc é vantajoso, pois permite precisão no desenho de colimadores. A
atividade pode ser introduzida no corpo por meio de uma grande variedade de componentes marcadores e
formas químicas, dependendo do órgão a ser observado e do tipo de exame.
Um uso comum das técnicas de cintilografia, é a cintilografia cerebral. O cérebro se caracteriza por
apresentar uma chamada barreira hemato-encefálica, ou seja, sob condições normais ele absorve
pouquíssimas impurezas do sangue. Contudo, se o cérebro está afetado por alguma doença ou tumor,
ocorre uma concentração do radioisótopo tecnécio-99 na região afetada, revelando essa disfunção.
Um aparelho que permitiu grande aprimoramento das imagens obtidas pela cintilografia é a câmera
gama.
Alguns dos mais interessantes desenvolvimentos na geração de imagens para a Medicina
ocorreram no campo da tomografia, que possibilita a formação de imagens de uma parte específica do
corpo, tanto por meio da incidência externa de raios-X, quanto da injeção endovenosa ou ingestão de
radioisótopos.
Há também a tomografia computadorizada axial (CAT, em inglês), técnica na qual ocorre a
incidência de feixes de raios-X, vindos de várias direções, na região de interesse. Para cada feixe é
possível determinar a perda de intensidade e, portanto, o nível de absorção por uma determinada direção.
Assim, podem ser formadas imagens bidimensionais da região de interesse.
Outro exemplo é o da tomografia por emissão de pósitrons (PET, em inglês), na qual um isótopo
emissor de pósitrons é introduzido na área a ser estudada. Seu decaimento possibilita a formação de
imagens, em vários aspectos mais interessantes que aquelas produzidas pelo CAT, visto que a PET pode
revelar também efeitos dinâmicos, tais como o fluxo de sangue. Aplicações interessantes para o
mapeamento funcional do cérebro são possíveis por esse meio.
Talvez o mais novo desenvolvimento nessa área seja a imagem por ressonância magnética nuclear
(NMR, em inglês). Em um experimento básico de NMR uma amostra é simultaneamente exposta a um
campo magnético estático e a um campo de radiofreqüência (rf) variando no tempo, perpendicular ao
campo estático. O campo estático gera uma separação Zeeman DE dos sub-estados magnéticos nucleares
adjacentes e o campo rf é ajustado para a freqüência ν = DE/h, então isto leva a transições entre os
sub-estados, os quais são observados através da absorção da potência rf na freqüência ressonante. Para
aplicações médicas, é possível fazer a ressonância do 1H, presente no corpo em abundância, e também de
outros isótopos estáveis como o 13C e o 17O. Cada um desses núcleos possui uma freqüência ressonante
única, determinada pelo momento do dipolo magnético nuclear. Uma varredura através do corpo é
eventualmente possível, aproveitando a variação da freqüência ressonante resultante da variação do campo
estático sobre o volume do corpo. A técnica de imagem NMR possui uma vantagem sobre as técnicas de
raios-X, raios gama e de emissão de pósitrons, já que o paciente não é exposto a radiações ionizantes;
acredita-se que os efeitos diretos de campos magnéticos estáticos e variáveis sobre o corpo são
insignificantes.
Medicina nuclear terapêutica
O uso básico das radiações nucleares na terapia é para a destruição dos tecidos do corpo que são
indesejáveis e que não funcionam corretamente, dos tumores cancerígenos ou da glândula tireóide
hiperativa. Isso é feito com as habilidades ionizantes das radiações nucleares. Em essência, a destruição
desses tecidos é feita pelos seguintes passos: (1) as radiações incidentes ionizam átomos de moléculas do
material irradiado; (2) as moléculas ionizadas participam de uma reação química, que dá lugar a radicais
livres ou outras moléculas excitadas; (3) esses radicais livres podem ser incorporados dentro de uma
estrutura biológica complexa (no nível molecular) e alterar suas funções, podendo levar horas e até anos
para que os efeitos dessa mudança biológica se tornem aparentes.
É possível ter uma ação direta pela radiação nas moléculas sensíveis biologicamente, seguindo o
passo (2); uma vez que o corpo humano é formado aproximadamente por 80% de água, é mais provável
que a radiação produza eventos ionizantes em moléculas de água. Assim, a molécula de água pode ser
ionizada pela incidência de radiação, como
H2O → H2O+ + e–
e o elétron livre pode ser capturado por outra molécula neutra de água para produzir uma molécula com
um excesso de cargas negativas:
H2O + e– → H2O–
Ambas as moléculas de água ionizadas H2O+ e H2O– são íons instáveis e podem ser dissociados
como
H2O+ → H+ + OH·
H2O– → H· + OH–
Ambos os casos produzem íons H+ ou OH–, além dos radicais livres H· ou OH·. O radical livre é
um átomo ou molécula eletricamente neutro que possui um elétron livre (isto é, desemparelhado) para
participar das reações químicas. Devido à forte tendência desse elétron desemparelhado em participar de
reações químicas que induzem a uma configuração de emparelhamento mais estável, esses radicais livres
são extremamente reativos. Dentro de cerca de 10–6 segundo irão reagir seguindo os possíveis passos:
H· + H· → H2
OH· + OH· → H2O2
H· + OH· → H2O
H2O + H· → H2 + OH·
No caso da matéria orgânica, podemos simplificar a cadeia carbônica que contém um hidrogênio
em RH, onde R· é o radical orgânico livre que contém o hidrogênio. Os radicais livres H· e OH· podem
combinar com essas moléculas orgânicas desta forma:
OH· + RH → R· + H2O
H· + RH → R· + H2
Em ambos os casos, o resultado é a produção de radicais livres R·, que podem fazer parte de um
sistema biológico mais complexo, causando possivelmente sua morte ou, alternativamente, mudando a
informação genética que é passada na reprodução, de modo que essa estrutura na próxima geração será
fundamentalmente diferente, passando-se por uma mutação genética.
A molécula de matéria orgânica pode ser ionizada diretamente sem produção de radicais livres da
água:
RH → RH+ + e–
RH+ → R· + H+
Como resultado. ainda se verifica a geração do radical livre R·.
Se o material irradiado é rico em oxigênio (como ocorre no tecido inflamado, por exemplo), outra
seqüência de processos é possível
R· + O2 → RO2·
e o radical RO2· pode ainda reagir com outra molécula orgânica RH de acordo com o processo
RO2· + RH → RO2H + R·
resultando em outro radical livre R·, o qual pode começar um novo processo. Isso é análogo à reação em
cadeia na fissão nuclear induzida por nêutrons. Outro processo que acontece com o oxigênio é
O2 + e– → O2–
A razão se deve à grande afinidade eletrônica do O2. A captura do elétron pelo O2 não somente pode
iniciar um processo, mas também prevenir que os elétrons livres interajam com os íons originais. Portanto,
o mal causado pela da radiação não pode ser “remediado” por recaptura dos elétrons livres.
Esse processo, denominado efeito oxigênio, faz com o tecido fique altamente oxigenado, o que é
extremamente prejudicial, pois o tecido rico em oxigênio é mais sensível a radiação. Assim, como
conseqüência, o tecido irradiado que tem mais oxigênio em sua formação possui menor tempo de vida que
um tecido que possui menos oxigênio. Trabalhar com tecidos altamente oxigenados é, então, um problema
e, de fato, representa na medicina o contraponto da utilização da radiação pois os tumores normalmente
são pouco irrigados por sangue. Logo, possuem menos oxigênio que os outros tecidos mais
vascularizados.
Para relacionar a dose de radiação necessária em um tecido oxigenado e em um não oxigenado,
define-se uma razão chamada taxa de elevação de oxigênio (OER, em inglês), definida como a razão entre
a dose necessária para um tecido pobre em oxigênio pela dose necessária para um tecido rico em oxigênio.
Valores típicos estão entre 2 e 3.
Para comparar os efeitos das diferentes radiações sobre o tecido vivo, utiliza-se de um fator de
comparação chamado de transferência linear de energia (LET, em inglês), o qual mede a energia
depositada no material por unidade de distância percorrida pela radiação. Como exemplos de alto LET
temos as radiações de íons pesados e partículas α. Os valores típicos de partículas de alto LET são acima
de 100 keV/µm, e de baixa são da ordem de 1 keV/µm.
A grande vantagem das radiações com alto LET é que elas minimizam efeitos danosos aos tecidos
saudáveis do paciente, evitando qualquer inflamação ou complicação em decorrência da radiação pois
expõem menos o paciente à fonte emissora de radiação.
Nos últimos anos, estudos com feixes de nêutrons e píons têm sido realizados para radioterapia. Os
nêutrons interagem com tecidos vivos por meio de diversas reações, sendo a principal delas o
espalhamento elástico pelo hidrogênio. Nesse processo é criado um próton com LET relativamente alto.
Outra possível interação é a reação (n,α) com o 16O, que cria uma partícula α com elevado LET. Outros
tipos de espalhamento elástico por oxigênio e carbono podem produzir recuo de núcleos pesados que
também possuem altos níveis de LET. Os nêutrons, ao contrário das partículas carregadas, não sofrem
interação coulombiana sendo, portanto, menos sensíveis à presença de átomos com números atômicos Z
maiores, como o oxigênio, possuindo portanto menos OER, o que pode resultar na destruição de tecidos
com doses menores de radiação para o paciente.
Os píons são desacelerados ao passar pela matéria e finalmente param, sendo capturados pelos
núcleos dos átomos-alvo. Quando isso acontece, muitas reações podem ocorrer, por exemplo:
π– + 16O → 16N* → 15N + n
→ 14N + 2n
→ 14C + p + n
→ 12B + α
A vizinhança do evento de captura do píon é chamado de “estrela”, em razão da seqüência de
traços que divergem do local da captura em uma emulsão fotográfica. Aproximadamente 35 MeV de
energia proveniente de partículas carregadas é depositada dentro de poucos milímetros no local de captura.
A dose de radiação por píon incidente é maximizada a uma profundidade específica no tecido, que
depende da energia do píon incidente. No tratamento de tumores a energia pode ser ajustada ao ponto de
liberar a dose máxima no local do tumor. Por serem partículas carregadas, os píons possuem a vantagem
(em relação a nêutrons ou fótons) de que podem ser focalizados a fim de convergirem para uma posição
especifica, aumentando ainda mais sua eficiência local. O OER dos píons é perto de 2, mas como as
reações nucleares são confinadas a uma região relativamente pequena, o efeito oxigênio pode ser menos
significativo para radioterapia por píons do que para outro tipo de radiação.
Usos na indústria
No Brasil, atualmente, a radiação vem sendo muito utilizada na indústria, o que tem contribuído
para a melhoria da qualidade e da produtividade nos processos de fabricação, buscando suprir com
vantagem as necessidades dos consumidores. Algumas dessas aplicações constam do controle de padrão
de espessura (como nas folhas de papel) e de vazão de líquidos, e do controle de qualidade de junções em
peças metálicas. É empregada a radiação de fontes como cobalto-60, irídio-192, césio-137 e amerício-241.
Outro uso importante da radiação está na aplicação de traçadores radioativos. Injeta-se uma substância
com materiais radioativos em um meio, para a observação desse processo. Os traçadores radioativos, por
outro lado, podem detectar problemas de vazamentos em grandes plantas da indústria química. Na
exploração do petróleo também existe o uso da radiação, quando fontes de nêutrons são empregadas para
se determinar o perfil do solo, além de se poder determinar a quantidade de água, gás e óleo existente no
material a ser extraído. Os irradiadores industriais cada vez estão sendo mais utilizados, servindo para
submeter materiais a radiação, exterminando microorganismo, como na esterilização e conservação de
materiais cirúrgicos, remédios, alimentos, peças de valor histórico, etc. O cobalto-60 é o radioisótopo que
vem sendo mais empregado pela indústria. O processo não causa contaminação e nem há produção de
material radioativo, sendo mais eficiente que substâncias químicas usadas para o mesmo fim. O cobalto-60
leva muita vantagem sobre a esterilização térmica, pois materiais como plásticos não suportariam altas
temperaturas. Nos alimentos para o consumo humano a radiação gama elimina microorganismos que
causam doenças, como a salmonella typhimurium, e eleva a vida útil do alimento. Na agroindústria existe
uma aplicação, cuja técnica se chama de “macho estéril”, para o combate das pragas na lavoura, na qual os
machos são esterilizados por radiação, os quais são soltos na região infestada para diminuir a população
do inseto.
Na pesquisa e no meio ambiente
Com o advento do uso de técnicas nucleares, muitas aplicações deste conhecimento se tornaram
possíveis. São vastas as utilizações dessas técnicas na pesquisa e no meio ambiente. Existe também
alguma preocupação no sentido de que as aplicações não sejam potencialmente prejudiciais, pois a
humanidade já testemunhou, ao longo de sua história, um considerável número de desastres causados por
essa tecnologia, e há grandes esforços para que não aconteçam novos acidentes.
Na alimentação animal e na pesquisa de plantas, as técnicas nucleares permitem o
acompanhamento metabólico desses seres vivos. E, especialmente nas plantas, verifica-se a absorção de
nutrientes e o efeito de microorganismos. Usam-se fertilizantes marcados com fósforo-32 para medir a
quantidade de fosfato existente no solo e o consumo de fósforo pelas plantas. Entretanto é necessário ter
cuidado com as possíveis mutações causadas. Como se sabe, as células animais e vegetais possuem
elementos em comum, como: membrana, núcleo (contendo proteínas e cromossomos), citoplasma, entre
outros. Os cromossomos podem ser danificados pelas radiações ionizantes e permanecer assim, ou voltar a
se reunir de maneira anômala (possivelmente com partes de outros cromossomos também rompidos). O
efeito global é a interferência na autoduplicação dos cromossomos e a produção de mutações. Vale
lembrar que a mutação é um processo natural, que ocorre espontaneamente na natureza. Porém a
exposição à radiação, quando essa é superior àquela existente em condições normais, tem como um dos
efeitos a aceleração desse processo de mutação.
Pode-se também utilizar os radioisótopos para estudo dos solos, com a possibilidade de observação
dos processos de infiltração e filtragem da água no solo, objetivando a verificação da qualidade do terreno
estudado e das formas de melhorar sua produtividade. Faz-se necessária também uma verificação dos
possíveis efeitos indesejados, como por exemplo, uma contaminação do lençol freático.
Uma outra aplicação está no uso de marcadores radioativos para mapear a vazão de algum rio. Essa
técnica consiste no lançamento de material radioativo nos rios e possibilita verificar experimentalmente a
quantidade de material radioativo ao longo do mesmo. Essa verificação é feita tendo em vista que a
radiação produz ionização dos gases (formando um gás condutor), e esse efeito é utilizado em uma grande
variedade de detectores. Um contador Geiger, por exemplo, tem dois eletrodos. A radiação entra através
de uma janela e ioniza o gás existente entre os eletrodos, possibilitando uma corrente entre eles. O impulso
elétrico produzido pode então ser contado ou registrado. É muito importante dizer que a introdução de
material radioativo nos rios pode causar efeitos indesejáveis para o meio ambiente (pelas mesmas causas
mencionadas anteriormente).
São importantes também mais duas aplicações: a análise de irradiação por nêutrons e a
esterilização de lixo e dejetos orgânicos. A primeira tem como objetivo a medida de pequenas quantidades
de poluentes. A segunda garante que não haja microorganismos nocivos. Isso ocorre porque a radiação em
excesso acaba por matar todas as formas de vida microscópicas (ou quase todas).
Geração de energia
Uma das principais utilizações da energia nuclear é a sua conversão em energia elétrica. Uma usina
termonuclear, como o próprio nome diz, é uma usina térmica que utiliza a energia a energia das reações de
fissão nuclear, ou seja, da “quebra” de núcleos atômicos, como fonte de calor. A energia liberada nesse
tipo de reação é utilizada para gerar vapor de água no reator a fim de colocar em funcionamento as
turbinas, que acionam os geradores, produzindo energia elétrica.
Os reatores do tipo água pressurizada (pressurized water reactor – PWR, em inglês), utilizados nas
usinas nucleares brasileiras, tem o 235U enriquecido a 3,5% como combustível. O isótopo urânio-235 é
extraído do minério na natureza com concentração de 0,7%, sendo necessário passar por várias etapas para
a separação do urânio-238, cujo processo é conhecido como enriquecimento do urânio, quando se alcança
a proporção desejada de 3,5% para a formação do combustível final utilizado nos reatores nucleares.
Atualmente a energia elétrica gerada por usinas nucleares no mundo é de 17% e tem a mesma
proporção da energia gerada por usinas hidroelétricas e a gás. Alguns países desenvolvidos têm mais de
50% do seu abastecimento de energia a partir de energia nuclear, como é o caso da França e Bélgica. Além
dos reatores destinados a geração de energia elétrica, existem vários outros destinados a pesquisa em mais
de 50 países.
Confiança e resíduos
O uso da energia nuclear para geração de energia elétrica passou por um declínio de interesse
durante algum tempo, principalmente após acidentes envolvendo esse tipo de energia, como ocorreram em
Three Mile Island (Estados Unidos) e Chernobyl (Ucrânia). Apesar das conseqüências catastróficas,
principalmente em Chernobyl, esses acidentes foram responsáveis por fazer com que os países, usuários
desse modo de produção de energia, revisassem as medidas de segurança, aumentando o rigor para o
licenciamento das usinas nucleares.
Passado algum tempo após esses acidentes, os países ocidentais passaram a investir mais em
pesquisas envolvendo energia nuclear. Nos Estados Unidos, por exemplo, algumas empresas nucleares já
estão modernizando suas usinas, substituindo os equipamentos a fim de prolongar a vida útil dos reatores
por pelo menos mais vinte anos. Outros países do ocidente, como Alemanha, Finlândia e Itália, estão
reconsiderando o uso da energia nuclear como opção viável, visto que o efeito crítico dos poluentes é
menor comparado a outros tipos de geração de energia.
Hoje em dia, percebe-se uma grande vantagem ao se adotar essa tecnologia, devido principalmente
à sua grande eficiência e à questão dos poluentes, comparando-se a outros tipos de geração de energia.
Pelo fato de o rejeito das usinas nucleares ser extremamente prejudicial ao meio ambiente é que há uma
maior preocupação quanto ao seu armazenamento. Vale ressaltar que dentre as formas de geração de
energia, a nuclear é uma das que produzem menor quantidade de rejeitos e com maior precaução quanto a
seu armazenamento A grande dificuldade é que o “lixo radioativo” pode durar até milhões de anos. Porém,
cada usina possui lugar reservado para guardar todo esse material até que se encontre uma solução
definitiva para o problema.
Milhões de dólares são investidos atualmente no que diz respeito ao rejeito das usinas nucleares.
Busca-se uma maneira de transformar o resíduo em não-radioativo com o menor tempo possível. Em todo
o mundo cada país é responsável pelo seu material radioativo, controlado por suas respectivas agências
reguladoras de atividades nucleares, segundo padrões internacionais, de tal maneira a garantir a segurança
do material.
Energia nuclear no país
Cerca de 3 mil instalações de energia nuclear para fins pacíficos estão em funcionamento no Brasil,
usando-se as fontes radioativas na saúde, na indústria e pesquisa. Todos os anos vem aumentando o
número de pacientes que utilizam radiofármacos. Novos cíclotrons, que permitem a produção de
radioisótopos, foram instalados em São Paulo e Rio de Janeiro, para o uso de técnicas avançadas. A
CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear) irá instalar nos próximos anos cíclotrons em Recife e em
Belo Horizonte, aumentando a sua disponibilidade para outras regiões o nosso país. A produção de
radioisótopos por reatores, no país, também tem crescido, isso devido à melhoria dos equipamentos
utilizados. Além disso foram criadas novas técnicas de combate ao câncer, aumentando a procura por
radiofármacos. Na indústria também tem aumentado o uso da radiação, pois as técnicas utilizadas estão
mais avançadas. Na geração de energia, o Brasil principia a dominar o processo enriquecimento de urânio.
Em nosso país temos cerca de 300mil toneladas de urânio em reserva, o que são suficientes para o
funcionamento de 10 reatores, equivalente aos existentes – Angra1 e Angra 2 – por cerca de 100 anos.
Segurança
O uso de reatores nucleares é preocupante, pois a segurança deve estar em primeiro lugar. Essa segurança
está sendo aperfeiçoada constantemente por cientistas e técnicos do mundo inteiro e com isso o sistema
está ficando cada vez mais confiável e seguro. A AIEA (Agência Internacional de Energia Atômica) é a
entidade que garante que o aprimoramento de novas normas de segurança estarão disponíveis para todos.
O TNP (Tratado de Não-Proliferação) é um acordo que tem por objetivo a não-proliferação de armas
nucleares, buscando-se firmar a doutrina da paz por meio do entendimento diplomático. Em nosso país a
CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear) é que inspeciona e licencia as instalações que utilizam
materiais nucleares, com o fim de se garantir a segurança. Essa tecnologia carrega consigo um risco, mas
cabe aos especialistas criarem métodos de segurança para que o uso desse tipo de energia seja viável sob
todos os aspectos.
Alguns eventos importantes
1896- Henri Becquerel descobre acidentalmente a radioatividade, ao deixar um composto de urânio junto
com chapas fotográficas dentro de sua gaveta.
1898- O casal Pierre Curie e Marie Curie consegue isolar o rádio e o polônio. Villard descobriu a radiação
gama.
1902- Rutherford confirmou a desintegração radioativa espontânea.
1910-1920- Usaram-se ingenuamente materiais radioativos na medicina e na indústria. Nessa época, até
mesmo em cosméticos utilizaram-se materiais radioativos.
1911- Começou-se a utilizar traçadores radioativos.
1926- A radiação começa a ser utilizada no tratamento oncológico.
1934- Primeiro radionuclídeo artificial produzido. Primeira fissão do urânio com nêutrons.
1936- Uso em terapia de radioisótopos produzidos em aceleradores cíclotron
1939- Einstein escreve aos americanos sobre a possibilidade de alemães construírem uma bomba atômica.
1941- Início do programa nuclear americano.
1942- Construção do primeiro reator americano.
1945- Lançamento das bombas atômicas em Hiroshima e Nagasaki.
1949- A União Soviética realiza a sua primeira explosão nuclear.
1951- A era nuclear favorece a criação do Conselho Nacional de Pesquisas (CNPq), mais tarde
denominado Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico.
1952- Explosão da primeira bomba de hidrogênio pelos Estados Unidos; criação do Instituto de Pesquisas
Radioativas (IPR), em Belo Horizonte, mais tarde denominado Centro de Desenvolvimento de
Tecnologia Nuclear (CDTN).
1953- Explosão da bomba de hidrogênio pela União Soviética.
1954- Os Estados Unidos criam dificuldades para a entrega pela Alemanha ao Brasil de três
ultracentrífugas.
1955- Entrada em funcionamento das primeiras centrais nucleares de produção de energia elétrica para o
público.
1956- Entrada em funcionamento do primeiro reator de pesquisas no hemisfério sul, no Instituto de
Energia Nuclear (IEA), Universidade de São Paulo; criação da Comissão Nacional de Energia
Nuclear (CNEN).
1957- Criação da Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA) pela ONU.
1962- Criação do Instituto de Engenharia Nuclear, no Rio de Janeiro.
1963- Início da produção de radioisótopos para aplicações médicas e científicas no Brasil.
1967- Assinatura pelo governo brasileiro do Tratado para a Proscrição de Armas Nucleares na América
Latina e Caribe.
1968- Formalizado o Tratado de Não-Proliferação de Armas Nucleares, pela AIEA.
1972- Acordo com os Estados Unidos para a construção da central nuclear de Angra I pela Westinghouse.
1981- Autorização para o funcionamento provisório de Angra I.
1982- O Brasil começa a fabricar o yellow-cake, que é uma das etapas de fabricação do combustível
nuclear de reatores.
1984- Entrada em operação comercial de Angra I.
1987- Início do enriquecimento de urânio pelo Brasil; acidente em Goiânia, envolvendo o césio-137.
1988- Entrada em funcionamento do reator MB/01, de concepção e construção nacional.
1991- Assinatura pelo Brasil e Argentina de acordo para o uso pacífico da energia nuclear.
1994- Entrada em vigor do Tratado para a Proscrição de Armas Nucleares na América Latina e Caribe.
1995- Início da produção pelo Brasil do radioisótopo tálio-201, de aplicação na medicina.
2000- A usina Angra II entra em operação.
2004- Entrada em operação da usina de enriquecimento de urânio em Resende (RJ).
Bibliografia
1)
O. D. Gonçalves e I. P. S. de Almeida, “A energia nuclear e seus usos na sociedade”, Ciência Hoje,
vol. 37, págs 36-44 (2005).
2) K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics, Wiley, New York (1987).