Foro Nuclear

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.
35
• 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
36
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
37
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).
38
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
39
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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