8ª Aula: Aplicações da Energia Nuclear I

MD-10: Material de apoio ao professor relativo às aplicações da energia nuclear:

MD-11: Filmes sôbre aplicações da energia nuclear:

São disponíveis no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN e no Instituto de Química (GEPEQ - USP).

APLICAÇÕES DA RADIOATIVIADADE

O Átomo como Fonte de Energia
Química
Física
Enegia Nuclear - Medicina
Aplicações na Indústria
Aplicações Nucleares na Agricultura
Bombas Nucleares
Energia Nuclear Para A Navegação
Determinação da Idade de Materiais

1) O átomo como Fonte de Energia

A energia nuclear é uma fonte extraordinária e compacta e, mais ainda, praticamente inesgotável de energia em forma de radiações e calor. O seu aproveitamento tem sido possível mediante o uso de reatores nucleares, nos quais é obtida da fissão controlada de átomos pesados: a desintegração de átomos de urânio ou plutônio liberta grandes quantidades de energia, principalmente térmica. A fusão nuclear liberta uma quantidade muito maior de energia: constitui o processo energético da bomba de hidrogênio.

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2) Química

a) Análise por Ativação

   O bombardeamento com nêutrons constitui a base de um método de análise química microqualitativa e microquantitativa de qualquer substância. Assim, quantidades insignificantes de um elemento, não detectáveis por meios químicos comuns, se bombardeadas num reator, poderão depois assinalar sua presença num corpo, por meio dos isótopos ativados. Esse processo permitiu corroborar a hipótese de que Napoleão foi envenenado por seus carcereiros na ilha de Santa Helena, e não morreu de câncer como até há pouco se supunha. Em seus cabelos, submetidos à ativação em reator atômico, apareceram traços de arsênio. Esse método já está sendo usado na investigação criminal.
   Essa técnica analítica, denominada análise por ativação, tem sido amplamente empregada nas mais diversas áreas de materiais: geológicos, biológicos, eletrônicos, metalurgia, criminologia, medicina, cerâmica, produtos ligados à agricultura e pecuária, enfim, envolvendo metodologias para concentrações extremamente baixas, limitadas para a maior parte dos procedimentos analíticos conhecidos.

b) Traçadores

   Outro campo de aplicação de isótopos radioativos diz respeito à troca de átomos em reações químicas, facilitando a pesquisa de estruturas moleculares e de mecanismos de reação, além de permitir, através das medidas de radioatividade, a determinação da eficiência das diversas etapas de um processo químico.

c) Química De Processos

   Com o início da indústria nuclear, em meados de 1930-40, a química de processos sofreu um avanço significativo: a necessidade de obtenção de elementos com elevadas especificações de purezas para utilização nos reatores nucleares, seja na composição do elemento combustível, seja na constituição de outros componentes do sistema, como os materiais estruturais (ligas de zircônico isentos de háfnio), ou os materiais absorvedores de nêutrons (usados como moderadores). Além do nível de pureza, um dos fatores que levou à reavaliação das técnicas convencionais de separação química foi a necessidade de produção em grande escala, onde passou a ser importante o compromisso entre economia e eficiência. Mudou, portanto, a concepção de técnica adequada à produção.

   Sob o ponto de vista de produção comercial, ganharam relevância as técnicas de separação com possibidades de operação em regime contínuo, em sistemas multiestágio, isto é, que permitiam realizar, simultaneamente, uma série de operações unitárias repetitivas. Nesse sentido, além da técnica de cromatografia de troca iônica, que permite operações em multiestágio, mas é fundamentalmente uma técnica descontínua, a extração com solventes ampliou fortemente seu campo de aplicação, estendendo-se da área analítica para a área de metalurgia extrativa. Foi, sem dúvida, a implantação da indústria nuclear o agente responsável pelo grande desenvolvimento apresentado pela denominada Química de Processos.

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3) Física

   O uso de partículas provenientes de reações nucleares envolve atividades de pesquisa como a espectrometria gama, interações hiperfinas eletromagnéticas, reações nucleares, difratometria de nêutrons, detectores de nêutrons e dosimetria e radiografia com nêutrons, dentre outras. Constitui uma das ferramentas fundamentais para o estudo da estrutura atômica, como foi exemplificado por Rutherford, em seu estudo de determinação das dimensões do núcleo atômico.

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4) Energia Nuclear - Medicina

a) Radiodiagnose

   Um enorme campo de aplicação de isótopos radioativos reside no tratamento de várias moléstias. O iodo, por exemplo, é absorvido principalmente pela tireóide. Assim, se um indivíduo ingerir um isótopo radioativo de iodo, o iodo 131, cuja meia vida é de 8 dias, sua tireóide fará a absorção. O registro das radiações desse isótopo fornecerá um “mapa” da glândula, informações sobre o seu volume e eventual anormalidade.

   A técnica é a mesma para diversos casos; o isótopo é que varia, segundo o objetivo da aplicação. No caso de anemia por não absorção de vitaminas, o paciente passa a ingeri-las “marcadas” com isótopos radioativos, que acompanham os átomos estáveis. A distribuição da substância no organismo é controlada por um cintilador, que fornece dados úteis para orientar o tratamento e a alimentação do paciente.

   Todas as aplicações de isótopos radioativos, entretanto, obedecem a uma regra geral: o uso em pequenas doses, e de preferência os elementos com meia-vida curta, para evitar excessiva exposição do paciente às radiações.

b) Radioterapia

   A radioterapia consiste em expor órgãos ou tecidos doentes aos efeitos dos raios gama. De início, usava-se o próprio rádio, que tem sido substituido vantajosamente pelo isótopo radioativo do cobalto (cobalto 60) de mais fácil obtenção e de custo inferior. Daí o nome de cobaltoterapia. Uma cápsula desse elemento radioativo, com mais de 1kCi, é blindada com 1 tonelada de chumbo.

   A cobaltoterapia é usada para destruir tecidos doentes, como os cânceres, que ameaçam espalhar-se pelo organismo. Outro emprego é a irradiação prévia para enxertos de órgãos ou tecidos.

   A radiografia, ou fotografia de órgãos internos com raios X, está aos poucos sendo substituida pela gamagrafia, em que se utiliza uma fonte de raios gama, análoga à da cobaltoterapia. A vantagem consiste na eliminação do complicado aparelhamento elétrico produtor dos raios X. A prática aconselha dispor de vários elementos, cada um com intensidade e energia diversas. Assim se usarão baixas energias para as radiografias dentária ou das mãos, e energias mais altas para tórax ou cabeça.

   A medicina utiliza a radiação para destruir células nos tumores cancerosos. Seus métodos devem muito de seu atual aperfeiçoamento à utilização de isótopos, entre os quais o cobalto 60, o iodo 131, o fósforo 32. Outras aplicações biológicas importantes são a indução de mutações genéticas.

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5) Aplicações na Indústria

   A capacidade da radiação provocar reações químicas despertou um enorme interesse comercial e, hoje, a utilização de fontes intensas de radiação se apresenta como uma tecnologia de vanguarda, que abre campo para o estabelecimento de novos processos e para a fabricação de novos produtos. O comércio mundial de produtos irradiados está estimado em mais de dois bilhões de dólares por ano, e continua crescendo a uma taxa anual de 15 a 20%. As principais vantagens da utilização da radiação em processos industriais são:

a) a velocidade de reação independe da temperatura;

b) possibilita a formação de espécies reativas de um modo homogêneo em substâncias sólidas, líquidas e gasosas;

c) permite um controle fácil tanto da velocidade da reação como também da qualidade do produto. Variando-se a taxa de dose pode-se controlar a velocidade da reação radioinduzida. No caso de feixe de elétrons, a taxa de dose e a faixa de penetração são bem controladas pela variação da corrente do feixe e da voltagem;

d) a reação química induzida pela radiação ocorre sem adição de catalisadores, gerando, portanto, um produto bem puro.

   Durante os últimos 30 anos, pesquisas aplicadas intensas no campo da química da radiação, foram desenvolvidas em vários países, incluindo Estados Unidos, Inglaterra, União Soviética, Alemanha, França e Japão. Essas atividades de pesquisa e desenvolvimento resultaram em várias aplicações industriais de processos de irradiação nos campos de esterilização de produtos médicos, polimerização, modificação de polímeros e irradiação de alimentos.

A inativação de microorganismos pela radiação é ocasionada, em parte, pela ação da colisão direta da radiação com regiões sensíveis da célula e, parcialmente, pela ação indireta, via formação de radicais químicos altamente ativos, produzidos no líquido da célula pela radiação. No caso da ação direta, pode-se assumir que a radiação, por exemplo, ioniza uma parte da molécula de DNA, uma enzima ou qualquer outro componente vital da célula, resultando na sua destruição ou na inibição da sua reprodução.

 Os produtos de uso médico como seringas, agulhas, fio de suturas, tubos, luvas cirúrgicas, etc., já estão sendo mundialmente esterilizados pela radiação e a dose requerida está em torno de 30 kGy. Drogas farmacêuticas como vitaminas, antibióticos, etc., já estão sendo radioesterilizados com uma dose de cerca de 20 kGy, sem perder suas potencialidades.

Os monômeros que polimerizam por reações de adição podem ser polimerizados pela radiação, o mesmo acontecendo com os oligômeros ou polímeros de cadeia pequena.
    Existem várias aplicações da radiopolimerização já implantadas comercialmente, entre as quais temos a cura de resinas para revestimento de madeira, aglomerados, metais, mármores e materiais compostos. Como a radiação possibilita a iniciação da reação de polimerização a temperaturas muito baixas, ela é muito utilizada na imobilização de substâncias termossensíveis como enzimas e drogas farmacêuticas em matrizes poliméricas.
    A polimerização induzida pela radiação está crescendo rapidamente no campo de obtenção de biopolímeros. A ausência de catalisadores químicos durante a reação permite a formação de um produto bem puro.
    Os efeitos da radiação em polímeros incluem a formação de produtos gasosos, a quebra de duplas ligações existentes nos polímeros e a produção de novas ligações químicas. De uma maneira geral, as reações que causam maior alteração nas propriedades físico-químicas e mecânicas de um polímero são: reticulação, copolimerização e degradação. Processos de irradiação tem sido desenvolvidos para beneficiamento de gemas para indução de coloração, especialmente no caso de topázio e turmalinas, o que tem propiciado um aumento significativo no valor dessas pedras. A radiografia com raios gama (gamagrafia) pode medir espessuras e densidades e é também empregada na medida e no controle de corrosão. Oleodutos, gasodutos e outros tubos condutores tem suas soldas verificadas por fontes de radiação gama colocadas por dentro de tubo, enquanto se põem do lado de fora as chapas fotográficas.

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6) Aplicações Nucleares na Agricultura

Inúmeras e crescentes são as aplicações que a energia nuclear vem encontrado nesta área, podendo ser mencionadas:

a) Irradiação de Alimentos
 
    Os alimentos em geral contém alguns componentes chaves, os quais, embora presentes em concentrações muito baixas, regulam o seu sabor, o seu aspecto e o seu valor nutritivo. Esses componentes são muito lábeis sob irradiação e, se a dose de radiação for alta, pode causar transformações prejudiciais no sabor, no odor e na cor desses alimentos.
    Alimentos como feijão, arroz, trigo, cana de açúcar, mamão, laranja e produtos agrícolas secos antes de serem armazenados como cereais (grãos, flocos de milho, farinhas) ficam, após irradiação, em perfeito estado de conservação durante anos.
 
 b) Inibição da Germinação
 
    O aparecimento do broto nos tubérculos e outras raízes nutritivas após um determinado período de armazenagem é um fator importante na deterioração desses alimentos e causa grandes prejuízos.
    Doses baixas de radiação, de 50 Gy a 100 Gy, são suficientes para inibir definitivamente a germinação possibilitando prolongar o período de armazenagem desses produtos, sem perda do peso e da qualidade, dispensando o uso de inibidores químicos.
    Irradiando sementes, é possível, ainda, criar variedades de plantas, capazes de produzir mais, num período de tempo mais curto, além de serem mais resistentes às doenças. É o caso, por exemplo, das sementes de feijão, arroz, trigo e mamão.
 
 c) Desinfestação
 
    Esse termo aqui é utilizado, para designar o processo de controle de insetos e parasitas, que podem infestar os alimentos. A radiação aplicada em doses baixas, cerca de 30 Gy a 200 Gy, é capaz de controlar a população de insetos num material a granel, não só causando a morte ou inibindo a reprodução dos insetos adultos como também impedindo que larvas e ovos completem o seu ciclo. Utiliza-se esta técnica para preservação de frutas, grãos, farinhas, legumes, etc.
 
    Aplicação de pequenas doses de radiação gama nos alimentos, para evitar a proliferação das larvas dos insetos, objetivando aumentar o tempo de conservação dos alimentos, melhorando inclusive a qualidade dos produtos de exportação.
 
  d) Cinética de Absorção das Plantas
 
    O uso de elementos radioativos como traçadores, permite, através da medida da radioatividade, levantar dados da cinética e dos mecanismos de absorção dos nutrientes, ou mesmo acompanhar a saúde de algumas plantas de maior porte.
 
 e) Pasteurização
 
    O período em que um alimento permanece apto para o consumo, é afetado sensivelmente pelo controle inicial de bactérias e fungos (incluindo mofos e levedos) presentes.
 
    A redução da população de agentes corruptores se faz normalmente com a pasteurização térmica seguida em geral, pela conservação sob refrigeração. A maioria dos alimentos frescos, porém, não pode ser submetida à pasteurização térmica, porque perderiam a condição de frescura.
 
    A utilização de doses médias de radiação, em torno de 4.000 Gy pode prolongar o período de vida de carne, pescados, mariscos, aves, etc.

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7) Bombas Nucleares
 
    O nome energia nuclear é mais comumente associado a bombas e reatores atômicos, onde são desprendidas enormes quantidades de energia por meio de reações nucleares. Além de sua utilização como instrumento bélico, da qual são exemplos inesquecíveis o bombardeamento das cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki em 1945, as explosões nucleares encontram aplicação também como instrumento de pesquisa para numerosas aplicações pacíficas. Essas possibilidades foram testadas em escavações de canais, embora ainda, ao ver destes autores, seja muito discutível a relação custo/benefício com relação aos efeitos das radiações no homem e na natureza.
 
 
 8) Energia Nuclear Para A Navegação
 
    O desenvolvimento dos reatores nucleares oferecem novas e variadas aplicações no uso da energia nuclear, particularmente sob o ponto de vista de formas de propulsão, como é o caso de navios mercantes, submarinos e quebra-gelos, entre outros. A grande vantagem reside na não exigência de grandes quantidades de combustível, como ocorre com os navios movidos a carvão ou óleo diesel.

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9) Determinação Da Idade De Materiais

   A radioatividade encontra atualmente grande número de aplicações: um isótopo do carbono - o carbono 14 - é usado para calcular a idade dos mais diversos materiais, encontrando aplicações clássicas para fósseis, obras de arte, sítios arqueológicos de um modo geral.

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