SEMINARIOS PARA PROFESIONALES DE LA ENSEÑANZA

APLICACIONES DE LOS ISOTOPOS

I.- INTRODUCCIÓN

2

II.- FUNDAMENTOS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

4

Disponibilidad de isótopos 4 Diagrama de la desintegración Aplicaciones de los trazadores radiactivos Aplicaciones de las fuentes radiactivas 12 Aplicaciones de los relojes radiactivos 16 Tecnología de las aplicaciones Normativa de las instalaciones radiactivas

7 10

18 21

III.- APLICACIONES REPRESENTATIVAS

22

1.

Investigación • El ciclo de la fotosíntesis 23 • Datación de objetos carbonosos 25 2. Medicina • Diagnosis tiroidea 27 • Tomografía cerebral • La bomba de cobalto 3. Industria • Medidores de control • Control de calidad por gammagrafía • Polimerización por la radiación 4. Agricultura • Mejora de cultivos por selección de mutantes 31 • Incremento de la producción pecuaria 32 • La técnica de los insectos estériles • Conservación de alimentos por irradiación 5. Minería 6. Medio Ambiente 36 • Abatimiento de contaminantes • Conservación del patrimonio histórico 37 IV.- RESUMEN Y CONCLUSIONES

1

39

22

25 27 27 29 29 30 30 31

33 34 35 36

I.- INTRODUCCIÓN “Las aplicaciones de los isótopos en la vida cotidiana” es un título ya clásico en materia de divulgación de las aplicaciones de las radiaciones ionizantes, que hace referencia a los “servicios” que nos prestan las radiaciones emitidas por los isótopos radiactivos en su desintegración. En efecto, estas radiaciones son utilizadas en la resolución de diversos problemas de nuestra

vida cotidiana, como el diagnóstico de enfermedades, el tratamiento de tumores, la esterilización de productos de “usar y tirar”, la producción de plásticos especiales o, en un plano más teórico, la modelización del transporte de contaminantes, la datación de restos arqueológicos, etc.

La adquisición del conocimiento necesario para dar respuesta a éstas, y a otras cuestiones similares, es el objetivo que persigue la investigación en el ámbito de las ciencias de la Naturaleza, la cual ha dado un gigantesco salto hacia delante en el último medio siglo con el uso de los isótopos1 como trazadores radiactivos. En efecto, los isótopos no sólo permiten simular con perfecta identidad las sustancias químicas que intervienen en los fenómenos naturales, sino que, mediante las radiaciones que emiten, permiten cuantificar su evolución en las etapas que conforman el mecanismo representativo de los mismos. Los isótopos, por otro lado, cuando se confinan en cápsulas metálicas (o se inmovilizan en un medio material adecuado) pierden completamente su función trazadora y se convierten en fuentes radiactivas, que no son sino focos emisores de radiaciones ionizantes; o, dicho de modo más preciso, son focos emisores de las radiaciones capaces de atravesar las paredes de la cápsula, lo cual confiere gran ventaja a las fuentes que contienen isótopos emisores gamma, dada la facilidad con la que esta radiación atraviesa los materiales. Las fuentes radiactivas, de las cuales existen gran variedad -sobre todo de fuentes gamma-, tienen infinidad de aplicaciones técnicas basadas en las interacciones de las radiaciones con los medios materiales (transferencia de energía, atenuación de la intensidad de haces, excitación de radiaciones secundarias, etc.). Estas interacciones son el fundamento de muchas operaciones útiles, como la obtención de imágenes estructurales de cuerpos opacos (gammagrafía), la mejora de propiedades de materiales (reticulado e injerto de plásticos), el control en tiempo real de especificaciones de productos fabricados en serie (medidores de espesores, densidades, niveles, impurezas, etc.). Como puede verse, son muchas las aplicaciones de los isótopos, como fuentes radiactivas, que inciden también en las actividades de nuestra vida diaria. Conviene no perder de vista, sin embargo, que los isótopos radiactivos son sustancias perecederas, que hay que recrear periódicamente 1

A lo largo del texto emplearemos con frecuencia el término isótopo como elipsis de isótopo radiactivo.

2

(producción de isótopos), de acuerdo con las necesidades de los usuarios y la vida media de cada especie radiactiva; pues, en la práctica, cuando la intensidad de emisión de radiaciones de una fuente decrece por debajo de un cierto valor, las mediciones, que toda aplicación comporta, consumen demasiado tiempo y es preferible dar de baja las fuentes decaídas, como residuos radiactivos, y sustituirlas por otras nuevas. Lo mismo cabe decir, obviamente, de los trazadores radiactivos. De lo expuesto se infiere que los isótopos serán preparados, por los productores de estas sustancias, con dos presentaciones diferentes, según la clase de aplicaciones a que se destinen: • como reactivos radiactivos, cuando sean utilizados para trazar los sistemas materiales objeto de investigación; en este tipo de aplicaciones, los isótopos tienen que estar formando parte del trazador, entendido éste como la molécula que representa (molécula marcada) a la sustancia clave del proceso; en ciencia básica, la preparación del trazador puede ser una tarea de gran dificultad, que a veces tienen que realizar los propios investigadores utilizando precursores marcados; • como fuentes radiactivas encapsuladas, cuando lo que se pretende es sacar partido a las radiaciones que emiten los isótopos, bien porque nos proporcionen información sobre los sistemas materiales, como base para su control tecnológico; bien porque, la utilización masiva de las radiaciones (irradiación a altas dosis), modifique la estructura de enlaces químicos de los materiales y, con ello, sus propiedades; los contenidos isotópicos (actividad) de las fuentes requeridas en cada caso pueden variar dentro de una amplísima gama de valores, desde las que confinan cantidades del orden del microcurio2 (fuentes de calibración de instrumentos de medida), hasta las que acumulan millones de curios (conjuntos de fuentes de alta actividad específica de los irradiadores industriales). Finalmente, hay que tener presente que las radiaciones ionizantes no son un atributo exclusivo de los isótopos radiactivos, pues hay diversos tipos de aparatos que, mediante la utilización de campos eléctricos y magnéticos, generan radiaciones similares a las emitidas por las sustancias radiactivas; e, incluso, que amplían su campo de existencia -haces de electrones, de protones, etc.- o sus dotaciones energéticas. Estas radiaciones de sustitución -generadas por aparatos de rayos X, aceleradores de partículas, reactores nucleares, etc.ofrecen circunstancialmente ventajas operativas para conseguir el mismo objetivo que con las fuentes; tal es el caso de las aplicaciones radiográficas (que utilizan rayos X) frente a las gammagráficas (que utilizan fuentes gamma), para “ver” la estructura interna de construcciones metálicas o de objetos prefabricados. Aquí trataremos exclusivamente de las aplicaciones de las 2

Un microcurio ( 1 µCi) equivale a 3,7 x 104 bequerelios

3

radiaciones isotópicas y sólo nos referiremos a las de los aparatos generadores

cuando compitan ventajosamente.

En lo que sigue se desarrolla el índice de materias que figura al comienzo de esta lección, que tiene por objeto, en primer lugar, presentar los fundamentos de las aplicaciones y, en segundo lugar, dar paso a la descripción de las principales de ellas, encuadradas en los campos de la investigación, medicina, industria, etc., en los que su empleo ha alcanzado mayor difusión.

II.- FUNDAMENTOS Las aplicaciones requieren, como primera providencia, disponer de los isótopos necesarios, como trazadores o como fuentes, ya sea por producción propia o por adquisición en el mercado. Es de advertir que la producción propia, al amparo de pequeños reactores de investigación, en la que se hicieron grandes esfuerzos hace unas décadas, tiende a declinar en los países donde hay libre mercado, en beneficio de las grandes compañías internacionales especializadas en la producción de los trazadores y fuentes de mayor consumo. Solamente se tienen que producir en el país (e, incluso, en el propio centro donde se realice la aplicación) los isótopos que, por su corto periodo de semidesintegración (menor de 2 horas, pongamos por caso), no sea posible el suministro desde el exterior, porque decaen durante el transporte. Tal es el caso del flúor-18 (110 minutos), que se cita posteriormente.

II.-1.Disponibilidad de isótopos La producción de isótopos consiste en la modificación del número de protones (Z) y/o del número de neutrones (N) existentes en el núcleo de un isótopo estable de un elemento; o, dicho más concisamente, consiste en la modificación del par ordenado de números enteros (Z,N) que caracteriza a un nucleido3. Esta modificación se lleva a cabo mediante las reacciones nucleares que tienen lugar cuando el mencionado nucleido (blanco) es bombardeado (irradiado) con partículas positivas en el haz de un acelerador o cuando dicho nucleido capta un neutrón de fisión en las proximidades del núcleo de un

reactor nuclear:

• en el primer caso, el resultado de la reacción se traduce, en su forma más general y sencilla, en el incremento del número de protones en una unidad, como en el ejemplo 18 + 1H1 → 9F18 + 0n1 , 8O que da lugar a un isótopo radiactivo del elemento siguiente. Esta es la reacción que se emplea rutinariamente en el Centro de Tomografía de Emisión

3

Clase de átomos que tienen Z protones y N neutrones en el núcleo

4

de Positrones de la Univ. Complutense de Madrid para la producción de flúor-18 con fines de diagnóstico médico; • en el segundo caso, y también en su forma más simple, la reacción incrementa en una unidad el número de neutrones, dando lugar a un isótopo radiactivo del mismo elemento, como en 59 + 0n1 → 27Co60 , 27 Co que es la reacción por la que se obtienen las fuentes de cobalto-60 empleadas en el tratamiento del cáncer. Si bien la pauta indicada con estos ejemplos es completamente general, la casuística de las reacciones nucleares es prácticamente infinita, ya que, según la naturaleza y la energía de la partícula incidente en el nucleido “blanco”, el número de protones y/o de neutrones que salen de él puede ser distinto, dando lugar a una gran diversidad de productos finales y, por ende, de nucleidos radiactivos (radionucleidos); ello nos permite constatar que hoy día conocemos varios isótopos radiactivos de cada uno de los elementos de la Tabla Periódica. En la Figura 1 se resumen las clases de nucleidos, estables y radiactivos4, que se han inventariado hasta el momento presente5 y de ella se deduce que el número promedio6 de isótopos radiactivos por elemento es de unos 15. En la práctica, esta distribución no es muy homogénea, ya que los elementos de bajo número atómico tienen pocos isótopos, mientras que los de la parte central y final de la Tabla tienen varias decenas; y, con la particularidad de que desde el número atómico 84 en adelante (polonio incluido), todos los isótopos de los elementos son radiactivos.

Figura 1 .- Clases y número aproximado de los nucleidos conocidos.

4

Sólo se contabilizan aquellos cuya vida media es superior a 1 segundo La ordenación de los nucleidos conocidos en un diagrama cartesiano, habitualmente con N en abcisas y Z en ordenadas da lugar a la denominada Tabla Nucleídica 6 Resultado de dividir 1700 nucleidos radiactivos entre unos 110 elementos 5

5

En la clase de los radionucleidos naturales merecen comentario especial los isótopos del uranio7 (U235 y U238) y del torio (Th232), que tienen la misma edad que la Tierra (radionucleidos primordiales) y son los cabezas respectivos de las series radiactivas naturales del actinio, uranio y torio. Hasta 1934, año en el que se descubrieron los radionucleidos artificiales, los trazadores y las fuentes que se utilizaban en las primitivas aplicaciones eran miembros de estas series. Tal era el caso del Ra226 (fuentes de radio), con el que se inició la radioterapia de tumores cancerosos a principios de siglo; y del Po210 , que dio lugar al descubrimiento del neutrón en 1932 (fuentes de polonio/berilio) y, más tarde, al de los mencionados radionucleidos artificiales (fuente alfa de polonio). Los radionucleidos naturales, por otro lado, dieron nacimiento a la cronología isotópica cuando aprendimos a descifrar los registros temporales que contienen los minerales radiactivos. A partir de la década de 1930, con los aceleradores de partículas, y de 1940, con los reactores nucleares, los radionucleidos artificiales han ido desplazando paulatinamente de sus usos a los radionucleidos naturales; y, ahora, las aplicaciones se plantean a base de radionucleidos de reactor o de radionucleidos de acelerador: • los primeros son “ricos” en neutrones y se desintegran por emisión beta (β−), que es el resultado de la conversión de un neutrón en un protón, en el interior del núcleo atómico; sus costes de producción son bajos y todas las fuentes intensas (Co60, Ir192, Cs137, Sr90, etc.) y los trazadores de mayor consumo (H3, C14, P32, Mo99, I131, etc.) son de esta procedencia; • los segundos son “ricos” en protones y se desintegran por emisión de positrones (β+), que convierten protones en neutrones; si bien sus costes de producción son más elevados, con los aceleradores se pueden obtener isótopos radiactivos de diseño8, que son muy apreciados en el diagnóstico médico. Finalmente, los nucleidos estables siempre se presentan en la Naturaleza formando subconjuntos de composición isotópica bien definida9, característicos de los elementos químicos naturales . Desde el punto de vista de las aplicaciones cabe mencionar, que el empleo de un isótopo “escaso” de un elemento10 cumple funciones de trazador estable del mismo. Tal es el caso del H2 (deuterio) en los compuestos de hidrógeno, del N15 en el nitrógeno, y del O18 en el oxígeno, que son de gran utilidad en investigación básica, en agricultura y en hidrología. Lo mismo cabe decir de los elementos que 7

Representaremos un isótopo de un elemento por el símbolo (S) del elemento y el número másico (A) del isótopo, en la forma SA 8 Isótopos de elementos de interés biológico, de periodo corto y, a ser posible, emisores de positrones (radiación γ de 0,51 MeV) 9 Cuando la composición (o abundancia) isotópica natural de un elemento es atípica, se dice que ha ocurrido una anomalía isotópica, debida, por lo general, a procesos locales de decaimiento radiactivo 10 Que previamente se ha “enriquecido” mediante un costoso proceso de separación isotópica

6

acompañan en calidad de impurezas (elementos “traza”) a materiales como el mármol, la arcilla, los metales de acuñación, etc.; porque, por activación neutrónica dan lugar a isótopos radiactivos que sirven de “huellas dactilares” para identificar la procedencia de objetos históricos (estatuas, cerámicas, monedas, etc.). II.- 2. Diagrama de la desintegración

Las aplicaciones de los isótopos o, de forma más general, de los radionucleidos, se basan en dos propiedades que se ponen de manifiesto en la desintegración:

• la constante radiactiva11 λ, específica de cada radionucleido, que indica el ritmo de desintegración (actividad, A) que tiene lugar en un conjunto de N átomos, A= λ·N •

la naturaleza y energía de las radiaciones emitidas ( α, β, γ, n )

En realidad, un átomo de un radionucleido se comporta como si fuera un átomo estable hasta que llega el momento azaroso de su desintegración, en el cual emite radiaciones y se transforma en un nucleido hijo. En la Figura 2 se presenta el diagrama de este proceso, en el que puede prestarse atención, sucesivamente, a cada uno de los términos que lo componen: • al radionucleido; constatando que todo radionucleido es isótopo radiactivo de un elemento químico, al cual sigue fielmente, indicando con gran sensibilidad (mediante las radiaciones que emite) su distribución espacial y temporal en un sistema material, lo cual da lugar a las aplicaciones de los isótopos como trazadores radiactivos; • a las radiaciones emitidas; siendo obvio que la emisión de radiaciones por un conjunto de átomos radiactivos, confinados en el interior de una cápsula, es el fundamento de las aplicaciones de las fuentes

radiactivas;

• al nucleido hijo (supuestamente estable); cuya acumulación a lo largo del tiempo en el sistema material donde es generado12, da lugar a las aplicaciones de los relojes radiactivos o cronología isotópica. Con ello se acaban de esbozar los fundamentos de las tres grandes clases de aplicaciones de los isótopos que se desarrollarán en lo sucesivo; si bien, antes, conviene hacer algunas observaciones de índole general.

11

La constante radiactiva está relacionada con el periodo de semidesintegración ( T1/2 ) por la expresión λ = (ln 2)/T1/2 12 Ha de ser un sistema material “cerrado”, en el que no haya transferencias ni del padre ni del hijo

7

Radionucleido

Radiaciones α, β, γ, n Energía

0 tiempo

tiempo

∞

Nucleido hijo

Figura 2.- Diagrama secuencial de la desintegración de un radionucleido.

Las radiaciones emitidas con mayor frecuencia en la desintegración (haciendo caso omiso de los elusivos neutrinos) son las partículas alfa (α) y beta (β− y β+), acompañadas eventualmente de radiación gamma (γ); la cual, en el caso de los isómeros nucleares metastables13 (m), puede ser radiación gamma “pura”. La emisión de neutrones (n) sólo tienen interés en el caso de la fisión espontánea de algunos radionucleidos (como el Cf252) o, como radiación secundaria, en las denominadas fuentes alfa/neutrón. Cuando la desintegración da lugar a otro radionucleido, y éste a un tercero, etc., se está ante el caso de una serie radiactiva, en la cual cada miembro emite sus propias radiaciones; y, las aplicaciones pueden estar basadas en las radiaciones emitidas por alguno de estos miembros secundarios. Tal es el caso del generador de tecnecio-99m, que hace posible el uso de un isótopo radiactivo casi “ideal” (el Tc99m, emisor γ ”puro”, de 6 horas de periodo) en Medicina Nuclear; el Tc99m es generado por el Mo99, del cual se puede separar con suma facilidad en el propio hospital donde se realiza la aplicación.

Esquema de generación del Tc99m de 6 h, a partir del Mo99 de 67 h 13

Estados excitados de larga duración de un nucleido, que decaen, por lo general, por emisión gamma

8

Mo99

Tc99m 67 h.

Tc99 200.000 a

6 h.

β−

γ

β−

Las características básicas de las radiaciones emitidas en la desintegración son las que se especifican en la Tabla 1. En ellas cabe distinguir dos clases: • las radiaciones con carga eléctrica, esto es, las partículas alfa y partículas beta, positivas y negativas, que son radiaciones directamente ionizantes; y • las radiaciones sin carga, como los fotones gamma y los neutrones, que son indirectamente ionizantes, porque en sus interacciones específicas con la materia generan radiaciones secundarias con carga, que son las que ionizan. Tabla 1.- Características básicas de las radiaciones emitidas en la desintegración

radiación partícula alfa partícula beta positrón

símbolo α

naturaleza núcleo 2He4

carga14 +2

masa15 4

energía16 4⎯10

β−

−1

5,5 x 10−4

0⎯3,5

+1

5,5 x 10−4

0⎯3,5

neutrón fotón gamma

n γ

electrón negat. electrón posit. neutrón Electromagn.

0 0

1 E/c2

0⎯10 0⎯3,5

β+

En el caso de la emisión de positrones (β+) merece señalarse que éstos generan siempre, al final de sus trayectorias en un medio material, radiación gamma de 0,51 MeV, que es la energía equivalente a la masa en reposo de un electrón (ver esquema adjunto). 14

En unidades elementales de carga eléctrica ( e = 1,6021 x 10-19 C ) En unidades de masa atómica ( u = 1,6605 x 10-27 kg ). A un fotón de energía E, se le asigna la masa equivalente E/c2 , donde c es la velocidad de la luz. 16 Intervalo dentro del cual se encuentra la energía cinética de emisión de las radiaciones 15

9

hν

β+ e- e-

β+ + e− ⇒ 2 · h ν ( 0,51 MeV)

hν Esquema de la formación de radiación gamma de 0,51 MeV

El fenómeno se conoce con el nombre de aniquilación de positrones y consiste en la desmaterialización de un electrón positivo (β+ ≡ e+) con un electrón negativo de la corteza (e−); como consecuencia de ello se emiten dos fotones (hν) de 0,51 MeV, en direcciones opuestas, que son de gran utilidad en Medicina Nuclear (tomografía de emisión de positrones ). II .- 3. Aplicaciones de los trazadores radiactivos

Los isótopos de un elemento tienen todos el mismo número de protones en sus núcleos y, por lo tanto, la misma corteza electrónica; lo que equivale a decir que sus propiedades químicas son idénticas, salvo ligerísimas diferencias

de segundo orden, debidas a la distinta masa de cada isótopo. De ahí que, cuando añadamos un isótopo radiactivo a un elemento estable17, una vez mezclados sus isótopos -los estables y el radiactivo- ya no se pueden separar; el elemento ha quedado convertido en un elemento radiactivo o radielemento. Sea, como ejemplo, el caso del sodio natural (Figura 3), formado por un único isótopo estable (el Na23); la adición de cualquiera de sus isótopos radiactivos (el Na22 o el Na24), o de los dos, lo transforman en sodio radiactivo (radiosodio) Con los elementos radiactivos (o radielementos) se sintetizan toda clase de moléculas o compuestos marcados, que se utilizan como trazadores radiactivos de las respectivas especies químicas; de este modo, es posible trazar los caminos de cualquier clase de materia a lo largo de los procesos físicos, químicos y biológicos que tienen lugar en la Naturaleza. Hoy día disponemos de isótopos radiactivos de todos los elementos de la Tabla Periódica y, por lo tanto, se puede construir una Química de Moléculas Marcadas paralela a la Química ordinaria de las sustancias naturales. La diferencia fundamental reside en que la Química de las Moléculas Marcadas es efímera, como lo son los isótopos radiactivos sobre los cuales se construye. Isótopos Radiactivos 17

+

Isótopos Estables

=

O lo formamos en él por irradiación

10

Elemento Radiactivo

Na

{Na22,23}

22

Na23 Na24

{Na23,24}

Figura 3.- El Na22 ( T1/2 = 2,6 a.) y el Na24 (T1/2 = 15 h.) son trazadores del sodio

El caso más importante es el de la Química de las Moléculas Marcadas del Carbono. Este elemento está formado por el conjunto de isótopos, estables y radiactivos, que se muestra a continuación18: Constitución isotópica del carbono

β+

β− 20 m.

5730 a.

11 12 13 14 C ≡ { C , C , C , C } 6 Con radiocarbono C11, a pesar del corto periodo de éste (20 minutos), se sintetizan glucosa y aminoácidos marcados, de gran utilidad en estudios cardiovasculares y oncológicos. Con radiocarbono C14 , de periodo muy largo, se han sintetizado prácticamente todas las moléculas de la Química Orgánica y de la Bioquímica; esto es, desde los compuestos aromáticos marcados en posiciones concretas, a las bases púricas y pirimidínicas del ADN. Si a ello se une, en estos campos de la Química, la capacidad de marcado que ofrece el

18

El carbono tiene otros isótopos radiactivos de periodo inferior a 1 minuto, que omitimos

11

tritio (H3), en sustitución del hidrógeno (vide infra), se verá en seguida que el campo de las moléculas marcadas es prácticamente ilimitado. 14

C6 H6 ; C6 3H6

Benceno marcado con C14 y con tritio,H3 Con razón se ha dicho que los trazadores radiactivos son el paradigma de la moderna investigación científica; y que, gracias a ellos, en el último medio

siglo se han adquirido más conocimientos sobre los mecanismos que rigen los fenómenos de la Naturaleza que en todos los tiempos precedentes.

Para finalizar con este apartado es pertinente subrayar que el empleo de los trazadores radiactivos cumple siempre funciones analíticas o, por lo menos, de cuantificación, como puede verse en las siguientes aplicaciones genéricas: • la dilución isotópica en Química Analítica, que permite determinar la cantidad de materia (de la misma especie que el trazador) presente en un sistema (o muestra); • los radiofármacos en Medicina Nuclear, que permiten cuantificar in vivo el estado funcional de los diversos sistemas (tiroideo, pulmonar, vascular, renal, óseo, etc.) del organismo; • los anticuerpos y antígenos marcados en Bioquímica, esto es, en Radioinmunoanálisis (RIA), que permiten detectar in vitro enfermedades infecciosas, niveles hormonales, etc. • Con el empleo de trazadores se pueden medir caudales en hidrología,

estimar la edad y tasa de reposición de los acuíferos, etc.; se pueden validar modelos de transporte de contaminantes, modelos metabólicos de alimentos o modelos de eliminación de tóxicos, etc.

El empleo de los trazadores ha supuesto una gran revolución en el conocimiento del Medio Ambiente, la Fisiología Humana, la Biología Celular y Molecular y, en general, en todas las Ciencias de la Naturaleza. II .- 4. Aplicaciones de las fuentes radiactivas Para abordar el tema de las aplicaciones de las fuentes radiactivas es necesario, previamente, hacer un breve resumen de las interacciones de la radiación con la materia. Se trata, no hace falta decirlo, de un tema extraordinariamente complejo, que sólo puede enfocarse desde un punto de vista utilitario; esto es, justificativo de las aplicaciones de las fuentes, y sin entrar en los detalles de los procesos primarios de interacción. Con esta perspectiva, y limitándonos prácticamente a las fuentes gamma y de neutrones, el planteamiento puede ser el que se hace a continuación.

12

En el vacío, y en ausencia de campos eléctricos y magnéticos, las

radiaciones nucleares conservan su identidad, su energía y las trayectorias rectilíneas originales. En un medio material, por el contrario, las radiaciones interaccionan con los campos eléctricos, magnéticos y nucleares de los átomos, lo que se traduce en:

• la alteración de la geometría de las trayectorias, por colisiones elásticas e inelásticas con los electrones y núcleos atómicos; sus dos manifestaciones más importantes son : ♣ la atenuación de la intensidad de un haz19 de radiación gamma al atravesar un medio material (aplicaciones por transmisión); las causas de la atenuación

F

S ⇒

D ⇒

γ

F… S… D… x…

Fuente Sistema Detector espesor

γ

x

Esquema de las aplicaciones por transmisión

son las absorciones por efecto fotoeléctrico20 y las dispersiones por efecto de Compton21 (vide infra, esquemas respectivos); pertenecen a esta clase de aplicaciones la gammagrafía industrial

y la instrumentación de control automático de espesores22, niveles y densidades de sistemas23;

e− e−

e−

19

Corriente aproximadamente unidireccional de fotones o partículas Absorción de un fotón gamma por un electrón cortical profundo (capas K, L, etc.), en la que toda la energía del fotón es comunicada, en forma cinética, al electrón. 21 Colisión elástica de un fotón gamma con un electrón cortical de las capas más externas, por la que el fotón, a la vez que comunica parte de su energía al electrón, se desvía de su trayectoria. 22 Para espesores finos (fabricación de papel), se emplea habitualmente radiación beta (β−). 23 Se emplea sistema como elipsis de sistema material o medio. 20

13

Rayo X K

L

hν

hν

hν’

Esquema del efecto fotoeléctrico, con absorción del fotón y fluorescencia de Rayos X

Esquema del efecto de Compton, con desviación y degradación del fotón

♣ la reflexión (o retrodispersión) de parte de un haz de fotones gamma o de neutrones al incidir sobre un medio material (aplicaciones por reflexión o albedulares), a causa de las sucesivas dispersiones de Compton (en el caso de los fotones), o de las sucesivas colisiones elásticas de moderación24 (en el caso de los neutrones); la retrodispersión de fotones gamma, concretamente, Cara accesible

γ F

⇒

⇒

Esquema de las aplicaciones por reflexión

⇓

γ’

D

⇐

S

proporciona información sobre la densidad de sistemas materiales semi-infinitos (esto es, accesibles solamente por una cara), como los firmes de las carreteras (medidores Troxler) o las paredes de las perforaciones de sondeos mineros (sondas nucleares); la reflexión de haces de neutrones, por otro lado, es especialmente sensible a la concentración de hidrógeno en el medio, lo que da lugar a la construcción de humidímetros para suelos y de sondas nucleares para prospección de hidrocarburos; su esquema es similar al de la radiación gamma; • la alteración de la energía de la radiación, por ionización y excitación de átomos y moléculas; su manifestación principal es la transferencia de energía al medio, lo que da lugar a la magnitud dosis absorbida25, con la que guardan relación diversos ♣ efectos químicos , que se engloban en la disciplina denominada Química Bajo Radiación y comprende los efectos radiolíticos en 24 25

Pérdida de energía de los neutrones por colisiones elásticas que les desvían de su trayectoria. Energía depositada en el medio por unidad de masa.

14

general, la formación de radicales libres, la formación de centros de color en materiales cristalinos, la polimerización de monómeros, etc.; estos efectos químicos tienen aplicaciones en la fabricación industrial de plásticos especiales (de alta resistencia térmica y eléctrica) , en la destrucción de contaminantes resistentes a la degradación, etc.; en los sistemas acuosos, tanto a nivel químico como bioquímico, juega un papel fundamental la

radiolisis del agua

(H2O) → (H2O)+ + e− → H+ + •OH + (e− )aq que genera radicales hidroxilo (•OH) y electrones hidratados, muy reactivos. ♣ efectos biológicos , que se engloban en la disciplina de la Radiobiología, siendo los más significativos los que se derivan de las lesiones al genoma celular (muerte celular, inhibición de la función reproductora, etc.), que tienen aplicaciones en la

esterilización de productos farmacéuticos y médico-quirúrgicos, la pasteurización de alimentos, la inducción de mutaciones y, en el campo de la Medicina. la radioterapia oncológica; • la alteración de la naturaleza de la radiación por procesos de absorción, seguidos de emisión de radiaciones secundarias; sus manifestaciones más importantes son:

♣ a nivel de la corteza atómica, la fluorescencia de rayos X, estimulada por el efecto fotoeléctrico (ver esquema p. 14), que tiene propiedades analíticas y se emplea para verificar niveles de impurezas en corrientes de materias primas que alimentan procesos industriales (cementeras, grandes instalaciones de combustión, etc.) ♣ a nivel del núcleo atómico, la emisión de radiación gamma instantánea, estimulada por colisiones inelásticas de neutrones energéticos (fuentes de Am241/Be y de Cf252), que tiene, como la

fluorescencia de rayos X, propiedades analíticas; su esquema, para colisiones del tipo (n, n’γ)26, es el que figura a continuación:

γ

n n’ 0 26

Es la forma simbólica de indicar que un núcleo atómico absorbe un neutrón n, que se expulsa otro neutrón n’ de energía menor, y que la diferencia es emitida como radiación gamma (γ).

15

pozo de potencial nuclear E↑

Esquema de la emisión de energía gamma instantánea por colisión neutrónica inelástica

y sus principales aplicaciones se centran en

litológica de los sondeos de prospección minera.

la evaluación

II.- 5. Aplicaciones de los relojes radiactivos Todo radionucleido (padre) que decae dando un nucleido estable (hijo) es un reloj radiactivo (o atómico), si cumple las siguientes condiciones:

1.- que el decaimiento tenga lugar en un sistema “cerrado” (mineral, roca, fósil, meteorito, etc.) en el que no haya aporte ni pérdida de ninguno de los miembros del par (padre/hijo);

2.- que el reloj haya sido puesto a cero por algún evento singular (vulcanismo, sedimentación, cristalización, etc.) relacionado con el tiempo que se mide, en el cual la cantidad de hijo empieza a acumularse desde cero; y 3.- que el radionucleido provea de “cuerda” suficiente al reloj para “andar” todo el lapso de tiempo desde el evento hasta el momento presente, o entre dos eventos sucesivos. Los relojes de esta naturaleza están basados en los radionucleidos primordiales, que se pusieron en marcha al crearse el Sistema Solar, hace unos 4.650 Ma (millones de años). Son ejemplos de esta clase, los siguientes pares: U238 Rb87 K40

(4,51 Ma) (50 Ga) (1,25 Ga)

⇒ ⇒ ⇒

Pb206 Sr87 Ar40

que obedecen al esquema

padre

t

hijo

Reloj radiactivo primordial

16

El tiempo se estima a partir de la ecuación de decrecimiento temporal, puesta en la forma t = λ−1 · ln (N0/N) donde

N (= P) es el número de átomos del padre, ahora; y N0 (= P + H), siendo H el numero de átomos del hijo, ahora.

Ambas cantidades, P y H, son medibles, y sustituyendo se obtiene el tiempo transcurrido, t = λ−1 · ln ( 1 + H/P ) Con estos relojes se ha determinado la edad de la Tierra, la edad de las rocas más antiguas, la aparición y extinción de las especies, etc. Hay otro tipo de relojes, basados en los radionucleidos cosmogénicos, que miden el tiempo en base a otro principio: la constancia de la tasa de formación de estos radionucleidos a lo largo de los tiempos; con esta premisa resulta que los seres vivientes, los materiales constituyentes de los sedimentos lacustres y marinos, etc., alcanzaron una concentración de equilibrio con cada uno de estos radionucleidos. Con la muerte del ser vivo o con el aislamiento del estrato sedimentario, aquella concentración de equilibrio empezó a decrecer, hasta el momento presente, lo que permite ahora estimar el tiempo transcurrido. El más notable de estos relojes es el del C14, de 5.730 años de periodo, basado en una concentración “biosférica” de equilibrio de 2,26 · 10-1 Bq/g de carbono27, lo que permite fechar restos arqueológicos, utilizando técnicas de recuento radiactivo, hasta de 50.000 años de antigüedad; con las nuevas técnicas de espectrometría de masas en tándem con aceleradores, que permiten contar átomos de C14 directamente, se puede llegar a los 100.000 años de antigüedad. Pero, aparte del C14 hay otros muchos radionucleidos de mayor periodo, como el Be7 (1600 ka); Al26 (730 ka); Ca41 (c. 100 ka), … que han proporcionado información temporal sobre los eventos de la Era Cuaternaria. Estos relojes, que hacen uso de técnicas de medida refinadísimas (como la antes citada de la espectrometría de masas), están ahora en sus inicios y es de esperar que aporten datos valiosos para esclarecer los puntos de origen y las primeras migraciones de la especie humana. II .- 6. Tecnología de las aplicaciones 27

Esta concentración es el resultado de la dilución isotópica del C14 existente (unas 60 toneladas acumuladas a razón de 7,5 kg por año) en la masa de carbono intercambiable de la biosfera.

17

En toda aplicación concurren tres elementos fundamentales: la fuente radiactiva (F), el detector de la radiación (D) y el sistema material (S) al cual se

aplica la acción de la fuente; la disposición geométrica de estos elementos da lugar, en el caso de las fuentes radiactivas encapsuladas28, a un reducido número de configuraciones típicas, que se discutirán más adelante, previa realización de unas consideraciones generales sobre los mencionados elementos fundamentales.

En relación con las fuentes (F), éstas pueden ser móviles, cuando son transportables a los lugares donde se realiza la aplicación; tal es el caso de las fuentes gammagráficas aplicadas a sistemas inamovibles, ya sea por su gran tamaño (turbinas, barcos, aviones, etc.) o por ser éstos solidarios al emplazamiento (perforaciones de sondeo, puentes, edificios, centrales eléctricas, etc.); pero, las fuentes también pueden ser de instalación fija, cual es el caso de los grandes irradiadores industriales; debiendo entonces llevar al emplazamiento los sistemas materiales a tratar. Las fuentes, tanto fijas como móviles, pueden dotarse de blindajes colimadores para delimitar la exposición a los espacios de interés, que son los ocupados por el sistema material. Las fuentes encapsuladas más importantes son las que contienen radionucleidos emisores gamma (Co60, Cs137, Ir192), por el uso que de ellas se hace en irradiadores y gammágrafos, seguidas de las fuentes de neutrones (Am241/Be y Cf252), para exploraciones geofísicas; las fuentes beta (Sr90) tienen aplicaciones en instrumentación de control automático de espesores de

pequeña y mediana densidad superficial (en el orden del gramo por centímetro cuadrado) y en la fabricación de pinturas luminiscentes (H3, Pm147); finalmente, las fuentes alfa son de uso muy limitado (eliminadores de electricidad estática) y apenas si cuentan en el panorama de las fuentes. Las fuentes gamma encapsuladas pueden prepararse en formas muy diversas, desde las cuasi-puntuales hasta las cilíndricas de decenas de centímetros de longitud (varillas de cobalto y alambres de iridio irradiados con neutrones); también pueden ensamblarse muchas fuentes unitarias para formar paneles multi-fuente, empleados en los irradiadores, que dan campos de tasa de exposición29 aproximadamente constante. Cualquier problema relativo a la tasa de exposición proveniente de fuentes complejas puede resolverse integrando la tasa de exposición, E’, de una fuente puntual, dada por E’ = Γ · A/ d2 al volumen total de la fuente; donde Γ es la constante específica de la radiación gamma [en R/(Ci · h ), a 1 m de distancia], A la actividad de la

28

En el caso de los trazadores y los relojes, el concepto de fuente radiactiva pierde consistencia, razón por la cual serán tratados marginalmente en este apartado. 29 La tasa de exposición a la radiación gamma mide la tasa de ionización de esta radiación en el aire, y se expresa en roentgenios por hora, R/h.

18

fuente (en Ci) y d la distancia (en m). A continuación se dan los valores de Γ para algunos isótopos Isótopo Γ

Co60 1,3

Cs137 0,3

Ir192 0,5

en donde puede apreciarse la prevalencia del Co60 en cuestiones de irradiación (exposición de placas gammagráficas y provisión de dosis a materiales). En las aplicaciones de irradiación de materiales, los aceleradores de electrones compiten seriamente con las fuentes gamma encapsuladas, porque

los efectos de ambas radiaciones son similares y la impartición de energía a la materia corre a cargo de las mismas partículas, los electrones (primarios, en un caso, y secundarios, en el otro). La única diferencia reside en la menor penetración de los electrones acelerados, pero esta desventaja es compensada con la seguridad radiológica que supone la extinción del haz de electrones al apagar el acelerador, frente a la inmodificable emisión de radiación gamma de las fuentes. En cuanto a los detectores (D), englobaremos en esta denominación a

todo instrumento de medida que proporcione información cuantitativa sobre la naturaleza, intensidad y energía de la radiación; en última instancia, los detectores no son sino sistemas materiales especiales de respuesta bien definida, en términos absolutos o relativos (calibración); por lo tanto, englobaremos en el epígrafe de los detectores a • los contadores proporcionales, de Geiger-Müller, de centelleo, etc. • las cámaras de ionización y cámaras de positrones • los detectores de centelleo (INa) y de semiconductores (Si y Ge), acoplados a analizadores multicanal; los detectores de neutrones de F3B, etc. • los espectrómetros alfa y beta de centelleo líquido, etc. • las placas fotográficas y los registros electrónicos • los espectrómetros de masas en tándem con aceleradores, etc. La ciencia de la detección de las radiaciones y la electrónica de impulsos han alcanzado una perfección extraordinaria en este último medio siglo, lo que permite afirmar que hoy día para cada aplicación existe una oferta de detectores comerciales que resuelven el problema de la medida. Esta oferta se extiende en muchos casos a la combinación de fuente con detector, formando una unidad solidaria, que recibe habitualmente el nombre de sonda nuclear. Es importante tener presente que las radiaciones ionizantes no son perceptibles por los sentidos y que, por lo tanto, los detectores son componentes necesarios en toda aplicación , no sólo desde el punto de vista de la medición de la radiación para obtener el resultado, sino también, para la vigilancia del campo de radiación que afecta a la protección radiológica del operador (monitores y dosímetros personales y de campo), lo que permite 19

evitar exposiciones que sobrepasen establecidos.

los límites de dosis legalmente

En cuanto a los sistemas materiales (S), objeto de la aplicación de las fuentes, nos interesa en primer lugar nuestro propio organismo, como sistema de soporte de la salud (Radioterapia y Diagnóstico por Técnicas Nucleares) y, en segundo lugar, nos interesan aquellos sistemas cuyo control o transformación tienen contenido económico o valor medioambiental, cual son los relacionados con las industrias primarias de extracción de metales y combustibles, la producción, conservación e higienización de alimentos, y las industrias de transformación, con sus cadenas de producción en serie de bienes de consumo. Si a las aplicaciones de las fuentes sumamos las de los trazadores, de nuevo aparece en primer lugar nuestro propio organismo (Radiofármacos y Medicina Nuclear), que arrastran buena parte de la investigación científica a nivel fisiológico y de biología celular. Las configuraciones topológicas en las que pueden disponerse los tres elementos básicos que acabamos de comentar (la fuente, el detector y el sistema) son las que se describen a continuación: • la configuración de transmisión, correspondiente a las aplicaciones de este nombre (ver esquema en p. 13), que pueden representarse en la forma F⏐S⏐D, para indicar que el sistema S está físicamente separado de la fuente F y del detector D, e interpuesto entre ellos; • la configuración de reflexión, correspondiente a las aplicaciones de este nombre (ver esquema en p. 14), que puede representarse en la forma (F,D)⏐S, para indicar que la fuente F y el detector D, aunque separados físicamente, están situados en el mismo semiespacio libre, justamente el opuesto al que ocupa el sistema material S; esta configuración es esencialmente válida también para las aplicaciones

de fluorescencia;

• la configuración de irradiación, propia de las aplicaciones de los irradiadores, que se puede representar en la forma F⏐(S,D), para indicar que el sistema S y el detector D que le acompaña, están separados de la fuente F; Por extensión, las aplicaciones de los trazadores y de los relojes radiactivos pueden representarse mediante una configuración de la forma (F: S)⏐D, para indicar que la fuente F está diluida en el sistema S, mientras el detector D permanece separado e independiente. En resumen, la topología de las aplicaciones es la que se resume en la Tabla 2. Tabla 2 .- Topología de las aplicaciones

CONFIGURACIÓN

APLICACIÓN

20

Transmisión Reflexión y Fluorescencia Irradiación Trazadores y Relojes

F⏐S ⏐D (F,D) ⏐D F ⏐(S,D) (F:S) ⏐D

II.- 7. Normativa de las Instalaciones Radiactivas Se entiende por instalación radiactiva todo local, laboratorio o fábrica donde se manejan fuentes, trazadores o aparatos productores de radiaciones

ionizantes con fines científicos, médicos, agrícolas, comerciales o industriales, y que cumple con los requisitos del régimen de autorizaciones administrativas vigente en España, que dimana de las Directivas y Reglamentos del Ordenamiento Comunitario.

El objetivo final de dicho Ordenamiento sobre Instalaciones Radiactivas

es el fomento de las aplicaciones de las radiaciones ionizantes que aporten un beneficio social o económico, sin incurrir en los perjuicios que dimanan de los efectos nocivos de las radiaciones sobre las personas o sobre el medio ambiente.

Para ello, las Instalaciones Radiactivas, aparte de estar aceptablemente equipadas para la manipulación de fuentes, trazadores (fuentes no

encapsuladas, se les llama a veces) y aparatos productores de radiaciones, deben contar con el personal capacitado para dirigirlas (Supervisores) y operarlas (Operadores). El Registro Oficial de Instalaciones Radiactivas españolas30 -rayos X de uso médico aparte- estaba compuesto, a principios de 1997, por el conjunto de Instalaciones cuya finalidad se especifica en la Tabla 3, al cual hay que añadir 1 instalación de 1ª Categoría dedicada a la esterilización de material médico-quirúrgico.

Tabla 3.- Número de Instalaciones Radiactivas, según Categoría y finalidad, a principios de 1997

CATEGORÍA 2ª 3ª 44 17 64 92

FINALIDAD Comercialización y fabricación Investigación y Enseñanza 30

Subtotal 61 156

Las Instalaciones Radiactivas en España se clasifican en tres Categorías ( de 1ª, 2ª y 3ª), según la cantidad de radionucleidos que están autorizadas a poseer y manejar (Reglamento de Instalaciones Nucleares y Radiactivas de 1972 y Directiva 96/29 de EURATOM).

21

536 225 869

Industria Medicina Total

185 118 412

721 343 1.281

El número de Licencias de Personal de Instalaciones Radiactivas era, a la mencionada fecha, de 1.838 Supervisores y de 3.367 Operadores. Las fuentes encapsuladas de consumo más regular son las de Ir192, con unas 300 unidades anuales (entre 10 y 150 Ci/unidad), mientras que las de Co60 y Cs137, por ser de mayor duración, son de reposición más esporádica. De los isótopos empleados en diagnóstico médico -que suelen tener un periodo de semidesintegración del orden de una semana o menor- hay un consumo también regular, que puede cifrarse en unos 10 kCi/a para el M99-Tc99m y en unos cientos de Ci/a para el I131, Xe133, Ga67 y Tl201. También se importan anualmente del orden de 150.000 detectores de humo (con fuentes exentas de Am241), que se consideran productos de consumo de libre comercio. Los residuos radiactivos que generan las aplicaciones de los isótopos se autoeliminan por decaimiento, si son de corto periodo; caso contrario, son recogidos por ENRESA, que los acondiciona y deposita en el Centro de Almacenamiento de El Cabril (Córdoba). La significación de estos residuos, no obstante, es muy pequeña (< 5 %, en actividad) con relación a los que generan las CC. NN.

III .- APLICACIONES REPRESENTATIVAS En la Tabla 4 se han recogido las principales aplicaciones en los campos de la Investigación, la Medicina, la Industria, la Agricultura y el Medio Ambiente, con indicación del tipo al cual pertenecen. A continuación se comentan algunas de las aplicaciones más representativas. III.- 1. Investigación Los trazadores han sido los instrumentos fundamentales para el esclarecimiento de los procesos biológicos; la información proporcionada por las moléculas marcadas en las distintas etapas del ciclo celular y el auxilio prestado por las técnicas de separación analítica, cada vez más refinadas, han hecho posible el conocimiento de los mecanismos básicos de los fenómenos biológicos. El número de ejemplos que se podrían poner de empleo de trazadores en investigación es prácticamente ilimitado; y, a título de ilustración, citaremos el caso de la fotosíntesis, por la importancia que tuvo como investigación pionera en la década de los años 40, antes de consolidarse la moderna Biología Molecular (Watson y Cricks, 1953), donde no se acomete ningún estudio sin hacer uso de los trazadores . Tabla 4.- Clasificación de las aplicaciones por campos de actividad.

22

CAMPOS TIPO DE APLICACIÓN

Investigación

Medicina

Mecanismos de Diagnóstico procesos radiofármacos. RIA31, PET32 Geocronología. Fechado radiactivo.

Trazadores Relojes

Radioterapia. Osteoporosis (densidad ósea).

Haces/Transmisión

Haces/Reflexión Haces/ Fluorescencia Irradiación

Miscelánea

Química bajo Radiación

Braquiterapia. Paliativos cáncer. Esterilización. Vacunas.

Análisis por activación neutrónica

Industria

Agricultura

Procesos dinámicos de mezcla.

Eficacia uso abonos. Hidrología. Tasa de Reposición de acuíferos.

Instrumentación de Control. Gammagrafía. Detectores de humo. Instrumentación de Control. Densidades. Control recubrimientos Polimerización. Curado de plásticos. Vulcanización.

Minería

Medio Ambiente Cadenas tróficas. Medida de caudales.

Pesada en línea de materias primas.

Datación arqueológica y variaciones climáticas Meteorología en estaciones inaccesibles

Hidrología Humidímetros Control de impurezas. Litología. Esterilización. Pasteurización. Fitogenética.

Detectores de humos. Luz fría. Productos de consumo.

Abatimiento y destrucción de contaminantes.

Asociación de la radiactividad natural con minerales valiosos

Conservación del patrimonio histórico

• El ciclo de la fotosíntesis La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas (y algunos otros organismos, algas cianofíceas entre ellos) transforman la energía lumínica en energía química (que queda almacenada en forma de biomasa y alimentos; y que, en el pasado, dio lugar a los combustibles fósiles). La energía de la luz solar, absorbida por los cloroplastos, convierte el agua y el dióxido de carbono (productos últimos de la oxidación) en oxígeno y en compuestos orgánicos ricos en energía (en glucosa, por poner un ejemplo bien conocido). La representación habitual de este proceso, Luz

6 · CO2 + 6 · H2O

C6H12O6 + 6 · O2

sin embargo, no es sino la expresión simplificada de un ciclo complejo (el Ciclo de Calvin), que comprende por lo menos una docena de reacciones catalizadas por enzimas específicos. El esquema de este proceso, prescindiendo de los

31 32

Radioinmunoanálisis. Siglas inglesas de "Positron Emission Tomography".

23

compuestos aldehídicos de 3 átomos de carbono que intervienen de forma transitoria, es el representado en la Figura 4, donde C5 es un compuesto fosforilado de pentosa que fija CO2 para dar (C6), un compuesto inestable de seis átomos de carbono que se descompone dando los mencionados compuestos aldehídicos, a partir de los cuales se forma la glucosa, el almidón y otros polisacáridos. Las reacciones de este ciclo serían termodinámicamente imposibles de realizar si no fuera porque los cloroplastos captan la luz solar y la utilizan para transformar moléculas de adenosindifosfato (ADP) en adenosintrifosfato (ATP), que son como las monedas de cambio energético que las plantas emplean para impulsar las reacciones de síntesis de los compuestos orgánicos (como la glucosa); de este modo, mediante la recuperación por la luz del caudal energético del ATP, el Ciclo de Calvin gira indefinidamente, produciendo materia orgánica.

ATP

ADP

6 · C5 C6 H12O6

6 · CO2

6 · (C6)

ADP

ATP

Figura 4.- Esquema del Ciclo de Calvin

¿Cómo se ha averiguado todo esto? Simplemente, suministrando a las plantas dióxido de carbono marcado (14CO2), bajo distintas condiciones de iluminación y de tiempo de exposición, e identificando los sucesivos compuestos radiactivos de carbono que se van formando; el P32 (en forma de ion ortofosfato, 32PO43−), por otro lado, ayuda a estimar el número de moléculas de ATP necesarias para impulsar el ciclo. Así se ha visto que la mayoría de las especies vegetales (plantas C3) sigue este mecanismo de síntesis de sus compuestos orgánicos; mientras que otras, de alta eficiencia fotosintética (como el maíz y la caña de azúcar), usan otro mecanismo ligeramente diferente (plantas C4), que es una reminiscencia evolutiva de prototipos surgidos bajo condiciones más estrictas de temperatura y humedad. •

Datación de objetos carbonosos

24

La datación (o fechado) de objetos carbonosos puede considerarse un fruto maduro de la cronología isotópica con C14, iniciada por Libby en1949. En la Figura 5 se muestran los restos humanos prehistóricos encontrados en una turbera en Inglaterra, como ejemplo de fechado con C14 de un “objeto” carbonoso. En la Figura 6 se muestra el pequeño fragmento de la Sábana Santa de Turín, cuyo fechado del lino con el que está hecha dio lugar recientemente a una intensa polémica . Con las modernas técnicas de cuenta directa de átomos de C14 (con espectrometría de masas y acelerador) la muestra necesaria para fechar un objeto puede ser muy pequeña (del orden de los miligramos), lo cual es de gran importancia cuando se trata de objetos únicos y de gran valor simbólico.

de

Figura 5.- Restos humanos prehistóricos

Figura 6.- Fragmento de la Sábana Santa

fechados por el C14.

Turín para el fechado con C14.

III.-2. Medicina En Medicina son de gran utilidad tanto los trazadores radiactivos como las fuentes encapsuladas. Los trazadores de uso médico son, en realidad, fármacos marcados con un isótopo radiactivo y, por ello, reciben el nombre de radiofármacos. La Medicina Nuclear hace uso de estas sustancias • in vivo, para realizar estudios morfológicos y funcionales de diversos órganos (ver Figura 7); y también, • in vitro, mediante pruebas analíticas con moléculas marcadas (RIA);

25

En ambos casos, los fines son predominantemente diagnósticos.

Figura 7.- Principales radiofármacos empleados en la diagnosis de diferentes órganos del cuerpo humano.

Las fuentes encapsuladas se emplean, fundamentalmente, en Radioterapia (Teleterapia y Braquiterapia), para el tratamiento de tumores

malignos; ello no excluye que en algunos casos se puedan emplear isótopos sin encapsular (I131 en disolución, para tumores tiroideos), cuando la selectividad metabólica del órgano por el isótopo es muy elevada. Pero, en general, salvo el mencionado caso del tiroides y de algunos tumores tratables por vía intracavitaria (Braquiterapia), lo que predomina en el tratamiento oncológico es la Teleterapia con fuentes de Co60 (corrientemente denominadas bombas de cobalto).

• Diagnosis tiroidea

En la Figura 7 puede verse, a título de ejemplo, que la diagnosis del tiroides puede realizarse tanto con I131 (en forma yoduro) como con Tc99m (en forma de pertecnato); y, en la Figura 8 se muestra la morfología tiroidea de un individuo sano y de otro enfermo (aquejado de un carcinoma en el istmo interlobular), obtenidas con estos radiofármacos.

26

a

b

Figura 8.- Exploración de una glándula tiroidea normal (a) y otra afectada por un carcinoma (b).

• Tomografía cerebral Desde hace un par de décadas es posible ver el estado funcional del cerebro a distintos planos de corte (Tomografía) mediante el empleo de la cámara de positrones; para ello, se le administra al paciente un radiofármaco emisor de positrones que sea utilizado metabólicamente por el cerebro, por ejemplo, para obtener la energía que necesita en su funcionamiento; tal es el caso de la glucosa marcada con C11 o de un derivado de la glucosa marcado con F18, como la fluodeoxiglucosa (18FDG). En la Figura 9 se muestra el esquema utilizado habitualmente en la Tomografía de Emisión de Positrones (de siglas inglesas PET, con las que se le designa abreviadamente) y en la Figura 10 pueden verse las imágenes tomográficas que se obtienen para un individuo sano y para otro afectado por un tumor frontal, con actividad biológica localmente exacerbada (X).

• La bomba de cobalto La Radioterapia se inició a principios del siglo XX utilizando el isótopo natural Ra226 , descubierto por Mme Curie en 1898; pero, en los años de 1950, empezó a ser sustituido por el isótopo artificial Co60 y desde entonces sigue siendo éste el isótopo clave en el tratamiento del cáncer, porque permite a b profunda. En la irradiar toda clase de tumores, incluso los de localización Figura 11 se muestra un moderno equipo de bomba de cobalto, de los muchos que existen hoy día en los hospitales.

27

Figura 10.- Tomografía cerebral normal (a) y con tumor frontal (b), obtenidas con fluordeoxiglucosa marcada (18FDG). Figura 9.- Esquema ilustrativo de la realización de una tomografía cerebral mediante suministro al paciente de un radiofármaco emisor de positrones. 1 aniquilación de positrones, 2 detector gamma en coincidencia y 3 tomograma.

Figura 11.- Moderno equipo de radioterapia (bomba de cobalto) de cabezal giratorio.

III.-3. Industria

28

La Industria33 ofrece un amplio campo de actividades para el empleo de las fuentes encapsuladas, ya sea en el control de calidad de las materias primas de procesos industriales (cementeras, centrales térmicas, refinerías petrolíferas, etc.), ya sea en el control de calidad de productos fabricados en serie. También, la irradiación con fuentes intensas se considera como una operación unitaria de proceso para mejorar la calidad de determinados productos ( plásticos especiales, esterilización de productos de "usar y tirar", etc.). El contenido isotópico de las fuentes industriales varía según el tipo de aplicación: - desde las decenas de milicurios, en las fuentes de medidores de control, - a las decenas de curios, en las fuentes gammagráficas, - o las centenas de kilocurios, en los irradiadores industriales. Curiosamente, las fuentes de uso industrial no suelen producir residuos radiactivos en el país que las utiliza, porque, una vez inservibles, la firma comercial del país proveedor las retira cuando procede a su reposición. •

Medidores de control

Forman parte, como se dijo, del control automático de líneas de producción industrial, bien sea discriminando materiales por umbrales de impurezas (habitualmente por fluorescencia de rayos X), bien sea controlando espesores o densidades mediante equipos de transmisión o de reflexión de haces. En la Figura 12 se muestra el esquema de los medidores de espesores, que actúan sobre servomecanismos que controlan este parámetro.

Figura 12.- Esquema de un aparato de control automático de espesor de productos laminares.

• Control de calidad por gammagrafía

33

Las aplicaciones industriales a veces son difíciles de deslindar de las aplicaciones mineras, agrícolas y de protección del medio ambiente; todo depende de la naturaleza rutinaria y del carácter empresarial que se le dé a la aplicación.

29

Es la aplicación más importante de las fuentes de Ir192, que por sí solas llegan a cubrir el 95% de los ensayos no destructivos que se realizan en el control de calidad de productos de fundición, soldaduras de construcciones metálicas, etc. El resto de estos controles se realiza con fuentes de Co60 (para grandes espesores, hasta decenas de centímetros de acero) o con Tm170 (para pequeños espesores, del orden de milímetros). En la Figura 13 se muestra la disposición de elementos en la gammagrafía industrial y un croquis de una fuente casi puntual de Ir192 (acotada en milímetros), que es la que da mayor nitidez radiogáfica.

Colimador

Fuente radiactiva

Pieza

Defecto

Iridio-192

Pantalla reforzadora Película

Imagen del defecto Penumbra geométrica

Figura 13.- Esquemas de la disposición de elementos que intervienen en la gammagrafía industrial y de la fuente de Ir192 (con dimensiones acotadas en milímetros).

• Polimerización por la radiación La radiación gamma ioniza la materia y crea radicales libres, que son las especies intermediarias de muchas reacciones químicas. Aplicada la radiación (fuentes de Co60) a los monómeros con los que se fabrican los plásticos se induce la formación de grandes cadenas poliméricas; y, si se continúa la irradiación del material, se forman plásticos especiales de alto grado de entrecruzamiento catenario, que mejora considerablemente sus propiedades como aislante térmico y eléctrico. En la Figura 14 se esquematiza el proceso de polimerización del polietileno.

30

Figura 14.- Inducción de la polimerización del etileno por la radiación para formar polietileno.

III.-4. Agricultura En Agricultura se hace uso de las fuentes de Co60 y, esporádicamente, de Cs137, para la conservación de alimentos, la esterilización de insectos, la irradiación de semillas para provocar la aparición de mutaciones, etc. También se emplean los trazadores radiactivos en el estudio de la absorción de nutrientes por las plantas y en la diagnosis de enfermedades infecciosas del ganado, etc. •

Mejora de cultivos por selección de mutantes

La irradiación de semillas da lugar a una gran variedad de mutaciones en sus genes; la mayoría de estas mutaciones no aportan nada positivo desde el punto de vista de la fitotecnia, pero una pequeña fracción de ellas dan lugar a variantes genéticas de interés (mutantes), por su mayor contenido de sustancias tróficas, producción de defensas naturales contra agresores medioambientales, mejor adaptación a las condiciones climáticas, etc. En definitiva, lo que ahora se hace científicamente por selección de mutantes no es sino abreviar, a unos pocos años, la paciente labor de selección de variantes de cultivos que el agricultor ha realizado desde el neolítico para obtener el reducido número de especies útiles que configuran el sistema agrícola heredado. Este sistema está cambiando rápidamente por efecto de la selección de mutantes y, cambiará más, a medida que se hagan visibles los resultados de la ingeniería genética (alimentos transgénicos). En la Figura 15 se muestra una de las etapas de la selección de mutantes que ha conducido, desde 1950, a la introducción de más de 2.000 cultivos obtenidos por mutación inducida -variantes de arroz, trigo, cebada, sorgo, etc.- que están cambiando el panorama agrícola y, en parte, resolviendo el problema de la subalimentación de algunas regiones del mundo.

31

a

b

Figura 15.- Selección de mutantes de expresión favorable en campos de experimentación (a) y aplicación de la variedad UNA-La Molina 95 de cebada mutada en la inhóspita sierra andina de Perú (b).

•

Incremento de la producción pecuaria

Con la ayuda de los organismos FAO y OIEA de las Naciones Unidas se está intentando relanzar la producción ganadera de los países en vías de desarrollo, que actualmente es de muy bajo rendimiento, entre otras causas, por no controlar el ciclo reproductivo. Ello ha dado lugar a la introducción de técnicas de radioinmunoanálisis (RIA) de las hormonas del ciclo, como condición previa a su optimización. En la Figura 16 se muestra la toma de sangre para el análisis hormonal y el aumento de producción que se consigue utilizando técnicas nucleares de gestión del ciclo y de alimentación del ganado.

a

b

Figura 16.- Ejemplos de mejora en la cabaña del búfalo indio: toma de sangre (a) y ejemplares después del tratamiento (b).

32

•

La técnica de los insectos estériles

Hay grandes regiones del planeta cuyas poblaciones, tanto a nivel humano como pecuario, están arruinadas por las infecciones transmitidas por los insectos. Piénsese, por ejemplo, en la enfermedad del sueño (en humanos) y la tripanosomiasis (en animales) transmitidas por la mosca tsetsé, que afecta a numerosos países del Africa subsahariana (ver Figura 17). La FAO y el OIEA han iniciado ya la erradicación de esta plaga en Tanzania, contando con la experiencia de éxitos precedentes (erradicación de la mosca de la fruta y del gusano barrenador en el Caribe y Sur de los Estados Unidos); pero el problema es muy difícil, no sólo técnicamente, por las muchas variantes de insectos tsetsé existentes en territorios tan extensos, sino también políticamente, porque tiene que contarse con la cooperación de todos los países afectados. Figura 17.- Zonas de Africa

subsahariana afectadas por la peste de la mosca tsetsé.

En los casos concluidos con éxito, la técnica empleada ha sido la de los insectos estériles, que consiste en la producción masiva de insectos machos esterilizados por irradiación, que se sueltan por tandas para que compitan sexualmente con los nativos del territorio infestado, mermando así su descendencia, lo que se repite una y otra vez, hasta lograr su extinción. En la Figura 18 puede verse la mosca de la fruta (o mosca mediterránea), junto con la fruta dañada por la puesta de huevos en su pulpa, y en la Figura 19 la producción de millones de moscas esterilizadas, dispuestas para su suelta mediante avionetas.

Figura 18.- La mosca mediterránea (a) produce grandes pérdidas en los frutales de las zonas infestadas (b).

a

b

33

a

b

c

Figura 19.- Larvas de mosca mediterránea (a) y envasado de moscas estériles (b), listas para su suelta aérea con avioneta (c) en la zona infestada, en este caso en Tanzania (mosca tsetsé).

•

Conservación de alimentos por irradiación

Las grandes pérdidas de alimentos recolectados que tienen lugar anualmente en el mundo se deben, fundamentalmente, a que los productos alimentarios están infestados por insectos, gorgojos, hongos, etc., que producen su destrucción o putrefacción. Por otro lado, la carga patógena portada por los alimentos es causa de múltiples infecciones entéricas. Todas estas pérdidas e intoxicaciones pueden paliarse mediante la irradiación de los alimentos dentro de un intervalo de dosis que sea suficiente para conseguir el efecto deseado (reducción de la carga microbiana), sin que dé lugar a la alteración de los caracteres organolépticos de los mismos.

34

Procediendo de este modo, y para dosis inferiores a 10 kilograys34, se ha comprobado reiteradamente que los alimentos son inocuos y tienen una mayor vida útil. En la Figura 20 se muestran diversos alimentos irradiados, que conservan su mismo aspecto y textura, y tienen un contenido patógeno mucho menor que los no irradiados.

Figura 20.- Los productos agrícolas casi siempre están contaminados con microorganismos patógenos, como la Salmonella. La irradiación es un método eficaz para garantizar su calidad higiénica, expresada por el símbolo "radura" (circulo en verde).

III.-5. Minería En Minería se presenta el problema de conocer las características de los estratos que atraviesa una perforación de sondeo; en particular, la composición elemental del estrato, su densidad, su radiactividad natural, etc., porque todos estos datos pueden indicar si un estrato reúne las condiciones favorables para albergar minerales o combustibles beneficiables. Esta información se obtiene haciendo descender por la perforación sondas nucleares, que pueden consistir en

• un simple detector gamma, para medir la radiactividad natural

(radionucleidos K40, Th232 y U238), que suele ir asociada a otros minerales de interés; • una fuente y un detector gamma, para determinar (por reflexión) la densidad de los estratos y, con ello, la porosidad necesaria para albergar hidrocarburos;

34

El gray es la unidad de dosis absorbida en el Sistema Internacional. Equivale a 1 J•kg-1.

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• o, una fuente de neutrones y un detector gamma, para obtener la composición elemental del estrato, mediante colisiones inelásticas de neutrones energéticos (fuentes de Am241/Be y de Cf252).

En la Figura 21 puede verse el esquema de uso de una sonda nuclear y el espectro de radiación gamma “instantánea” que se obtiene de un estrato carbonífero. a

b

Figura 21.- Empleo de una sonda nuclear (fuente + detector) para determinar la composición litológica de los estratos de un sondeo (a), con indicación del espectro gamma instantáneo obtenido (b).

III.-6. Medio Ambiente La protección del Medio Ambiente ha ido creciendo en consideración durante los últimos 30 años, hasta llegar a ser el elemento crítico en la selección de las tecnologías de menor impacto ambiental, relegando a un segundo lugar el sobrecoste que ello pueda suponer.

• Abatimiento de contaminantes En el caso de las grandes instalaciones de combustión es urgente conseguir el abatimiento de los gases que producen las lluvias ácidas (SO2 y NOx), independientemente de que quede pendiente para mejor ocasión la reducción de emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero (Kioto, 1997). En la Figura 22 puede verse el esquema de un proyecto piloto (Szczecin, Polonia/OIEA) para captar los gases que producen las lluvias ácidas, mediante

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su irradiación con haces de electrones en presencia de amoniaco, lo que da lugar a la formación de abonos nitrogenados para la Agricultura.

a

b

Figura 22.- Contaminación (a) por gases de chimenea (SO2, NOX) y abatimiento (b) mediante su ionización con haces electrónicos en atmósfera de NH3, con formación de abonos nitrogenados.

• Conservación del patrimonio histórico Los contaminantes atmosféricos han agravado el problema de la conservación del patrimonio de bienes culturales (estatuas, libros, documentos, objetos de arte, etc.). Una solución puesta en práctica en algunos países, como Francia, es la restauración de piezas deteriorados por impregnación con un monómero y su posterior irradiación gamma, que produce la consolidación de la pieza por polimerización y la eliminación de los insectos xilófagos, hongos, etc. por esterilización. En la Figura 23 puede verse una estatua restaurada por este procedimiento y la cámara donde se ha llevado a cabo la irradiación. a

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b Figura 23.- Conservación de estatuas del patrimonio histórico por irradiación, que consiste en la polimerización de un monómero de impregnación (a) y la esterilización contra insectos xilófagos y hongos (b).

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IV .- RESUMEN Y CONCLUSIONES En esta ponencia se han presentado las aplicaciones positivas de las radiaciones ionizantes, en sus dos modalidades de - Trazadores radiactivos, como instrumentos de valor inestimable en la investigación científica, y - Fuentes de radiación, como instrumentos polivalentes para analizar, controlar o transformar gran número de sistemas materiales. Se han expuesto los fundamentos de los distintos tipos de aplicaciones y se han descrito las de uso más frecuente, reunidas por campos. En Investigación Científica, las aplicaciones de los isótopos han aportado nuevas herramientas para profundizar en los mecanismos que rigen los fenómenos naturales, con la consecuencia de haber conseguido reunir, en menos de medio siglo, más conocimientos sobre las ciencias de la Naturaleza que en todos los tiempos precedentes. El empleo de los isótopos en Medicina ha permitido crear nuevas técnicas de diagnóstico de la enfermedad y ha proporcionado los procedimientos terapéuticos más eficaces en la lucha contra los tumores malignos. En la Industria, las fuentes radiactivas han permitido crear sensores para el control en tiempo real de las cadenas de producción de bienes de consumo y han elevado el nivel de la garantía de calidad de los productos y sistemas tecnológicos. En Agricultura, los trazadores radiactivos se emplean en el diagnóstico de enfermedades infecciosas y en la optimización del ciclo reproductivo de la cabaña pecuaria; las fuentes se emplean en la inducción de mutaciones en semillas, erradicación de plagas y en la conservación de alimentos por irradiación. En Minería se emplean las sondas nucleares en la determinación de las características litológicas de las perforaciones de prospección en cuencas mineras y campos petrolíferos. Finalmente, las radiaciones ionizantes pueden utilizarse en la protección del Medio Ambiente, estimulando la reactividad química de los contaminantes de difícil retención, así como en la conservación del Patrimonio Histórico, mediante la consolidación y esterilización de los bienes culturales. De cuanto antecede se desprende la conclusión de que los isótopos radiactivos (o los átomos radiactivos en general) forman parte esencial de la

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materia que nos rodea y nos constituye, con sus cualidades buenas y malas como todas las cosas de este mundo. La actitud racional, por lo tanto, ante el control tecnológico de la radiactividad por el hombre del siglo XX, debe consistir en maximizar los beneficios que nos reporta frente a los perjuicios que puede ocasionar, en vez de obstinarse en luchar inútilmente contra la radiactividad como "residuo nocivo y peligroso". ¡La radiactividad es residuo sólo cuando deja de sernos útil!

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