Radioatividade Ambiental. Paulo Sergio Cardoso da Silva. Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

Transcrição

1 Radioatividade Ambiental Paulo Sergio Cardoso da Silva Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

2 nucleons

3 A ESTRUTURA DO NÚCLEO O número atômico (Z) corresponde ao número de prótons presentes no núcleo do átomo; por exemplo o alumínio (Al) possui em seu núcleo 13 prótons portanto seu número atômico (Z) é 13. O urânio possui 92 prótons e seu número atômico é 92.

4 OS ISÓTOPOS O número de nêutrons no núcleo pode ser variável, pois eles não têm carga elétrica. Com isso, um mesmo elemento químico pode ter massas diferentes. Átomos de um mesmo elemento químico com massas diferentes são denominados isótopos. O hidrogênio tem 3 isótopos: o hidrogênio, o deutério e o trítio. O urânio, que possui 92 prótons no núcleo, existe na natureza na forma de 3 isótopos: U-234, com 142 nêutrons (em quantidade desprezível); U-235, com 143 nêutrons (0,7%); U-238, com 146 nêutrons no núcleo (99,3%).

5 Um sistema de nucleons com existência suficientemente longa para que sua identificação seja possível é denominado de nuclídeo. Cada nuclídeo é representado por uma notação formada por um símbolo do elemento químico correspondente, seu número atômico Z e sua massa atômica A. Todos os nuclídeos podem ser representados em uma tabela, chamada de tabela de nuclídeos, que relaciona seus respectivos números atômicos e número de nêutrons.

6 Razão nêutron-próton - Núcleos acima/esquerda do cinturão de estabilidade (altas Razões nêutron-próton): núcleos ricos em nêutrons e tendem a emitir partículas β. - Núcleos com números atômicos 84: núcleos mais pesados que tendem a emitir partícula α - Núcleos abaixo do cinturão de estabilidade (baixas razões nêutron-próton) tendem a ser estáveis

7 Radioatividade elemento radioativo: um núcleo muito energético, por ter excesso de partículas ou de carga, tende a estabilizar-se, emitindo algumas partículas.

8 RADIAÇÃO ALFA OU PARTÍCULA ALFA Um dos processos de estabilização de um núcleo com excesso de energia é o da emissão de um grupo de partículas positivas, constituídas por dois prótons e dois nêutrons, e da energia a elas associada. São as radiações alfa ou partículas alfa.

9 RADIAÇÃO BETA OU PARTÍCULA BETA Outra forma de estabilização, quando existe no núcleo um excesso de nêutrons em relação a prótons, é através da emissão de uma partícula negativa, um elétron, resultante da conversão de um nêutron em um próton (beta menos). No caso de existir excesso de prótons, é emitida uma partícula beta positiva (beta mais ou pósitron), resultante da conversão de um próton em um nêutron.

10 RADIAÇÃO BETA OU PARTÍCULA BETA Outra forma de estabilização, quando existe no núcleo um excesso de nêutrons em relação a prótons, é através da emissão de uma partícula negativa, um elétron, resultante da conversão de um nêutron em um próton (beta menos). No caso de existir excesso de prótons, é emitida uma partícula beta positiva (beta mais ou pósitron), resultante da conversão de um próton em um nêutron.

11 RADIAÇÃO GAMA O decaimento γ é a emissão de radiação eletromagnética com freqüências muito elevadas, na porção do espectro eletromagnético correspondente aos raios γ, causada por um rearranjo dos prótons em um núcleo. Pode acontecer, por exemplo, quando um núcleo sofre decaimento α ou β, deixando o núcleo filho em um estado excitado. Este, então, ao passar ao estado fundamental, emite radiação γ. Um fóton γ tem massa (de repouso) nula e carga também nula, de modo que a emissão de um fóton γ por um núcleo não tem efeito sobre o seu número atômico nem sobre o seu número de massa.

12 Reações de Fissão Nuclear Na fissão do isótopo 235 do urânio, produz-se para cada nêutron empregado na irradiação mais três nêutrons com energia suficiente para induzir a reação com mais três isótopos de urânio-235 (com a formação de mais três nêutrons de cada isótopo de urânio, o que resulta em nove nêutrons). O processo se dá com uma progressão geométrica na geração de nêutrons. A reação nuclear é designada de reação em cadeia.

13

14 Meia-Vida (T½) Intervalo de tempo para que N 0 seja reduzido à metade. Relação entre T½ e : N = N 0. e - t N 0 /2 = N 0. e - T½ 0,5 = e - T½ 2 = e T½ ln 2 = ln e T½ 0,693 = T½ portanto: T½ = 0,693/

15 Unidades ATIVIDADE (A) que estabelece a razão da variação do número de eventos ionizantes na unidade de tempo e que é dada em: Curie (Ci) - unidade antiga Bequerel (Bq) - unidade SI Onde: 1 Ci = 3,7 x desintegrações/segundo - dps 1 Bq = 1 desintegração/segundo - dps DOSE ABSORVIDA (rad) - grandeza medida pelo quociente da energia transferida pela radiação ionizante em um elemento de volume pela matéria contida neste volume e que é dada em: rad (rad) - unidade antiga Gray (Gy) - unidade SI Onde: 1 rad = 1x10-2 J/kg 1 Gy = 1 J/kg (1 Gy = 100 rad) EQUIVALENTE DE DOSE (rem) - quantidade de qualquer radiação que, absorvida pelo homem, produz o mesmo efeito que a absorção de 1r de raios X ou radiação gama e que é dada em: rem (rem) - unidade antiga Sievert (Sv) - unidade SI Onde: 1 rem = 1x10-2 J/kg 1 Sv = 1 J/kg (1 Sv = 100 rem)

16 Séries Radioativas Existe um grande número de núcleos com Z > 80, assim como alguns núcleos com Z pequeno, como o núcleo de carbono 14 e o núcleo de potássio 40, que são naturalmente radioativos. Além disso, existe um número muito maior de núcleos radioativos artificiais, produzidos em reatores e aceleradores de partículas. Quando um núcleo radioativo decai, o núcleo filho no estado fundamental pode ser, ele também, radioativo, e decair para formar outro núcleo radioativo e assim por diante. Esse processo pode se prolongar por vários estágios, formando uma série de gerações de núcleos relacionados um ao próximo da série como pai para filho.

17

18

19

20 Radionuclídeos isolados que ocorrem naturalmente

21 Principais Radionuclídeos Cosmogênicos

22

23

24

25

26 Radioatividade Ambiental O homem e seu meio ambiente sempre estiveram sujeitos à radiação ionizante, sendo continuamente expostos à radiação proveniente do espaço (radiação cósmica), dos radionuclídeos presentes no solo (radiação terrestre ou radionuclídeos primordiais) ou em alimentos, água e ar por ele consumido. A liberação de materiais radioativos, decorrente de atividades antropogênicas, como utilização de reatores nucleares e testes de explosões nucleares, pode eventualmente contribuir elevando os níveis de radioatividade no meio ambiente e aumentando a dose de radiação dos indivíduos expostos, atingindo valores que podem ser considerados significativos.

27 Dose individual média anual decorrente de fontes naturais e artificiais

28 Dose individual média anual decorrente de fontes naturais

29 Radiação cósmica e radionuclídeos cosmogênicos As zonas polares maior fluxo de partículas de origem cósmica do que as zonas equatoriais. A exposição aumenta também com a altitude acima do nível do mar.

30

31 Radiação terrestre A radiação terrestre pode ser encontrada em todo o meio ambiente em vários níveis, dependendo da concentração da atividade presente nas rochas, solos, água, alimentos e mesmo no corpo humano. Aproximadamente 95% da população 0,3 e 0,6 msv/ano. Aproximadamente 3% da população 1mSv/ano 1,5% acima de 1,4 msv/ano Morro do Ferro, Poços de Caldas, Minas Gerais, Este lugar não é habitado. Guarapari,Espírito Santo, praias cujas areias são ricas em tório. Casas da região 250 msv/ano 175 msv/ano 8 a 15 msv/ano Costa sudoeste da Índia, (8.513 pessoas) 3,8 msv/ano (500 pessoas) mais de 8,7 msv/ano (60 pessoas) mais de 17 msv/ano (50 vezes a dose média devida à radiação terrestre).

32 Níveis de exposição à radiação gama terrestre em diversas localidades Localização Taxa de exposição (mr/ano) Clallam Bay, Washington 24 Típica para EUA 60 Denver, Colorado 114 Localidades atipicamente altas Kerala, Índia Floresta Negra, Alemanha Cidade Central, Colorado Guarapari, Brasil União Soviética

33 Aproximadamente 2/3 da dose equivalente efetiva recebida pelo homem decorrente das fontes naturais de radiação terrestre são provenientes de substâncias radioativas que se encontram no solo, ar, nos alimentos e água. Uma pequena fração desta dose é proveniente de radionuclídeos tais como 14 C e 3 H, pela radiação cósmica. O restante é decorrente das fontes naturais terrestres. O homem recebe, em média, 180 µsv/ano de 40 K. O K é um elemento essencial para o seu organismo. No entanto, a maior parte da dose provém dos radionuclídeos das séries naturais do 238 U e 232 Th

34 Trajetória dos radionuclídeos primordiais nos vários compartimentos do ecossistema

35 Dose efetiva devido à ingestão de radionuclídeos das séries do U e Th, μsv

36 Radionuclídeos naturais em alimento e água em Bk/kg

37 210 Pb e 210 Po, são introduzidos no organismo com os alimentos, especialmente peixes e mariscos que concentram estes elementos. Os habitantes que vivem no extremo setentrional do hemisfério norte alimentam-se basicamente de carne de rena. A carne deste animal contém concentrações elevadas dos radionuclídeos mencionados, em particular o 210 Po. Este fato ocorre porque durante o inverno as renas alimentam-se de liquens, que acumulam de forma significativa o 210 Po. Essas pessoas recebem doses 35 vezes superiores aos valores normais. No outro extremo do mundo, no oeste da Austrália, que é uma região rica em urânio, as pessoas recebem doses 75 vezes superiores aos valores normais em virtude do fato de consumirem carne de ovinos e cangurus.

38

39 Radioatividade natural em nosso corpo Nuclídeo Massa total de nuclídeo em nosso corpo Atividade total Ingestão diária Uranio 90 µg 30 pci (1,1 Bq) 1,9 µg Torio 30 µg 3 pci (0,11 Bq) 3 µg Potássio mg 120 nci (4,4 kbq) 0,39 mg Radio 31 pg 30 pci (1,1 Bq) 2,3 pg Carbon µg 0,4 µci (15 kbq) 1,8 µg Trítio 0,06 pg 0,6 nci (23 Bq) 0,003 pg Polônio 0,2 pg 1 nci (37 Bq) ~0,6 µg ICRP 30

40 Radioatividade natural em solos e rochas Nuclídeo Meia-vida Atividade Natural 235 U 7,04 x 10 8 yr 0,72% do urânio natural 238 U 4,47 x 10 9 yr 232 Th 1,41 x yr 226 Ra 1,60 x 10 3 yr 99,27% do urânio natural; 0,5 a 4,7 ppm do urânio total nos tipos mais comuns de rochas. 1,6 to 20 ppm nos tipos comuns de rochas e média da crosta de 10,7 ppm. 0,42 pci/g (16 Bq/kg) em calcários e 1,3 pci/g (48 Bq/kg) em rochas ígneas. 222 Rn 3,82 d Gás Nobre; média anual de concentrações no ar (US) de 0,016 pci/l (0,6 Bq/m 3 ) a 0,75 pci/l (28 Bq/m 3 )

41 Radônio O radônio é um gás inerte, inodoro e insípido, sete vezes mais pesado que o ar. A UNSCEAR estimou que o radônio e os seus produtos de decaimento contribuem com cerca de 3/4 da dose efetiva anual recebida pelo homem decorrente das fontes terrestres e com aproximadamente metade da dose recebida em virtude de todas as fontes naturais. A maior contribuição é devida à inalação do radônio em ambientes fechados e posterior decaimento radioativo dentro do organismo. O radônio apresenta dois radionuclídeos principais, o 222 Rn, produto de decaimento do 238 U, e o 220 Rn, produto de decaimento do 232 Th. Embora o 222 Rn seja aproximadamente 20 vezes mais importante do que o 220 Rn, o termo genérico radônio é normalmente utilizado para ambas as formas, apesar da maior parte das doses serem causadas não tanto pelo gás mas principalmente pelos seus produtos de decaimento. Por ser um gás inerte, o radônio emana do solo em todas as direções. O grau de exposição ao radônio aumenta de forma significativa em ambientes fechados.

42

43

44

45

46

47

48 Radionuclídeos naturais cosmogênicos

49 Radioatividade Natural nos Oceanos Nuclídeo Atividade Pacifico Oceano Atlantico Todos os Oceanos Uranium (33 mbq/l) (22 EBq) (11 EBq) (41 EBq) Potassium 40 (11 Bq/L) (7400 EBq) (3300 EBq) (14000 EBq) Tritium (0,6 mbq/l) (370 PBq) (190 PBq) (740 PBq) Carbon 14 (5 mbq/l) (3 EBq) (1,5 EBq) (6,7 EBq) Rubidium 87 (1,1 Bq/L) (700 EBq) (330 EBq) (1300 EBq) The activities are from 1971 Radioactivity in the Marine Environment, National Academy of Sciences

50 Radionuclídeos naturais no solo em Bk/kg

51

52

53

54

55 Concentrações estimadas de urânio, tório e potássio em materiais de construção (NCRP 94, 1987) Urânio Tório Potássio Material ppm mbq/g (pci/g) ppm mbq/g (pci/g) ppm mbq/g (pci/g) Granito 4,7 63 (1,7) 2 8 (0,22) 4, (32) Areia 0,45 6 (0,2) 1,7 7 (0,19) 1,4 414 (11,2) Cimento 3,4 46 (1,2) 5,1 21 (0,57) 0,8 237 (6,4) Calcário p/ concreto 2,3 31 (0,8) 2,1 8,5 (0,23) 0,3 89 (2,4) Areia p/ concreto 0,8 11 (0,3) 2,1 8,5 (0,23) 1,3 385 (10,4) Dry wallboard 1,0 14 (0,4) 3 12 (0,32) 0,3 89 (2,4) Fosfogesso 13,7 186 (5,0) 16,1 66 (1,78) 0,02 5,9 (0,2) Gesso Natural 1,1 15 (0.4) 1,8 7,4 (0,2) 0,5 148 (4) Medeira , (90) Argila 8,2 111 (3) 10,8 44 (1,2) 2,3 666 (18)

56 Radioatividade Ambiental Aplicações

57

58

59

60

61

62

63

64 Determinação de Taxa de Sedimentação

65 Estudo das Razões Isotópicas 238 U/ 232 Th 226 Ra/ 228 Ra 234 U/ 238 U 228 Th/ 232 Th 234 Th/ 234 U 228 Ra/ 228 Th 226 Ra/ 238 U 210 Pb/ 226 Ra 210 Po/ 210 Pb Geoquímica Fracionamento, intemperismo, transporte Assinatura isotópica Processos magmáticos, sedimentares Ambiental Contaminação

66 Obrigado Paulo Sergio Cardoso da Silva