Protección contra Radiaciones. 02. Protección contra radiaciones ionizantes. Apéndice II – B

CAPITULO II

PROTECCIÓN CONTRA RADIACIONES IONIZANTES

Ing. César F. Arias

APENDICE II – B

Desde el año 1950 en que se crea la Comisión Nacional de Energía Atómica las Fuentes de Radiaciones Ionizantes se encuentran registradas y autorizadas por los respectivos organismos reguladores.

FUENTES DE RADIACION IONIZANTES EN ARGENTINA

Con autorización o licencia de la Autoridad Regulatoria Nuclear  (22) en el país existen:  

2   Reactores Nucleares de Potencia y uno en Construcción
6   Reactores de investigación y Conjuntos Críticos
1541   Instalaciones para el uso de material radiactivo y aceleradores según el siguiente detalle:

138   Centros de Tratamiento Médico con Fuentes Radiactivas selladas
48   Centros de Tratamiento Médico con Aceleradores de Partículas
284   Centros de Medicina Nuclear – Diagnóstico y Tratamiento con fuentes abiertas
338   Laboratorios de Radioinmunoanálisis  (RIA)
336   Centros de Investigación y Docencia
58   Centros de Radiografía Industrial
281   Empresas con Fuentes de uso Industrial
48   Laboratorios y Plantas de CNEA

Con autorización o licencia de las Autoridades Nacional y Provinciales de Salud unos 25.000 equipos de rayos x para diagnóstico y tratamiento médico.

Categorización de las fuentes por nivel de riesgo

En condiciones normales de operación toda fuente de radiación es utilizada de modo que la exposición a radiaciones de las personas se encuentra controlada y por debajo de valores preestablecidos. Sin embargo, las fuentes de radiación pueden quedar fuera de control por diversas causas, no justificables pero no descartables, (fallas humanas o de equipos, negligencia, acción delictiva). En tales circunstancias las personas pueden resultar expuestas a niveles altos de radiación como registra la historia de los accidentes ocurridos, muchos de ellos con consecuencias mortales.  No todas las fuentes son igualmente peligrosas en tal sentido.  El grado de  riesgo depende de la combinación de varios factores característicos de las fuentes y sus aplicaciones tales como:

Fuente desactivable (equipos de rayos x)  o  no desactivable (fuentes radiactivas)
Actividad de la fuente
Fuente abierta o sellada
Tiempo de semidesintegración
Fuente fija o móvil
Generación de Residuos
Generación de Efluentes

La Agencia Internacional de Energía Atómica, atendiendo a las potenciales situaciones de exposición anormal de las personas, ha clasificado las fuentes y sus aplicaciones en tres categorías de riesgo (mayor a menor):

Categoría I

Reactores Nucleares
Plantas de Irradiación
Aceleradores de Partículas de usos no Médicos
Plantas de Producción de Radioisótopos
Plantas de Gestión de Residuos Radiactivos
Instalaciones Minero Fabriles que incluyen el área de disposición de residuos radiactivos

Categoría  II

Aceleradores de uso Médico
Instalaciones de Radioterapia (Teleterapia y Braquiterapia)
Instalaciones de Medicina Nuclear
Equipos de Radiografía Industrial
Medidores Industriales
Instalaciones Minero Fabriles que no incluyen disposición de residuos radiactivos

Categoría III

Radio Inmuno Análisis
Uso de fuentes radiactivas de muy baja actividad en investigación o docencia.
Seguidamente se resumen las principales características de algunas aplicaciones de las fuentes de radiación ionizante.

B.1 –  APLICACIONES MEDICAS

Las aplicaciones médicas constituyen el uso mas difundido de las fuentes de radiación en todos los países y la causa de mayor exposición de carácter artificial a Radiaciones Ionizantes de la población mundial.

Las actividades laborales que, en el campo médico, implican exposición a Radiaciones Ionizantes son las que cumplen los Médicos, los Físicos Médicos y el personal técnico y de enfermería. Estas personas están especializadas en la aplicación de diversas técnicas de diagnóstico y tratamiento con fuentes de radiación. Todo empleado que por sus tareas tenga acceso a zonas controladas o adyacentes puede también resultar expuesto. Debe considerarse asimismo la exposición ocupacional de las personas que trabajan en la fabricación de equipos y fuentes, su calibración y mantenimiento.

Las fuentes de radiación ionizante se utilizan en Medicina con fines diagnósticos o terapéuticos según el siguiente detalle:

Diagnóstico: se emplean Fuentes Radiactivas Abiertas en técnicas de Medicina Nuclear y Equipos de Rayos x en  técnicas de Diagnóstico Radiológico.

Terapia:  se utilizan diversas técnicas y fuentes:

Teleterapia:  tratamiento de tejidos con fuentes de radiación ubicadas a cierta distancia
Se emplean fuentes radiactivas selladas, aceleradores de partículas y equipos de rayos x.

Braquiterapia:  tratamiento de tejidos con fuentes selladas colocadas en cavidades naturales del cuerpo.

Terapia Metabólica: Tratamiento de tejidos mediante fuentes abiertas que se incorporan al paciente por ingestión o inoculación y son metabolizadas.

B.1.a – FUENTES RADIACTIVAS DE USO MEDICO

Se reseñan a continuación las principales aplicaciones de radioisótopos en el campo médico.

FUENTES RADIACTIVAS ABIERTAS  (MEDICINA NUCLEAR)

En Medicina Nuclear se emplean fuentes abiertas con radioisótopos de corto tiempo de semidesintegración que se administran por inoculación u oralmente al paciente con fines de diagnóstico o tratamiento. En la protección de los trabajadores debe considerarse tanto situaciones de exposición externa como de incorporación de radionucleidos.

Diagnóstico

Se administra al paciente radioisótopos bajo formas químicas apropiadas. Los procesos metabólicos  dan lugar a una concentración preferencial de los radioisótopos en los órganos cuyo estudio interesa. La radiación proveniente de un órgano dado contribuye a formar imágenes estáticas o dinámicas según el propósito del estudio. A tal fin se emplean Cámaras Gamma y Sistemas Tomográficos como los SPECT (Tomografía Computada por Emisión Simple de Fotones) y PET (Tomografía por Emisión de Positrones).

TERAPIA METABOLICA

Se administra al paciente compuestos químicos que contienen radioisótopos emisores beta o beta – gamma. La adecuada selección del radioisótopo y la forma química con que se incorpora al paciente posibilita una acción terapéutica localizada en los tejidos a tratar.

FUENTES RADIACTIVAS SELLADAS

En aplicaciones terapéuticas de irradiación externa se pueden utilizar fuentes selladas y aceleradores de partículas. En la protección de los trabajadores deben considerarse situaciones de exposición externa. 

TELETERAPIA

Las fuentes radiactivas selladas, emisoras de radiación gamma, se ubican a cierta distancia de los tejidos del paciente que deben irradiarse con fines terapéuticos.

Las fuentes radiactivas selladas están contenidas en equipos de irradiación diseñados para  irradiar al paciente desde distancias predeterminadas mediante haces de radiación con aberturas angulares apropiadas (colimación), y según diferentes direcciones o en procedimientos rotativos. Las fuentes y todos los componentes del equipo que contribuyen a determinar la dosis en el paciente deben estar calibrados con alta precisión dado que pequeñas desviaciones de la dosis suministrada respecto de la prescripta pueden incidir muy significativamente en la eficacia del tratamiento.

BRAQUITERAPIA

Las fuentes radiactivas se colocan en el interior del cuerpo del paciente a través de las cavidades naturales del organismo. Se puede efectuar mediante implantes implantes temporarios de fuentes radiactivas con baja o alta tasa de dosis o mediante implantes permanentes.

Braquiterapia – Implante Temporario (pocos días) – Baja Tasa de Dosis

Braquiterapia – Implante Temporario (minutos) – Alta Tasa de Dosis

Implantes temporarios breves con fuentes de alta tasa de dosis mediante dispositivos de carga diferida por control remoto a través de guías previamente implantadas en el paciente.

Braquiterapia – Implante Permanente

B.1.b  –  EQUIPOS DE RAYOS X DE USO MEDICODIAGNOSTICO  RADIOLOGICO

Constituyen las fuentes de radiaciones ionizantes mas difundidas en todo el mundo. Se emplean para obtener imágenes estáticas y dinámicas. Se utilizan equipos de Rayos x con energías de hasta 150 kev. En la protección de los trabajadores debe considerarse situaciones de exposición externa.

Imágenes Estáticas
Se obtienen mediante placas radiográficas o sistemas digitales que registran la información contenida en un haz de rayos x que ha interactuado con los órganos de interés del paciente.

Imágenes  Dinámicas
Consiste en la observación y grabación de imágenes radiológicas. Se utilizan sistemas fluoroscópicos e intensificadores de imagen que, mediante dispositivos electrónicos  amplifican fuertemente la intensidad de la imagen y permiten su observación en monitores así como su grabación.

Radiología Intervencionista
Las  imágenes radiológicas pueden guiar con gran precisión al médico o al cirujano en ciertas intervenciones o procedimientos quirúrgicos, como por ejemplo la angiografía. En tales casos se puede observar en monitores el progreso del procedimiento. Estas técnicas reciben el nombre de radiología intervencionista.  Es un caso de particular interés en Protección Radiológica  por la alta exposición a radiaciones de los médicos, personal auxiliar y pacientes.

RADIOTERAPIA

En Radioterapia los equipos de rayos x se emplean para tratamientos superficiales en general con energías inferiores a 100 kev.

B.1.c  –  ACELERADORES DE PARTICULAS DE USO MEDICO

Los Aceleradores Lineales de Electrones han tenido una utilización creciente en aplicaciones radioterapéuticas y han reemplazado en parte a los irradiadores de cobalto. Permiten la irradiación de tumores tanto con electrones como con rayos x, dado que si se hace incidir el haz de electrones sobre un blanco se producen rayos x de alta energía. Las energías empleadas están en un rango de 4 a 30 Mev.

En algunas instalaciones de medicina nuclear se emplean técnicas de Tomografía por Emisión de Positrones (PET). A efectos de obtener radioisótopos emisores de positrones debe contarse con un tipo de acelerador denominado Ciclotrón. En estos aceleradores se logra acelerar protones y provocar su interactuacción con un blanco, lo que da lugar a reacciones nucleares en las se originan radioisótopos emisores de positrones de muy pequeño período de semidesintegración.

B.2 – APLICACIONES INDUSTRIALES

Son múltiples las aplicaciones en el campo industrial de las fuentes de radiación, mayormente  de fuentes radiactivas selladas. Las personas ocupacionalmente expuestas a radiaciones son los trabajadores que operan las fuentes, los ayudantes y el personal no directamente involucrado que pueda encontrarse en su proximidad. Debe considerarse igualmente el personal que se desempeña en la construcción de equipos y fuentes, su calibración y mantenimiento.

B.2.a – FUENTES  RADIACTIVAS SELLADAS Y EQUIPOS DE RAYOS X DE USO INDUSTRIAL

Radiografía Industrial:
 
Consiste en el empleo de fuentes radiactivas selladas emisoras de radiación Gamma y en menor escala equipos de rayos x  con el propósito de obtener radiografías de materiales y estructuras. Se emplean fuentes radiactivas con actividades de hasta 4 TBq.

La fuente está alojada en un contenedor blindado transportable. Una vez en el lugar donde deben efectuarse radiografías se conecta un tubo flexible al contenedor (tubo guía) cuyo otro extremo se ubica en la posición en que deberá estar la fuente radiactiva para el proceso de radiografiado. Mediante un telecomando mecánico se desplaza la fuente por el tubo hasta el extremo del mismo. Allí permanece durante el tiempo de radiografiado. Una vez concluido, se hace retroceder la fuente hasta que se aloja nuevamente en el contenedor.

Las operaciones de radiografía industrial no se realizan en instalaciones fijas y los contenedores con las fuentes radiactivas son trasportadas por todo el territorio. Por otra parte el proceso de radiografiado  tiene una alta dependencia de las actitudes humanas (el operador del equipo) y por estas razones la probabilidad de ocurrencia de accidentes es elevada. La actividad de estas fuentes es lo suficientemente alta como para provocar efectos determinísticos, incluyendo la muerte, en casos de exposición accidental. Se han registrado accidentes graves, algunos mortales, en el mundo con fuentes de radiografía industrial.

También se utilizan equipos de rayos x en radiografía industrial toda vez que se requiere información de estructuras delgadas de menor densidad como es el caso de la industria aeronáutica.

Mediciones diversas en Actividades Industriales

La interacción de radiación ionizante con materiales y la posterior medición del haz de radiación atenuado o disperso por los mismos permiten obtener información valiosa para ciertos procesos industriales. Es posible determinar características tales como el espesor, o la densidad de un material, o la presencia de ciertas sustancias como agua o hidrocarburos, el flujo de una sustancia o el nivel de líquidos en contenedores. Se emplean fuentes radiactivas Beta o Gamma y fuentes combinadas emisoras de neutrones con actividades entre 40 y 400 GBq. En muchas aplicaciones las fuentes están en una posición fija monitoreando un proceso industrial. En otros casos, como en la industria petrolífera las fuentes son móviles.

Los trabajadores están expuestos a irradiación externa. Las consecuencias de posibles accidentes con estas fuentes son algo menos severas que en el caso de radiografía industrial debido a que los valores de actividad de las fuentes son menores, pero no deben  ser subestimadas.

Plantas de Irradiación

Las plantas de irradiación se diseñan para posibilitar la exposición de materiales a campos intensos de radiación. Constituye una práctica que se emplea para la esterilización de productos médicos, la preservación de alimentos, el tratamiento de residuos o efluentes con elevada carga orgánica o microbiológica, control de plagas o para provocar ciertas modificaciones en propiedades fisicoquímicas de los materiales.

Los altos niveles de exposición se logran empleando fuentes radiactivas selladas de muy alta actividad (hasta 40 PBq), o aceleradores de partículas. Esta característica requiere estructuras fuertemente blindadas (2 m de espesor o más). Los materiales a irradiar se desplazan en contenedores de modo automático por el interior de los recintos en que se encuentran las fuentes. Debe lograrse que el acceso de personas a dichos recintos resulte imposible durante los períodos de irradiación, pues la permanencia en ellos por unos pocos minutos conlleva un riesgo de muerte que puede ser muy elevado. En este tipo de instalaciones los sistemas de seguridad diseñados para impedir el acceso de personas desempeñan una función esencial.

Radioisótopos de uso Industrial mas frecuentes

El siguiente cuadro resume las principales aplicaciones y características de las fuentes radiactivas que se emplean en la industria.

B.2.b – FUENTES RADIACTIVAS ABIERTAS

Aplicaciones Hidráulicas de Trazadores Radiactivos

Se emplean fuentes radiactivas abiertas como trazadores en determinaciones hidráulicas tales como: Medición de caudales, Investigación de conexiones hidráulicas, Hidrología subterránea, Detección de Fugas. En la tabla siguiente se mencionan algunos radioisótopos típicos. Las actividades están por debajo de 40 GBq. 

ENERGÍA NUCLEAR  –  CICLO DEL COMBUSTIBLE
           
El conjunto de actividades y procesos necesarios para obtener energía a partir de la fisión de material nuclear configuran lo que se denomina Ciclo del Combustible Nuclear.  Comprende las etapas de Minería, Concentración y Conversión del mineral, Enriquecimiento, Fabricación de Combustible, Producción de Energía, Gestión de Combustible Usado, Reprocesamiento, Disposición de Residuos. Algunas etapas son opcionales. El enriquecimiento no es necesario en los reactores que operan con uranio natural. El reprocesamiento puede no llevarse a cabo si no se desea recuperar el material aún valioso que existe en el combustible usado.

Los materiales de interés nuclear son el Uranio, en particular el U-235 por ser físionable y el Torio por ser un material fértil. (Cuando un núcleo de Th-232 captura un neutrón se transforma en U-233 que es físil y lo mismo ocurre cuando un núcleo de U-238 captura un neutrón para transformarse en Pu-239).

En ninguna de las etapas del ciclo las propiedades radiactivas de los materiales resultan de utilidad, sin embargo es necesario tener en cuenta la radiactividad de los materiales por razones de radioprotección. En las primeras etapas la radiactividad es de origen natural pero la actividad específica (actividad por unidad de masa) es mayor que la natural debido a los procesos de concentración del mineral. A partir de la producción de energía, los procesos de fisión y activación dan lugar a la generación artificial de sustancias radiactivas en cantidades muy significativas. Por ello, a partir de dicha etapa las medidas de protección y seguridad radiológica deben ser muy severas.

Minería

El Uranio es un metal ligeramente radiactivo que se puede encontrar en la corteza terrestre con una abundancia 500 veces superior al oro. En alguna áreas del planeta la concentración es lo suficientemente alta como para que su extracción sea económicamente redituable. La concentración de uranio varia entre 1.000 y 20.000 ppm (partes por millón) para los distintos minerales.  El Uranio natural tiene la siguiente composición:

                           U-238     99,284  %       T1/2 =   4.500 . 106   años
                           U-235       0,771  %       T1/2 =      704 . 106   años
                           U-234       0,005  %       T1/2 =          0,245 . 106   años     

La minería del Uranio puede practicarse  en yacimientos “a cielo abierto” o en minas subterráneas, dependiendo de la profundidad a que se encuentre el mineral. La proporción de U-235 que es el isótopo de mayor interés nuclear puede aumentarse artificialmente por sobre el valor natural mediante procesos de “enriquecimiento”. La actividad específica del Uranio puede tener diversos valores según la proporción de U-235:

            Uranio  Depletado          0,2     %          1,5 . 104  Bq / g
            Uranio  Natural              0,71   %          2,6 . 104  Bq / g
            Uranio  Enriquecido      4         %          8,9 . 104  Bq / g
            Uranio  Enriquecido     93        %          4,1 . 104  Bq / g

Concentración y Conversión

Esta etapa se cumple en lugares próximos a los yacimientos para evitar el traslado de grandes masas de mineral. Se concentra el uranio mediante procesos físicos y químicos y se obtiene una mezcla de óxidos de uranio conocido como “yellowcake” o torta amarilla (U3O8). Para mantener en operación un reactor nuclear de 1000 Mwe  generando electricidad durante un año se necesitan alrededor de 200 toneladas  de U3O8. El resto del mineral constituye la “colas” que deben ser aisladas del medio ambiente mediante facilidades apropiadas considerando su contenido radiactivo, en particular por la emisión de radón y sus propiedades tóxicas.

Enriquecimiento

El enriquecimiento permite disponer de uranio con una proporción mayor de U-235 (entre 1 y 90 %) para ser utilizado como combustible nuclear. Con concentraciones entre 3 y 5 % la generación de energía puede realizarse con reactores de menor tamaño y menor costo. Sin embargo, los reactores también pueden diseñarse para operar con uranio natural en cuyo caso no se requiere la etapa de enriquecimiento. Los reactores argentinos de potencia emplean uranio natural.  El grado de enriquecimiento suele clasificarse en Bajo (menor que  10 %),  Intermedio (entre 20 y 30  %)  y  Alto  (mayor al 20 %). En reactores navales y de investigación se utiliza uranio enriquecido hasta el 100 %.  Como subproducto del enriquecimiento se obtiene los que se denomina “uranio depletado” que consiste en uranio con una proporción de U-235 menor que la natural. Usualmente el uranio depletado contiene entre 0,2 y 0,4 % de U-235.

Fabricación de Elementos Combustibles

El UF6  no es apto para  ser utilizado como combustible. Se lo convierte químicamente a una forma más estable y resistente (UO2 es la forma más empleada). Debe asimismo ser encapsulado en formas que  satisfagan propiedades mecánicas. El polvo de UO2  es sinterizado a altas temperaturas (mas de 1400 °C) para producir pastillas  de UO2  Las pastillas se colocan en tubos metálicos para conformar un elemento combustible. Los elementos combustibles se ensamblan en racimos para formar los conjuntos combustibles. Las características de estos ensambles dependen del tipo de reactor en que se utilizan.

Generación de Energía

Los ensambles combustibles se disponen en el interior del núcleo del reactor de modo que resulten expuestos al flujo neutrónico. Los neutrones provocan la fisión de los núcleos y en estos procesos se liberan energía, productos de fisión y neutrones que sostienen la reacción en cadena. El núcleo de un reactor puede alojar varios cientos de ensambles de elementos  combustibles. Un reactor de 1000 MWe contiene en su núcleo unas 75 toneladas de uranio de bajo enriquecimiento y produce unos 7000 millones de kWh por año.

La energía liberada en las reacciones de fisión se manifiesta como calor en el núcleo del reactor. Mediante un circuito cerrado de refrigeración primario el calor es transferido a través de generadores de vapor a un circuito cerrado de refrigeración secundario. El vapor de agua impulsa turbinas conectadas a generadores de electricidad. El vapor pasa a la fase líquida en condensadores refrigerados por un tercer circuito en este caso abierto que utiliza agua de río, lago o mar.

Durante la operación de un reactor se genera material radiactivo. Los productos de fisión son radiactivos al igual que los elementos actínidos que se forman por incorporación de neutrones por parte de los núcleos pesados.  Tanto los productos de fisión como los actínidos  permanecen encapsulados en las vainas de los elementos combustibles, por lo que, de no producirse fugas, sólo pueden dar lugar a irradiación externa. Además, el flujo neutrónico da lugar a fenómenos de activación al irradiar elementos de la estructura del reactor, contaminando inclusive los fluidos. Por tal motivo, las personas que trabajan en el reactor, además de estar expuestas a irradiación externa, pueden también contaminarse internamente. Debido a estas causas, en las áreas controladas pueden existir campos de radiación intensos y niveles de contaminación significativos, aún cuando el reactor se encuentre fuera de operación.

Gestión de Combustible Irradiado

La acumulación de productos de fisión en los elementos combustibles da lugar a un incremento de la absorción de neutrones que no quedan entonces disponibles para las reacciones de fisión. Esto se conoce como “envenenamiento” del núcleo y disminuye la eficiencia del reactor y su potencia. Es por lo tanto necesario recambiar los elementos combustibles aún cuando conserven una cantidad considerable de material fisionable y por lo tanto valor energético. El combustible nuclear usado contiene aproximadamente:

 95 %    U-238
1    %    U-235%  
1   plutonio
1 %    productos de fisión y elementos actínidos, altamente radiactivos.

Como puede apreciarse, sólo un 3 % del combustible usado constituye un residuo (productos de fisión). El  96 % consiste en uranio original y alrededor del 1 % es plutonio. Vale decir, el combustible usado conserva un muy alto potencial energético.

El combustible usado es altamente radiactivo y constituye una fuente de calor. Tanto la radiactividad como el calor decaen con el tiempo.  Es conveniente permitir cierto grado de decaimiento en depósitos transitorios antes de proceder a la etapa siguiente:  el reprocesamiento o disposición final.

Cuando el combustible usado se retira del núcleo es inmediatamente transferido a piletas adyacentes al núcleo del reactor, donde pueden permanecer por largos períodos (años o décadas). Desde allí  puede ser transferido a otros depósitos transitorios.

Reprocesamiento

Durante el reprocesamiento el combustible usado se separa en tres partes: Uranio, Plutonio y lo que realmente es un residuo o sea Productos de Fisión y Actínidos. Mediante el reprocesamiento se recupera material fisionable y material fértil de gran valor energético y a la vez se disminuye el contenido radiactivo de lo que finalmente habrá de considerarse un residuo. Estos residuos sin embargo son altamente radiactivos y poseen tiempos de semidesintegración muy grandes, en particular los actínidos. La disposición final de los mismos debe contemplar tiempos de contención del orden de  miles de años.

Un procedimiento que puede contribuir a reducir los tiempos de decaimiento consiste en irradiar el residuo con neutrones obtenidos en reactores o aceleradores de partículas. De este modo pueden lograrse transmutaciones que transformen los materiales radiactivos en inertes. El principal objetivo lo constituyen los actínidos (Np. Pu, Am, Cm). En segundo lugar Tc, I, Ni, Zr , y en tercer lugar Cs y Sr. La trasmutación puede reducir los tiempos de contención en la disposición final de miles de años a cientos de años.

Los países que cuentan con facilidades para reprocesar son Francia, Estados Unidos, Reino Unido, India, Pakistán, China y Japón a escala piloto.

Disposición Final de Residuos

En todas las etapas del ciclo de combustible se generan residuos radiactivos de bajo nivel  (requieren tiempos de contención de decenas de años). Durante la operación de un reactor y en el reprocesamiento se generan residuos de nivel intermedio (requieren tiempos de contención de cientos de años). Lo que finalmente llega a constituir el residuo nuclear (el combustible usado sin reprocesar o el residuo del reprocesamiento) constituye un residuo de alto nivel y debe confinarse en repositorios apropiados a fin de impedir su liberación al medio a