UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI

FACULTATEA DE INGINERIA SISTEMELOR BIOTEHNICE

CATEDRA DE SISTEME BIOTEHNICE

Masterand:

Ing. Ivancu Bogdan – Adrian

Master, Anul I

I.M.P.M.

2

Cuprins

1. Radioactivitatea 1.1.Notiuni generale

1.2. Legea dezintegrării radioactive

1.3.Absorbţia de radiaţie

2. Izotopii radioactivi 2.1.Definitie

2.2.Separarea izotopilor

2.3.Efectele biologice ale radiaţiilor - radioprotecţia

2.4.Dozimetrie si radioprotectie

2.5.Mărimi şi unităţi legate de efectul biologic al radiaţiilor

3. Utilizarea izotopilor radioactivi în industria siderurgică, matalurgică şi

constructoare de maşini 3.1. Principiu fizic al metodelor

3.2.Aplicaţii în procesul de obţinere a fontei, oţelului şi a aliajelor

3.3.Aplicaţii în procesul de fabricaţie al produselor refractare

3.4. Utilizarea izotopilor radioactivi la studiul şi controlul uzurii

3.5. Utilizarea izotopilor radioactivi la studiul şi controlul coroziunii

3.6. Utilizarea izotopilor radioactivi pentru marcare şi numărare

3.7. Aplicatii ale izotopilor in diferite domenii de activitate

4. Importanţa unor izotopi

5. Concluzii

6. Bibliografie

3

1. Radioactivitatea

1.1.Notiuni generale

Fenomenul radioactivităţii a fost descoperit în 1896 de fizicianul Henri Becquerel la

elementul uraniu, ca urmare a dezvoltării generale a fizicii şi ca o consecinţă directă a descoperirii

de către Roentgen, în 1895, a razelor X. Termenul de radioactivitate a fost utilizat pentru prima oară

de către Marie Curie-Sklodowska, la câţiva ani de la descoperirea fenomenului. Radioactivitatea

(lat. radius = rază, radiaţie) reprezintă fenomenul de emisie spontană de particule subatomice şi/sau

radiaţii electromagnetice (fascicole de fotoni) de către radionuclizi (atomi cu nucleu instabil, care au

proprietatea de a se dezintegra). Practic, un nucleu poate suferii diferite tipuri de transformări

nucleare care duc la apariţia de radiaţie ionizată, cele mai cunoscute fiind:

dezintegrările ά (emisia spontană de helioni) care duc la apariţia de radiaţie Alfa. Particulele

Alfa se compun din doi neutroni (fără sarcină electrică) şi doi protoni (încărcaţi pozitiv).

Când particulele alfa traversează un material solid, ele interacţionează cu mulţi atomi pe o

distanţă foarte mică. Dau naştere la ioni şi îşi consumă toată energia pe acea distanţă scurtă.

Cele mai multe particule alfa îşi vor consuma întreaga energie la traversarea unei simple foi

de hârtie. Principalul efect asupra sănătăţii corelat cu particulele alfa apare când materialele

alfa-emitatoare sunt ingerate sau inhalate iar energia particulelor alfa afectează ţesuturile

interne, cum ar fi plămânii.

dezintegrările β (emisie de electroni, pozitroni sau captură electronică) care duc la apariţia

de radiaţie Beta. Particula Beta este un electron liber. El penetrează materialul solid pe o

distanţă mai mare decât particula alfa. Efectele asupra sănătăţii asociate particulelor beta se

manifestă în principal atunci când materialele beta-emitatoare sunt ingerate sau inhalate.

dezintegrările γ (emisie de cuante electromagnetice) din care rezultă radiaţia Gama. Radiaţia

gama (raza gama) se prezintă sub formă de unde electromagnetice sau fotoni emişi din

nucleul unui atom. Poate traversa complet corpul uman, putând fi oprite doar de un perete de

beton sau de o placă de plumb groasă de 15 cm. Radiaţia gama este oprită de: apă, beton şi,

în special, de materiale dense, cum ar fi uraniul şi plumbul, care sunt folosite ca protecţie

împotriva expunerii la acest tip de radiaţie.

Fig. 1. Puterea penetrantă a radiaţiilor

4

Fig. 2. Puterea penetrantă a radiaţiilor

Lumea noastră este radioactivă încă de când a fost creată. Radiaţia se află peste tot în natură.

Ea poate fi radiaţie ne-ionizantă (undele radio, lumina, microundele) sau radiaţie ionizantă (razele X

folosite în scopuri de diagnosticare medicală, razele gamma folosite în scopuri terapeutice).

Radioactivitatea naturală a fost stabilită la toate elementele care au Z>83. Din marele număr de

radionuclizi cunoscuţi în prezent doar circa 80 se găsesc în natură. Până în 1934 erau cunoscute

numai elementele radioactive naturale, însă în anul 1934, Irene şi Frederic Joliot au arătat că

aluminiul şi magneziul pot deveni radioactive dacă sunt bombardate cu particule alfa de la poloniu.

După descoperirea neutronului, s-a stabilit eficacitatea deosebită a acestuia (în special a neutronului

lent) de a produce izotopi radioactivi, respectiv radioactivitatea artificială. Odată cu folosirea

surselor de neutroni ca particule bombardante, numărul izotopilor radioactivi obţinuţi pe cale

artificiala a crescut. Radiaţia artificială este folosită în multe ramuri ale activităţii omeneşti, in

industrie, în medicină, în scop de studiu. Din punct de vedere biologic, este importantă o măsură a

efectului radiaţiilor asupra organismelor vii, proporţională cu doza de radiaţii. Această măsură este

doza echivalentă de radiaţi şi se măsoară în Sievert (Sv).

Tabelul 1. Radiaţiile electromagnetice şi utilizările lor

Nr.

Crt.

Radiaţii Lungimea de

undă

Utilizări

1. Hertziene de

frecvenţe:

- industriale

- joase

- medii

- înalte

- foarte înalte

102

– 104 km

1-102

km

102

m -1 km

1-102

m

1mm-1m

- instalaţii de putere, încălzire prin inducţie,

telecomandă, oscilatori de frecvenţe sonice

- telecomunicaţii, radio

-idem, oscilatori

- ultrasunete

- televiziune, radioastronomie

- spectroscopie hertziană, radar,

radioastronomie

2. Infraroşii 1 μ-1 mm - spectroscopie optică, uscarea materialelor

3. Vizibile 10 3 A - 1mm - luminat, spectroscopie

4. Ultraviolete 10-10 3 A - spectroscopie, bactericide

5. X 10-1

10 3 A - spectroscopie X, radiologie

6. γ <10-4

-10 -1 A - spectroscopie γ, reacţii nucleare, efecte

fotoelectrice, Compton, formare e+, e

-

5

Fig. 3. Spectrul undelor electromagnetice

1.2. Legea dezintegrării radioactive

Între radioactivitatea naturală spontană şi cea artificială nu există nici o deosebire principală.

Toate transformările radioactive observate fie la radionuclizii naturali, fie la cei artificiali, se

desfăşoară după aceeaşi lege de dezintegrare. Dezintegrarea nucleelor radioactive este un proces

statistic. Fiecare specie de nuclee este caracterizată de constanta radioactivă (constanta de

dezintegrare) care reprezintă probabilitatea dezintegrării unui nucleu în unitatea de timp.

Considerăm N numărul de nuclee nedezintegrate la un moment t, dN numărul de nuclee care se

dezintegrează în intervalul de timp dt şi No numărul de nuclee nedezintegrate la momentul to=0.

S-a stabilit experimental că în timpul dt se dezintegrează

dN = -λNdt nuclee

De unde, prin împărţire cu N se obţine

dtN

dN

Integrând între limitele No şi N, respectiv 0 şi t, rezultă teN

N 0

, de unde obţinem pentru numărul

de nuclee radioactive N la momentul t:

N(t) = No

te

Viaţa medie a tuturor celor No nuclee radioactive existente la momentul to=0 este definită ca

intervalul de timp τ după care numărul iniţial de radionuclizi scade de e ori:

6

N(τ) = e

N 0 =eN0

de unde rezultă că

1

şi legea dezintegrării radioactive se poate scrie:

N(t) = No

t

e

Timpul de înjumătăţire (T1/2) reprezintă intervalul de timp în care numărul iniţial de nuclee

No se reduce la jumătate:

2/1

00

2

TeNN

După logaritmarea expresiei de mai sus se obţine:

ln2 = λT1/2

sau 2/1

693,0

T .

Înlocuind în legea dezintegrării radioactive obţinem

tTeNtN

693,0

0)(

Activitatea a unei substanţe radioactive reprezintă numărul actelor de dezintegrare din

unitatea de timp, adică viteza absolută de dezintegrare:

NeNeNdt

d

dt

dN tt 00

Introducând activitatea în expresia legii de dezintegrare, aceasta devine: te 0

Unitatea de măsură pentru activitate este 1/s (s-1

), numită în sistemul internaţional Becquerel

(Bq). O altă unitate de măsură utilizată în fizica nucleară este Curie (Ci).

1Ci = 3,7·1010

s-1

Un preparat radioactiv este cu atât mai puternic cu cât sunt mai numeroase procesele de

dezintegrare în unitatea de timp. Radiopreparatele artificiale pot avea activităţi foarte ridicate, chiar

dacă au un conţinut redus de substanţă radioactivă, deoarece constanta lor de dezintegrare este mult

mai mare decât cea a radionuclizilor naturali.

1.3.Absorbţia de radiaţie

Unele aspecte ale procesului de absorbţie de radiaţie, legate de fenomenele care conduc la

tranziţie între nivele energetice mai sărace în energie şi nivele mai bogate în energie, au fost studiate

cu ocazia studiului spectrelor atomice şi moleculare. Fie un strat de substanţă de grosime dx pe care

cade un fascicul de radiaţii monocromatic alcătuit din fotoni, de intensitate Io. Intensitatea

fascicolului emergent este I.

7

Fig. 4. Strat de substanta pe care cade un fascicule de radiatii din fotoni

În cazul multor substanţe, micşorarea intensităţii datorită absorbţiei, verifică relaţia:

kIdxdI

unde k reprezintă coeficientul de absorbţie al substanţei (caracterizează atenuarea relativă a fluxului

de radiaţie, pe unitatea de lungime de strat absorbant).

După separarea variabilelor şi integrare între limitele Io şi I, respectiv 0 şi x, se obţine:

I = Io e-kx

relaţie care exprimă legea lui Lambert. Această relaţie mai poate fi scrisă pentru logaritm zecimal:

I = I0 10-kx

Când stratul absorbant reprezintă o soluţie a unei substanţe absorbante într-un mediu

transparent pentru radiaţii incidente, k este proporţional cu concentraţia soluţiei, ceea ce înseamnă că

E = cx, unde se numeşte coeficient de extincţie al substanţei şi reprezintă inversul grosimii acelui

strat absorbant pentru care 100 I

I.

Legea absorbţiei devine:

I = I010-cx

unde (0) = h(0) lg e = 0,43 k şi se numeşte Legea lui Beer. Această lege se poate scrie şi sub forma:

I = I0e-cx

, în cazul logaritmului natural.

Raportul TI

I

0

şi se numeşte transmisie sau transmitanţă. Extincţia sau absorbanţa E se

defineşte ca fiind logaritmul cu semn schimbat din transmisie, adică:

E = - ln T = - ln 0I

I= ln

I

I 0 = εcl

Spectrul de absorbţie al unei substanţe este deseori reprezentat prin curbe = f(ν) sau =

f() . Cunoaşterea spectrelor de absorbţie permite identificarea substanţei absorbante şi dozarea ei

într-un amestec în care se pot găsi şi componenţi care nu absorb în acelaşi domeniu de lungimi de

undă ca şi substanţele largi răspândite.

8

2. Izotopii radioactivi

2.1.Definitie

Una din două sau mai multe specii de atomi, având acelaşi număr atomic, constituind acelaşi

element, dar care diferă prin numărul de masă. Numărul atomic este echivalent cu numărul de

protoni din nucleu, iar numărul de masă este suma protonilor şi neutronilor din nucleu, izotopii

aceluiaşi element diferind unul de altul prin numărul de neutroni din nucleu. Experimentele de la

începutul secolului XX indicau faptul că substanţele chimice care nu puteau fi separate chimic diferă

una de cealaltă numai prin structura nucleului. Fizicianul englez Sir Joseph Thomson a demonstrat

în anul 1912 existenţa izotopilor stabili transmiţând neon printr-un tub descărcat şi deviind ionii de

neon prin câmpuri magnetice şi electrice; acest lucru a demonstrat faptul că elementul stabil neon

există în mai multe forme. Thomson a descoperit doi izotopi de neon: unul cu numărul de masă 20,

iar altul cu numărul de masă 22. Experimentele de mai târziu arată că neonul în stare naturală este

alcătuit în proporţie de 90% din neon-20 (izotopul cu masa 20), 9.73% din neon-22 şi 0.27% din

neon-21. Cercetările asupra izotopilor au fost continuate de către mulţi oameni de ştiinţă, remarcabil

ar fi fizicianul englez Francis William Aston; munca acestora în descoperirea şi studierea izotopilor

a fost accelerată prin folosirea spectrografului. Se ştie că majoritatea elementelor în stare naturală

sunt alcătuite din doi izotopi. Printre excepţii întâlnim beriliul, aluminiul, fosforul şi sodiul. Masa

atomică a unui element este media dintre masele atomice sau numerele de masă ale izotopilor. De

exemplu clorul, cu masa atomică 35.457, este alcătuit din clor-35 şi clor-37, primul fiind întâlnit în

proporţie de 76% iar cel de-al doilea în proporţie de 24%.

Toţi izotopii elementelor cu numărul atomic mai mare de 83 (după bismut în tabelul

periodic) sunt radioactivi. De asemenea şi unii izotopi cu numărul atomic mai mic de 83, cum ar fi

potasiu-40, sunt radioactivi. Până la ora actuală sunt cunoscuţi aproximativ 280 de izotopi naturali

stabili (nu radioactivi). Izotopii artificiali radioactivi, cunoscuţi şi sub numele de radioizotopi, au

fost produşi pentru prima dată de fizicienii francezi Irene şi Frederic Joliot-Curie. Numărul atomic al

unui atom reprezintă numărul de protoni din nucleul său. Acest număr rămâne constant pentru un

element dat. Numărul de neutroni poate varia, luând naştere izotopi care pot avea aceeaşi

comportare chimică, dar mase diferite. Izotopii hidrogenului sunt: protiu (nu conţine nici un neutron

în plus), deuteriu (un neutron) şi tritiu (doi neutroni). Hidrogenul are întotdeauna un proton în

nucleu. Aceste ilustraţii sunt reprezentaţii schematice

ale atomului, şi nu sunt lucrate la scară. În realitate,

nucleul este de aproximativ zece mii de ori mai mic

decât raza orbitală, care dă mărimea atomului.

Separarea izotopilor aceluiaşi element unul de

celălalt este dificilă. O separare totală dintr-un singur

pas este imposibilă, deoarece izotopii aceluiaşi

element au aceleaşi proprietăţi chimice. Metodele

fizice sunt bazate în general pe diferenţele foarte mici

ale proprietăţilor fizice, cauzate de diferenţele

maselor izotopilor. Izotopii de hidrogen, deuteriu

(hydrogen-2) şi hidrogenul ordinar (hidrogen-1) au

fost pentru prima dată separaţi în cantităţi apreciabile.

Îndemânarea aparţine chimistului american Harold

Urey, care a descoperit deuteriul în 1932.

Fig. 5. Izotopii radioactivi

9

Izotopul este specia de atom cu același numar atomic Z dar cu numar de masa A diferit

(adică aceleași proprietăți chimice dar proprietăți fizice diferite). Cuvântul "izotop" provine din

grecescul isos (egal) și topos (loc). Toți izotopii unui element chimic au în învelișul electronic

același număr de electroni, iar nucleele lor au același număr de protoni; ceea ce este diferit

reprezintă numărul de neutroni. În nomenclatura științifică, izotopii unui element se scriu prin

adăugarea unei cratime între numele elementului și numărul său de masă, astfel: heliu-3, carbon-12,

carbon-14, oxigen-18,uraniu-238, iar prescurtat se notează folosind simbolul elementului și numărul

de masă în partea stângă sus: 3He,

12C,

14C,

18O,

238U.

Fig. 6. Izotopii radioactivi

Dupa mai bine de 30 ani de studii si cercetari, metodele de separare a izotopilor stabili si de

producere a izotopilor radioactivi si a compusilor marcati sunt in general bine puse la punct. Astazi

exista peste 1000 de compusi marcati si izotopi ai aprope tuturor elementele chimice. Din cele 90

de elemente naturale care intra in compozitia corpurilor terestre, numai 23 sunt elemente unitare sau

pure, adica formate dintr-o singura specie de atomi (Be, F, Na, Al, P etc.), restul de 67 se gasesc in

natura( ca elemente sau compusi chimici) sub forma unui amestec de doua sau mai multe specii de

atomi cu proprietati chimice identice, dar cu mase atomice diferite. Astfel de elemente care au

acelasi numar atomic (Z) si fac parte din aceeasi casuta a sistemului periodic al lui Mendeleev, dar

au masa atomice diferite, se numesc izotopi (din greceste: isos=acelasi, topos=loc). In prezent se

cunosc 300 de izotopi pentru 60 de elemente ale sistemului periodic si aproximativ 800 de izotopi

radioactivi naturali sau artificiali.

10

2.2.Separarea izotopilor

Separarea izotopilor a aceluiași element este dificilă. Separarea totală într-un pas prin

metode chimice este imposibilă, deoarece izotopii aceluiași element, au aceleași proprietăți chimice

iar proprietățile fizice prezintă deosebiri extrem de mici. Separarea izotopilor de hidrogen, deuteriul

(hidrogen-2) și hidrogenul obișnuit (hidrogen-1), primul separat în cantități apreciabile, este

atribuită chimistului american Harold Urey, care a descoperit deuteriul în 1932. Înainte de 1940

multe metode au fost folosite la separarea unor mici cantități de izotopi necesare pentru cercetări.

Unele din cele mai reușite au fost metoda centrifugă și separarea electromagnetică. Fiecare din

aceste metode depind de o mică diferență de greutate a izotopilor de separat, și cel mai eficace sunt

izotopii de hidrogen, unde diferențele de masă între două substanțe se ridică la 100%; în contrast,

diferența în masă între izotopii de carbon-12 și -13 sau între izotopii de neon -20 și neon-22 ajunge

doar la 10%, și între izotopii de uraniu-235 și uraniu-238 doar la puțin peste 1%. Acest factor de la

10 la 1 sau de la 100 la 1 face separarea mai îndepărtată de 10 sau de 100 de ori mai greu. În toate

procesele, excluzând pe cel electromagnetic, separarea izotopilor include o serie de etape de

procesare. Rezultatul final al unei singure etape este separarea materialului original în două

fracțiuni, una care conține un procentaj puțin mai mare pentru izotopul mai greu decât amestecul

original și celălalt conține puțin mai mult decât izotopul mai ușor.

Pentru a obține o concentrație apreciabilă, sau mai îmbogățită, în izotopul dorit, este

necesară separarea ulterioară a fracțiunii îmbogățite. Acest proces este efectuat printr-un număr

mare de etape. Îmbogățirea cu fracțiuni de la o etapă devine un material brut pentru următoarea

etapă, și fracțiunea epuizată, care conține un considerabil procentaj al izotopului dorit, este

amestecat cu un material brut pentru etapa precedentă. Chiar și materialul epuizat de etapa originală

este stripat de etapa suplimentară când materialul brut (de exemplu, uraniul) este rar. De asemenea o

revărsare este extrem de flexibilă și elementul poate fi schimbat de la o etapă a separării. De

exemplu, la separarea uraniului, o mare cantitate a materialului trebuie manipulată de la început,

unde uraniul dorit-235 este amestecat de aproximativ 140 de ori cu uraniu-238; la sfârșitul

procesului, uraniu-235 este aproape pur și volumul materialului este mult mai mic.

2.3.Efectele biologice ale radiaţiilor - radioprotecţia

„Fără radiaţii nu am fi fost şi nu am putea fi, dar cu prea multe radiaţii nu putem trăi”

Activitatea vitală a tuturor sistemelor organizate biologic şi în special a omului, se desfăşoară într-un

univers supus acţiunii unei multiple şi variate game de radiaţii, de la cele sesizabile direct cu

simţurile noastre, până la cele sesizabile doar prin intermediul unei aparaturi, uneori foarte

complicate. Mediul înconjurător conţine surse naturale de radiaţii, existente de miliarde de ani pe

planeta Pământ încă de la formarea acestuia, însoţind apariţia şi evoluţia vieţuitoarelor, inclusiv a

omului. Prin activitatea sa economică şi socială de-a lungul timpului, omul a modificat şi modifică

sursele naturale de radiaţii, creând astfel o radioactivitate naturală suplimentară.

Radiaţiile sunt de origine şi natură foarte variate, clasificându-le astfel:

radiaţii electromagnetice, X sau de înaltă frecvenţă, având aceiaşi natură ca lumina

radiaţii corpusculare încărcate electric: , , ioni acceleraţi

radiaţii corpusculare neutre electric: neutroni.

11

Fig. 7. Etape pînă la efectul biologic al radiaţiilor

Radiaţiile nucleare pot acţiona asupra organismului în trei moduri: acţiune directă,

acţiune indirectă şi acţiune la distanţă. Prin acţiune directă sunt lezate macromoleculele de

mare importanţă, chiar vitală (proteine, acizi nucleici) care suferă transformări datorită

ionizării sau excitării directe. Acţiunea indirectă este datorată elementelor care apar în urma

proceselor radiochimice. Mediul principal în care se desfăşoară procesele biologice fiind apa,

efectele apar datorită ionizării acesteia (apar ioni sau radicali) care acţionează ca agenţi

oxidanţi şi reducători asupra unor componente esenţiale celulare, perturbând funcţionarea

normală a acestora.

Efectele biologice care apar în urma iradierii, sunt dependente de: doza de radiaţii şi debitul

dozei. Efectele biologice ale radiaţiilor pot fi grupate astfel:

Efecte somatice – care apar la nivelul celulelor somatice şi acţionează asupra fiziologiei

individului expus, provocând distrugeri care duc fie la moartea rapidă, fie la reducerea semnificativă

a speranţei medii de viaţă. Leziunile somatice apar în timpul vieţii individului iradiat şi pot fi

imediate sau tardive – efectele somatice imediate sau pe termen scurt, se manifestă la câteva zile ,

săptămâni sau luni de la iradiere. Aceste efecte sunt de regulă nestochastice (nealeatorii) adică se

produc la toţi indivizii expuşi la o doză superioară dozei de prag. Efectele somatice tardive sunt cele

care apar după o perioadă mai lungă de timp, de ordinul anilor, numită perioadă de latenţă şi se

manifestă în special sub formă de leucemie sau cancer. Aceste efecte sunt de natură stochastică

(întâmplătoare) în sensul că este imposibil de evidenţiat o relaţie cauzală directă – probabilitatea

producerii unui efect este proporţională cu doza de iradiere.

Efecte genetice – care apar în celulele germinale sexuale din testicule sau ovare – aceste mutaţii

letale sau subletale la descendenţi se datorează unor efecte imediate ale radiaţiilor cum ar fi:

alterarea cromozomilor (translocaţii, apariţia de extrafragmente) ruperea unor segmente de

cromatină, alterarea chimică a codului genetic, fie prin acţiunea radicalilor liberi asupra bazelor

azotate ale acizilor nucleici, fie prin ruperea lanţului aceloraşi acizi. Gravitatea efectelor mutagene

apare prin transmiterea la descendenţi a unor translocaţii cromozomiale, efect biologic, care apare şi

la doze mai mici.

Particule incarcate

Interactii electrice

Modificari chimice

Apare ionizarea

Efecte biologice

12

Dozele de radiaţii care pot produce apariţia unui minim de mutaţii într-o generaţie de

indivizi, într-un ecosistem, dacă sunt menţinute în permanenţă pot conduce la adevărate catastrofe

ecologice în generaţiile următoare.

2.4.Dozimetrie si radioprotectie

Dozimetria – reprezintă totalitatea metodelor de determinare cantitativă a dozelor de radiaţii

în regiunile în care există sau se presupune că există un câmp de radiaţii, cu scopul de a lua măsuri

adecvate pentru protecţia personalului ce îşi desfăşoară activitatea în acea zonă.

Radioprotecţia = totalitatea metodelor şi mijloacelor de reducere a efectelor nocive ale

radiaţiilor. Sursele de iradiere pot fi: surse externe – aflate în afara organismului şi surse interne –

aflate în interiorul organismului.

Protecţia împotriva efectelor nocive ale radiaţiilor, produse de sursele externe, poare fi:

protecţie fizică – realizată prin mijloace de reducere a dozei de expunere, ca: distanţa, ecranarea,

timpul de expunere;

protecţie chimică – prin folosirea unor substanţe chimice (cistamina, gamofos, etc.), care se

administrează înainte sau după iradierea persoanei;

protecţie biochimică – realizată prin folosirea unor preparate sau macromolecule biologice (sânge,

plasmă, etc.) care administrate imediat după iradiere, ajută la refacerea celulară;

protecţie biologică – se realizează prin transplantul de celule viabile în măduvă

(hematoformatoare).

Reducerea gradului de contaminare radioactivă se poate realiza prin: decontaminare –

îndepărtarea izotopilor radioactivi din tubul digestiv (cu alginat de sodiu, fosfat de aluminiu, etc.) şi

din arborele traheobronşic (prin spălări cu ser fiziologic; decorporare – eliminarea izotopilor

radioactivi fixaţi în diferite organe (cu sare de Zn sau Ca a acidului dietilen – triamino –

pentaacetic); diluţie izotopică – administrarea iodurii de potasiu împotriva Iodului – 131,

consumarea unor cantităţi mari de apă pentru reducerea fixării tritiului în organism, etc.

Măsurile de radioprotecţie, pot fi grupate în:

măsuri preventive;

măsuri de supraveghere;

măsuri de limitare şi lichidare.

Efectul nociv al radiaţiilor asupra materiei vii este datorat proprietăţii de a ioniza mediul prin

care trec, ionizarea fiind modul dominant de pierdere a energiei de către radiaţii când traversează

mediul material. Materia vie este caracterizată prin existenţa unor molecule deosebit de mari ale

căror proprietăţi şi funcţionalitate biochimică pot fi ireversibil perturbate. Astfel, un act de ionizare,

de trecere a unui electron pe un alt nivel în acest ansamblu, sau de smulgere a lui, provoacă mari

schimbări în caracteristicile moleculei respective, schimbări care acumulate la nivelul celulei se pot

traduce prin grave dereglări ale metabolismului, culminând cu moartea celulei sau cu erori de

structură şi funcţionare a aparatului genetic celular, de tip cancerigen sau mutagen.

2.5.Mărimi şi unităţi legate de efectul biologic al radiaţiilor

Doza de iradiere – este cantitatea de energie cedată unităţii de masă D = dW/dm;

D SI = 1Grey = 1Gy = 1J/kg; D tot = 1rad (rad-ul) = 10-2

J/kg; (rad = Radiation Absorbed

Doze = doză de radiaţii absorbită) ; 1 rad = 10-2

Gy

13

Expunerea (dQ/dm) – sarcina electrică totală a ionilor de un semn produsă în urma iradierii

în unitatea de masă. Unitatea de măsură este röntgen-ul R.

Echivalentul de doză H = Q.D, unde Q este factorul de calitate al radiaţiei H SI 1Sv

(Sievert); H tot = 1Rem; (rem = Röntgen Equivalent Man = röntgenu echivalent pentru om); 1

rem = 10-2

Sv

Mărimile dozimetrice menţionate se referă la un timp de expunere oarecare. Dacă se

raportează efectul la unitatea de timp se definesc:

Debitul dozei = dS/dt; SI = J/kg.s

Debitul echivalentului de doză h = dH/dt h SI = 1Sv/s

Doza permisă pentru o persoană în funcţie de vârstă, se calculează cu formula:

Dmax = 5(N – 18)rem, unde N – numărul de ani ai persoanei.

Tabelul 2. Efectele iradierii totale asupra omului

Doza totală corporală în Gy Efecte după expunere

1000

100

10

7

2

1

Moarte la câteva minute

Moarte la câteva ore

Moarte la câteva zile

90% mortalitate în săptămânile următoare

10% mortalitate în lunile următoare

Fără mortalitate, dar creşterea semnificativă a cazurilor

de cancer; sterilitate permanentă la femei, 2 la 3 ani la

bărbaţi

Metodele de protecţie contra radiaţiilor se împart în:

© Metode active – când sursa radioactivă este înconjurată cu ecrane absorbante, care reduc mult

intensitatea radiaţiilor emergente, deci asigură securitatea celor ce se află la limita exterioară a

ecranelor.

© Metode pasive – când se iau măsuri de genul:

persoanelor li se fixează durate limitate de lucru în spaţiul respectiv

li se dau alimente, medicamente antidot, mijloace de protecţie individuală, etc.

Din cercetări medicale rezultă ca:

doza minimă de iradiere globală a întregului organism este sub 20 Rem

între 75 – 150 Rem apare boala actinică, cu riscul cazurilor mortale la doză superioară

peste 700rem au efect letal.

Datorită efectului cumulativ al iradierii, normele prevăd că o persoană care la o singură

iradiere a acumulat toată doza permisă, să zicem într-un an, nu mai are voie să suporte altă iradiere

în acel an. Iradierea accidentală cumulată maximă admisă este de 25Rem. Datorită efectelor

genetice, pentru femeile gravide, dozele admise sunt mai mici faţă d cele arătate mai sus. Deoarece

nu toate părţile organismului sunt la fel de rezistente la iradiere, s-au stabilit doze maxime pentru

diferite organe şi părţi ale organismului, precum şi cazul în care radiaţia nu atinge întregul organism,

ci doar porţiuni din el.

pentru organe izolate, exceptând cristalinul şi gonadele, doza este de 15Rem/an

pentru oase, tiroidă, pielea întregului organism, cu excepţia extremităţilor, doza este de 30Rem/an

pentru mâini, antebraţe, picioare şi glezne doza este de 75Rem/an.

14

Sunt cazuri când unele elemente radioactive pot ajunge să fie integrate de oameni prin apa de

băut sau alimente, sau inhalate odată cu aerul. Elementul radioactiv poate intra în circuitul metabolic

şi în aceste cazuri însăşi sursa radioactivă se află în organism şi singura protecţie posibilă este

folosirea de substanţe care elimină şi insolubilizează elementul respectiv. Poate apărea situaţia ca un

element radioactiv, cu toate că este cantitativ sub limita admisă pentru întregul organism,

concentraţia sa într-un anume organ să fie suficient de ridicată pentru ca doza de radiaţie permisă

pentru organul respectiv să fie depăşită. Astfel de organe care concentrează preferenţial un anume

element se numesc organe critice, ca de exemplu: glanda tiroidă pentru iod, sau sistemul osos pentru

stronţiu, care este omolog clinic pentru calciu. Pentru a exclude astfel de cazuri, normele de

protecţie admit concentraţia limită ale acestor substanţe în apă şi aer.

Tabelul 3. Expunerea normală a omului la radiaţii nucleare, astfel încât să vă puteţi calcula

fiecare doza naturală:

Cauza Detaliu Echivalent

doză Explicaţie

I. Punct

geografic

Nivelul mării (se adaugă la fiecare 150m

în plus în altitudine) 28 mrem/an

Radiaţii

cosmice

Zona

Calcaroasă

Sedimentară

Granitică

50 mrem/an

30 mrem/an

12 0mrem/an

Radiaţii

terestre

Casă din:

Lemn

Cărămidă

Granit

1 mrem/an

20 mrem/an

20 mrem/an

Radiaţiile

materialelor

II.

Alimentaţia Carne, legume 20 mrem/an

Radiaţiile

alimentelor 14

6Ca, 40

19K

III. Mod de

viaţă

O călătorie cu avionul

Televizorul

Examen radiologic

4 mrem/an

3 mrem/an

35 mrem/an

Radiaţii

cosmice

Tabelul 4. Efectele aparute in funcţie de valoarea dozei biologice a radiaţiilor

Valoarea

(1Sv = 100rem) Efectele

0 – 0,25 Sv Lipsa oricărei tulburări aparente

0,25 – 0,5 Sv Apar schimbări sanguine, ochi injectaţi

0,5 – 1 Sv Oboseală, ameţeală, cataractă, schimbări sanguine,

opacizarea cristalinului, apariţia aluniţelor

1 – 2 Sv Ameţeli, oboseală, reducerea numărului de globule roşii,

scăderea rezistenţei la infecţii

2 – 4 Sv Aceleaşi tulburări ca mai sus însoţite de câteva decese între 2

– 6 săptămâni de la iradiere

4 – 6 Sv 50% decese, în intervalul de 30 zile de la iradiere

Peste 6 Sv 100% decese, în mai puţin de 15 zile de la iradiere

15

Se ştie de mai mulţi ani că doze mari de radiaţii ionizante, mult mai mari decât radiaţiile de

fundal pot cauza cancer şi leucemie la mai mulţi ani de la expunere. Se presupune, datorită

experimentelor pe plante şi animale, că radiaţiile ionizante pot provoca mutaţii genetice care

afectează generaţiile descendente, cu toate că nu există dovezi în legătură cu radiaţii care provoacă

mutaţii la om. La nivele foarte mari de radiaţii, ele pot provoca stări de disconfort şi moartea la

săptămâni de la expunere. Nivelul efectelor cauzate de radiaţii depind de mai mulţi factori: doza,

frecvenţa dozării, tipul radiaţiei, organul expus, vârsta şi sănătatea. De exemplu, embrionul uman

este deosebit de sensibil la radiaţii. Dar care sunt şansele de apariţie al cancerului de la doze mici de

iradiere? „Teoria” cu cea mai largă răspândire este că orice doză de iradiere cât de mică presupune

riscuri asupra sănătăţii omului. Cu toate acestea, nu există dovezi ştiinţifice în legătură cu riscul

dozelor sub 50 mSv pe o durată scurtă de aproximativ 100 mSv pe an, cercetările arată că efectele

benefice sunt la fel de posibile ca şi cele adverse. Doze mari, acumulate de radiaţii pot produce

cancer, care ar fi observat peste câţiva (până la 20) ani de la expunere. Acest decalaj face imposibil de

precizat cu certitudine care din mulţimea de posibili agenţi au cauzat cancerul respectiv. În ţările

occidentale aproximativ un sfert din populaţie moare datorită cancerului, având fumatul, factorii

dietetici, genetici şi puternica expunere la lumina solară ca principale cauze. Radiaţiile sunt un

factor cancerigen slab, dar la expuneri îndelungate cu siguranţă cresc riscurile asupra sănătăţii.

Organismul are mecanisme de apărare împotriva pagubelor produse de radiaţii, la fel şi

împotriva altor factori cancerigeni. Aceştia pot fi stimulaţi prin expuneri la doze mici de radiaţii sau

dimpotrivă la doze foarte mari. Pe de altă parte, doze mari de radiaţii direcţionate spre o tumoare

sunt folosite în terapii de iradiere împotriva celulelor canceroase şi prin urmare, deseori se salvează

vieţi omeneşti. Adesea se foloseşte împreună cu chimioterapia şi operaţia. Doze mult mai mari sunt

folosite pentru înlăturarea bacteriilor dăunătoare din mâncăruri, pentru sterilizarea pansamentelor şi

a altor echipamente medicale. Zeci de mii de oameni din ţările dezvoltate lucrează în medii în care

pot fi expuşi la doze mari de radiaţii (mai mari decât nivelul radiaţiilor de fundal). Prin urmare ei

poartă ecusoane care monitorizează nivelul radiaţiilor la care sunt expuşi. Fişele medicale ale

acestor categorii de angajaţi arată că ei au o rată mai mică de mortalitate datorită cancerului sau altor

cauze decât restul populaţiei şi în unele cazuri, rate mai mici decât angajaţii care lucrează în medii

similare fără a fi expuşi la radiaţii.

Ce cantitate de radiaţii ionizante prezintă pericol?

10.000 mSv (10 Sv) pe durată scurtă asupra întregului corp ar cauza stări de vomă şi

scăderea bruscă a celu-lelor albe din sânge şi moartea în câteva săptămâni; între 2 şi 10 Sv pe

durată scurtă ar cauza boli de iradiere cu posibilitatea crescută că doza ar putea fi fatală;

mSv (1 Sv) pe o durată scurtă este chiar deasupra limitei de a cauza boli de iradiere imediate

la o persoană cu un fizic mediu, dar cu siguranţă nu ar provoca moartea; dacă o doză mai

mare de 1.000 mSv acţionează o perioadă mai lungă de timp, nu există posibilitatea unor

probleme medicale imediate, dar creează cu certitudine posibilitatea apariţiei cancerului în

anii care vor urma;

peste 100 mSv probabilitatea apariţiei cancerului (în contrast cu severitatea bolilor de

iradiere) creşte direct proporţional cu doza;

50 mSv este limita minimă la care există dovezi că produce cancer la adulţi, este de

asemenea cea mai mare doză permisă prin lege într-un an de expunere la locul de muncă;

20 mSv/an timp de 5 ani reprezintă limita angajaţilor la radiologie, industria nucleară,

extracţia uraniului;

10 mSv/an reprezintă doza maximă la care este supus un miner din minele de uraniu din

Australia;

16

3 mSv/an este doza tipică (mai mare decât cea de fundal) naturală la care este expusă

populaţia în America de Nord, inclusiv o medie de 2 mSv/an datorită radonului din aer;

2 mSv/an reprezintă radiaţia de fundal din surse naturale. Aceasta este aproape de doza minimă la

care este expus orice om, oriunde pe planetă;

0,3-0,6 mSv/an este intervalul tipic al dozelor de la surse artificiale, cum ar fi cele medicale;

0,05 mSv/an este o fracţiune mică a radiaţiei de fundal care este ţinta pentru nivelul maxim

de radiaţie la gardul unei centrale nucleare (doza reală este mult mai mică).

Radiaţiile de fundal care apar în mod natural sunt principala sursă de expunere pentru cei mai

mulţi oameni. Nivelele osci-lează între 1,5 şi 3,5 mSv/an, dar poate depăşi 50 mSv/an. Cel mai mare

nivel de expunere la radiaţii de fundal care a afectat un număr mare de oameni a avut loc în Kerala

şi statul Madras (India) unde, aproximativ 140.000 oameni au fost expuşi la o doză de peste 15

mSv/an de radiaţii γ pe lângă o cantitate similară datorită radonului. Nivele comparabile s-au

măsurat în Brazilia şi Sudan cu o expunere medie de până la 40 mSv/an. În mai multe locuri din

India, Iran şi Europa nivelul radiaţiilor de fundal depăşeşte 50 mSv, până la 260 mSv (în Ramsar, în

Iran). Dozele acumulate de-a lungul vieţii datorate radiaţiilor de fundal ajung la mii de mSv. Cu

toate acestea, nu există dovezi că ar exista probleme de sănătate datorate nivelului ridicat de radiaţii.

Radiaţiile ionizante sunt generate de industrie şi de medicină. Cea mai cunoscută sursă de

radiaţii sunt aparatele de radio-grafie, folosite în medicină. Radiaţiile din surse naturale contribuie

cu aproximativ 88% din doza anuală asupra oamenilor, pe când procedurile medicale cu 12%.

Efectele radiaţiilor naturale nu diferă de cele artificiale. Pentru că expunerea la un nivel ridicat de

radiaţii ionizante produce un anumit risc, ar trebui să încercăm să le evităm în întregime? Chiar dacă

am vrea, acest lucru este imposibil. Radiaţiile au fost întotdeauna prezente în mediul şi în corpul

nostru. Cu toate acestea, putem şi ar trebui să minimalizăm doza de expunere care nu ne este

necesară. Radiaţiile sunt foarte uşor de detectat. Există o varietate de instrumente simple, sensibile,

capabile să detecteze mici cantităţi de radiaţii naturale sau artificiale. Există patru căi prin care

oamenii se pot proteja de sursele cunoscute de radiaţii:

limitarea duratei expunerii: pentru oamenii care sunt expuşi la radiaţii pe lângă cele de fundal

datorită naturii muncii lor, doza este micşorată şi riscul îmbolnăvirii în principiu eliminat prin

limitarea duratei expunerii;

distanţa: la fel cum căldura unui foc este mai mică cu creşterea distanţei, şi intensitatea

radiaţiilor descreşte direct proporţional cu distanţa de la sursă;

bariere: barierele de plumb, beton sau apă oferă o protecţie bună împotriva radiaţiilor

penetrante cum ar fi radiaţiile γ. Prin urmare, materialele radioactive sunt adesea depozitate

sau mânuite în apă sau cu ajutorul roboţilor în camere construite din beton gros sau cu pereţi

îmbrăcaţi în plumb;

depozitare: materialele radioactive sunt izolate şi ţinute în afara mediului. Izotopii radioactivi

(de ex. cei pentru medicină) sunt eliminaţi în încăperi închise, în timp ce reactoarele nucleare

funcţionează într-un sistem cu bariere multiple care împiedică scurgerile de material radioactiv.

Camerele au o presiune atmosferică scăzută, astfel încât orice scurgere ar avea loc nu ar ieşi din

încăpere.

Standardele de protecţie împotriva radiaţiilor sunt bazate pe mentalitatea con-servativă că

riscul este direct proporţional cu doza, chiar şi la nivele mici, cu toate că nu există dovezi despre

riscurile la nivele mici. Această presupunere, numită „ipoteză liniară nelimitată” (linear no-threshold

hypothesis) este recomandată ca protecţie împotriva radiaţiilor, propusă pentru stabilirea nivelelor

admise de expunere la radiaţii a peroanelor. Această teorie presupune că jumătate dintr-o doză mare

(unde efectele au fost observate) va cauza efecte de două ori mai mici, ş.a.m.d.

INDIA

EUROPA

17

Aceasta duce în eroare dacă este aplicată unui număr mare de oameni expuşi unei doze mari

de radiaţii ar putea duce la măsuri inadecvate împotriva iradierii. Cele mai multe dovezi care au condus

la standardele de azi provin de la supravieţuitorii bombei atomice din 1945 care au fost expuşi la doze foarte mari

pe o durată scurtă de timp. Pentru stabilirea riscului estimativ, s-a presupus că organismul uman poate vindeca

efectele expunerii la doze mici, dar pentru nivele mici de iradiere, gradul de protecţie este indiscutabil conservativ.

Cele mai multe ţări au propriul sistem de protecţie radiologică care deseori se bazează pe recomandările

comisiei internaţionale cu privire la protecţia radiologică (ICRP). Cele trei capitole din recomandările ICRP

sunt:

justificarea: nici o activitate nu trebuie adoptată decât dacă produce un beneficiu pozitiv;

optimizarea: toate expunerile trebuie menţinute la un nivel cât mai mic, acceptabil;

limitarea: expunerea indivizilor nu trebuie să depăşească limitele recomandate.

Protecţia împotriva radiaţiilor este bazată pe recomandările ICRP atât pentru categoriile

ocupaţionale şi cele publice. Expunerea maximă nu trebuie să depăşească 1 mSv/an, în medie, timp de 5

ani.

3. Utilizarea izotopilor radioactivi în industria siderurgică, matalurgică şi

constructoare de maşini

3.1. Principiu fizic al metodelor

Siderurgia, metalurgia, şi construcţia de maşini reprezintă baza industriei grele, de aceea

progresul tehnic în aceste ramuri are o importanţă deosebită. Prin folosirea metodelor puse la

dispoziţia de fizica nucleară, fiecare fază a proceselor tehnologice de producţie a fontei, a oţelului, a

semifabricatelor, sau a pieselor finite poate fi îmbunătăţită. Din punct de vedere al modului în care

în care se folosesc izotopii radioactivi, metodele se împart în trei grupe:

3.1.1. Metoda atomilor marcaţi

Prima metodă cuprinde metodele cu trasori radioactivi. Numeroase aplicaţii ale izotopilor

radioactivi se bazează pe proprietatea acestora de a emite radiaţii. O primă categorie de aplicaţii

utilizează aceste radiaţii ca semnale ale prezenţei izotopului radioactiv într-un anumit loc. Spre

exemplu, dacă o anumită cantitate de fosfor conţine un mic adaos de fosfor radioactiv, se poate

urmări circulaţia fosforului în diverse procese tehnologice, prezentă resturilor de fosfor în metal şi

aliaje, felul în care fosforul este asimilat de un organism viu şi locul unde se fixează. Această

metodă foarte utilă în cercetare poartă numele de metoda “atomilor marcaţi” sau a trasorilor

radioactivi.

Particularităţi ale metodei trasorilor radioactivi. Sensibilitatea ridicată a aparatelor de

detecţie a radiaţiilor permite constatarea prezenţei şi urmărirea unor cantităţi extrem de mici de

izotopi radioactivi. Nici o altă metodă de analiză folosită până astăzi nu este atât de sensibilă. Un

avantaj care decurge imediat din cele de mai sus este că nu sunt necesare intensităţi mari de radiaţii,

care ar fi dăunătoare pentru organism şi ar pune problema amenajării de instalaţii de protecţie

complexe. Metoda trasorilor se caracterizează pe nivelul redus al intensităţii radiaţiei. În al doilea

rând, izotopul radioactiv, care are rolul de trasor, are aceleaşi proprietăţi chimice cu izotopul

neradioactiv în care este încorporat. Ca urmare amestecul odată realizat se păstrează în decursul

diferitelor procese supuse studiului, comportându-se ca unul şi acelaşi elemente chimic. În felul

acesta se pot studia rolul şi transformările anumitor substanţe în procesele complexe. În al treilea

rând, măsurarea cu ajutorul detectorilor a radiaţiilor emise de izotopi radioactivi se poate face de la o

18

oarecare distanţă şi în mod continuu. În funcţie de natura, energia, şi intensitatea lor, fascicolele de

radiaţii pot străbate distanţe mai mari sau mai mici, trecând chiar prin diverse corpuri. Radiaţiile

gama sunt cele mai pătrunzătoare, pot să străbată fără să-piardă prea mult din intensitate, piese

groase din fier sau pereţi de beton. După cum am văzut, folosirea trasorilor radioactivi permite

studiul şi controlul unor piese de la distantă, chiar când acestea se petrec în vase sau încăperi

închise, în locuri inaccesibile sau în care pătrunderea cu alte mijloace de investigaţie ar turbura

procesul de cercetat, cum este cazul organismului viu.

Consecinţe ale utilizării metodei trasorilor radioactive Folosind trasori radioactivi cu durata

de înjumătăţire mică există certitudinea că, în scurt timp după terminarea cercetărilor propuse, nu va

mai rămâne în sistemul studiat practic nimic din izotopul radioactiv introdus. După modul în care

radioactivitatea scade în timp, adică după reducerea cantităţii de izotop radioactiv, se poate

identifica izotopul radioactiv, sau dacă acesta este cunoscut şi a fost introdus în cantitate cunoscută,

se poate afla cât timp a trecut de la introducerea lui.

3.1.2. Metoda ce foloseşte activarea probei

A doua grupă cuprinde metodele cu activarea probei. În acest caz, materialele sau piesele

care se studiază sunt activate prin iradiere cu neutroni. Această operaţie se poate face fie cu sursă de

neutroni de laborator, fie prin introducerea probei într-un reactor nuclear.

3.1.3. Metodă ce ataşează probei o sursă radioactivă

A treia grupă cuprinde metodele fără activarea probei cercetate. Izotopii radioactivii joacă în

acest caz numai rolul unor surse de radiaţii, iar ceea ce se foloseşte sunt tocmai aceste radiaţii. Sursa

de radiaţii se aşează în faţa materialului de cercetat iar fascicolul emis de sursă străbate materialul şi

este apoi detectat cu diferite mijloace.

3.2.Aplicaţii în procesul de obţinere a fontei, oţelului şi a aliajelor

3.2.1. Elaborarea fontei.

Fonta, produs de bază al industriei siderurgice se elaborează în furnal, numit şi cuptor înalt.

Furnalul este un agregat complex cu o capacitate de sute de m3. Funcţionarea lui este neîntreruptă,

cel puţin pentru perioade de câţiva ani, între două reparaţii. Prin partea superioară, numită gura

furnalului se introduc materiile prime: cocsul şi minereul de fier. Sub acţiunea gazelor, prin arderea

combustibilului şi a căldurii, încărcătura coboară treptat în furnal către zonele de temperatură înaltă.

În aceste zone ia naştere fonta lichidă, care se scurge în partea de jos a furnalului numită creuzet.

Viteza de coborâre a încărcăturii în furnal interesează foarte mult pe furnalişti în vederea dirijării

procesului de elaborare a fontei. Determinarea acestei viteze este imposibil de realizat cu alte

metode decât acea cu izotopi radioactivi. În acest scop se marchează câte un bulgăre de cocs şi de

minereu de fier cu ajutorul capsulelor cu izotopi radioactivi şi se introduc prin gura furnalului,

notându-se precis ora. În interiorul furnalului, în mai multe locuri se introduc contori Geiger-Müller

închişi în tuburi de protecţie răcite cu apa, pentru a nu se deteriora din cauza căldurii. Aceşti contori

semnalizează trecerea fiolelor cu Co60 (izotopul folosit) prin dreptul lor. În acest fel se poate trasa

un grafic exact al mersului încărcăturii şi se poate calcula viteza de coborâre a materialului în

diferite zone. Se determină profilul cel mai bun al furnalului, având în vedere scopul ca materialele

să aibă o viteză aproape uniformă. Pentru a întreţine şi a activa arderea combustibilului, în furnal se

suflă aer cu ajutorul gurilor de vânt. Pentru a determina viteza curenţilor de aer în interiorul

furnalului, în aerul introdus se amestecă un gaz radioactiv. La diferite înălţimi, gazele din furnal sunt

absorbite şi evacuate, trecând prin camere de ionizare unde se înregistrează radioactivitatea. În felul

acesta se poate studia drumul şi viteza gazului radioactiv, deci şi a gazelor care circulă prin furnal.

19

3.2.2 Elaborarea oţelului

Agregatele în care se elaborează oţelul sau acelea în care se transportă oţelul topit (cuptoare,

jgheaburi oale de turnare) sunt căptuşite cu materiale refractare rezistente la temperaturi ridicate.

Totuşi se poate întâmpla ca porţiuni mici din căptuşeala lor să se desprindă şi să treacă în oţel dând

naştere aşa-ziselor incluziunilor nemetalice. Prezenţa acestora în oţel are o influenţă dăunătoare

micşorând rezistenţa oţelului la şocuri, la uzură, la solicitări repetate. Metodele clasice folosite

pentru determinarea incluziunilor nemetalice nu erau suficient de exacte sau nu dădea indicaţii

asupra surselor din care au provenit. Prin aplicarea metodei cu izotopi radioactivi se poate determina

cantitatea de incluziuni nemetalice, distribuţia lor în lingoul de oţel, cât şi sursa de la care au

provenit, astfel să se poată lua măsuri de combatere a eroziunii căptuşelii. În acest scop în masa

refractară din care se face căptuşeala unui anumit agregat se introduce un izotop radioactiv. Din

oţelul care a trecut prin agregatul respectiv se iau probe, se separă incluziunile nemetalice existente

şi se determină radioactivitatea acestora. Dacă incluziunile sunt radioactive, înseamnă că ele provin

din căptuşeala marcată a agregatului respectiv.

Cantitatea incluziunilor se apreciază prin comparaţie cu o probă etalon confecţionate din

aceeaşi masă refractară marcată, iar distribuţia lor în lingou se stabileşte pe cale autoradiografică.

Marcând în mod distinct căptuşeala diverselor agregate implicate în procesul de fabricare a oţelului,

se poate determina care sunt acele care contribuie la impurificarea oţelului cu incluziuni. În acelaşi

mod se poate studia şi calitatea unor materiale refractare preferându-le pa acelea care introduc în

oţel cantitate minimă de incluziuni nemetalice. Izotopii radioactivi au fost folosiţi cu succes şi la

automatizarea turnării continue a oţelului. Această metodă constă în turnarea oţelului topit din oala

de turnare într-un cristalizator răcit intens cu apă, în care are loc o solidificare parţială a otelului.

Oţelul obţinut este de bună calitate numai dacă de fiecare dată cristalizatorul se umple până la

acelaşi nivel. Încercările de a automatiza acest proces cu ajutorul unui plutitor din material refractar

sau cu alte mijloace clasice nu au dat rezultate. Problema a fost rezolvată tot cu ajutorul izotopilor

radioactivi. Pentru aceasta s-a aşezat în afara cristalizatorului o sursă radioactivă cu Co60 care emite

radiaţii gama. Acestea străbat cristalizatorul şi sunt înregistrate de cealaltă parte de doi contori

Geiger-Müller aşezaţi unul sub altul. Intensitatea radiaţiilor înregistrate de contori depinde de

nivelul oţelului topit. Dacă nivelul se ridică în dreptul unuia dintre contori, indicaţia acestuia scade.

Comanda automată este realizată pe baza indicaţiilor celor doi contori, astfel ca nivelul oţelului să

fie menţinut între ei. În felul acesta, indicaţia primită de contorul de sus este mai intensă decât cea

primită de contorul de jos.

3.2.3. Prelucrarea metalelor prin deformare plastică

Metodele de deformare plastică se referă la laminare, extruziune şi construcţii de maşini.

a) Laminarea. În procesul de laminare a tablei una dintre cerinţele care trebuie respectate este

păstrarea uniformă a grosimii. Pentru a obţine table cu aceeaşi grosime, în timpul procesului de

laminare se poate folosi un aparat care se bazează pe absorbţia radiaţiilor nucleare. Se ştie că

absorbţia radiaţiilor este cu atât mai mare cu cât grosimea stratului de material este mai mare. În

cazul de faţă, metoda de măsurare este o metodă de comparaţie. În aparat există două surse

radioactive identice. Radiaţiile emise de prima sursă străbat o piesă de grosime diferită numită pană

de compensare. Radiaţiile emise de cea de-a doua sursă străbat tabla laminată care trebuie măsurată.

Radiaţiile de la cele două surse ajung la un detector. În mod automat, cu ajutorul unui motor electric

se reglează distanţa dintre valţuri în funcţie de grosimea penei de compensare, urmărind ca

intensitate radiaţiilor care ajung la detector de la cele două surse să fie aceeaşi. Distanţa dintre

valţuri menţinându-se constantă, grosimea benzii laminate este uniformă.

20

Avantajele sistemului descris sunt numeroase .

măsurarea este continuă, fără contact cu tabla

are loc pe o suprafaţă mai mare, deci nu este influenţată de mici defecte locale

se realizează comanda automată a distanţei dintre valţuri

b) Extruziunea. Extruziunea este un procedeu de prelucrarea materialelor la cald prin presare

hidraulică într-o matriţă prevăzută cu un orificiu. Prin acest orificiu metalul curge sub formă de ţevi

sau bare cu un anumit profil. Pentru punerea la punct a procedeului de extruziune este necesar să se

stabilească modul cum are loc procesul de curgere a materialului. Pentru aceasta, metalul sau aliajul

care va fi supus la extruziune este mai întâi găurit perpendicular pe direcţia de presare şi în găuri se

introduc probe cilindrice din acelaşi material activate prealabil prin iradiere într-un reactor nuclear.

După ce extruziunea s-a executat, ţevile sau barele profilate obţinute se secţionează la diferite

distanţe şi se studiază modul cum s-au repartizat probele iradiate. Acest studiu se face prin

autoradiografie sau cu alte mijloace de detecţie a radiaţiilor. Stabilind zonele în care s-a repartizat

materialul iradiat, se poate deduce modul cum s-a deformat întregul material datorită extruziunii.

c) Construcţii de maşini. Una dintre cele mai importante aplicaţii ale izotopilor radioactivi în

industrie este controlul radiografic cu radiaţii gama. Controlul radiografic se aplică în general atât

pieselor finite, cât şi semifabricatelor. De exemplu, se cercetează dacă piesele turnate au goluri,

fisuri sau incluziuni, dacă cusuturile de sudură sunt continue sau solide. Semifabricatele care

reprezintă defecte sunt eliminate din procesul tehnologic, pentru a nu se irosi muncă cu prelucrarea

lor mai departe. Controlul radiografic este obligatoriu la o serie de piese şi instalaţii de mare

importanţă în exploatare, care prin defectare ar putea duce la accidente. Ca exemple în acest sens

menţionăm piese de locomotivă şi avioane, cazane cu abur, corpuri de nave. Există mai mulţi izotopi

radioactivi care se folosesc în gamagrafie. Ei se deosebesc prin puterea de pătrundere a radiaţiei

gama, adică prin energia ei, în sensul că unei energii mari a radiaţiei gama îi corespunde o putere de

pătrundere mare. La piesele mai groase se foloseşte Co60 . Pentru piese mai subţiri se folosesc

izotopi ai cesiului sau ai iridiului. Pentru a face o gamagrafie se procedează în felul următor: filmul

fotografic se introduce într-o casetă care se fixează pe o parte a piesei de studiat, iar sursa de radiaţii

se aşează la o oarecare distanţă, în partea opusă. Radiaţiile gama străbat piesa fiind parţial absorbite.

În locul în care există defecte ( goluri) interioare cum ar fi fisuri sau goluri radiaţiile vor fi absorbite

mai puţin. Pe imaginea radiografică aceste defecte vor apărea ca nişte pete de intensitate diferită.

Uneori, în afară de metoda radiografică, la găsirea defectelor cu radiaţii gama se mai poate folosi şi

metoda ionizării. În acest caz, detectarea radiaţiilor nu se face cu o placă fotografică ci cu un aparat

detector de radiaţii cum ar fi un contor sau camera de ionizare. În regiunea care prezintă defecte

intensitatea radiaţiilor detectate creşte.

O altă aplicaţie interesantă a izotopilor radioactivi în construcţia de maşini este măsurarea

grosimii straturilor de acoperire a tablelor sau al sârmelor zincate sau cositorite. Înainte,

determinarea grosimilor acestor straturi nu se putea face decât indirect, prin metode chimice. Cu

ajutorul radiaţiilor nucleare această măsurare se poate face destul de exact prin metoda retrodifuziei

radiaţiilor. Principiul metodei este următorul: când radiaţiile nucleare pătrund într-un material, o

parte din ele sunt împrăştiate înapoi sau retrodifuzate. Cercetările au arătat că procentul de radiaţii

retrodifuzate din totalul radiaţiilor care pătrund în material este variabil şi depinde de doi factori.

Primul factor este grosimea materialului, intensitatea radiaţiilor retrodifuzate creşte cu grosimea

materialului până la o anumită grosime, dincolo de care rămâne constantă, adică ajunge la un nivel

de saturaţie. Al doilea factor este numărul atomic. Prin urmare, intensitatea radiaţiilor

corespunzătoare nivelului de saturaţie a unui material cu numărul atomic mai mare este superioară

celei corespunzătoare unui număr atomic mai mic.

21

Acest lucru îşi găseşte o aplicaţie directă la măsurarea grosimii stratului de acoperire la

tablele cositorite, deoarece cositorul are numărul atomic 50 iar fierul 26. Detectorul şi sursa se află

de aceeaşi parte. Sursa se fixează fie în interiorul detectorului, fie în exteriorul lui, în imediata lui

apropiere. Potrivind diviziunea zero a indicatorului aparatului la intensitatea corespunzătoare

nivelului de saturaţie al oţelului, acest indicator care are o scară gradată în unităţi de grosime, ne va

arăta direct grosimea stratului de acoperire. Acelaşi principiu poate fi folosit şi la măsurarea grosimii

pereţilor ţevilor sau cazanelor şi eventuala descoperirea unor defecte locale.

3.3.Aplicaţii în procesul de fabricaţie al produselor refractare

În industria produselor refractare s-au aplicat radionuclizii pentru determinarea unor

parametri de care depinde calitatea acestor produse ca:

timpul optim de amestecare a materiei prime

timpul de trecere al materialelor argiloase în cuptorul rotativ de somatizare

rezistenţa produselor refractare la uzură

3.3.1. Determinarea timpului de trecere a materialelor argiloase în cuptorul rotativ de somatizare,

cu surse închise de radiaţii nucleare

Fabricarea somatei se face în cuptoare rotative asemănătoare acelora de fabricaţia

cimentului. Pentru aceasta materialele argiloase se introduc în cuptor sub formă de brichete sau

bulgări, în contracurent cu gazele de ardere care se încălzesc treptat până ajung la temperatura de

vitrificare.

În cuptor se deosebesc trei zone tehnologice:

zona de uscare

zona de preîncălzire-calcinare

zona de vitrificare

În funcţie de calitatea materiilor prime, se obţin somate de diferite refracterităţi. Calitatea

somatei şi productivitatea cuptorului depind de timpul de retenţie al materialului în fiecare zonă

tehnologică. Timpul de retenţie poate fi determinat pe cale radiometrică. Această metodă dă

posibilitatea de a se afla timpul de retenţie pe zone tehnologice şi de-a lungul cuptorului, măsurând

timpul de trecere a materialului printre diferite puncte. Există două metode ce folosesc surse

deschise de radiaţii:

a) Metoda marcării materialului cu un radionuclid gama activ, având timpul de înjumătăţire scurt.

b) Metoda activări la reactor a unei părţi din material care se introduce în cuptor.

Aceste metode prezintă următoarele dezavantaje:

Materialul marcat constituie o sursă deschisă de radiaţii nucleare, ce este răspândită la ieşirea

din cuptor în următoarele faze ale procesului tehnologic şi poate produce prin inhalare de

praf, contaminări interne de scurtă durată.

Radionuclizii folosiţi având un timp de înjumătăţire mic, trebuie transportaţi de la reactor la

locul de aplicaţie cu mijloace de transport foarte rapide

Radionuclizii nu se recuperează

Pentru a înlătura aceste dezavantaje s-a recurs la metoda radiometrică cu surse închise de

radiaţii nucleare. Această metodă constă în următoarele:

Se introduc în cuptorul rotativ una sau mai multe capsule metalice care conţin un izotop

radioactiv, care emite radiaţii gama, a cărui energie este mai mare cu un MeV şi are timpul de

înjumătăţire convenabil.

22

Temperatura de topire sau de fierbere a izotopului radioactiv trebuie să fie peste 1400 0

C. În

aceste condiţii se pot utiliza: Sb,Co,Fe 1246059 . Materialul sau aliajul din care se confecţionează

capsulele trebuie să reziste la temperatura maximă de ardere din cuptor şi răcitor. Din aceste motive

capsulele s-au confecţionat din oţel rezistent la temperaturi ridicate. Capsulele au formă de cilindru

cu înălţime egală cu diametrul bazei şi având un volum în aşa fel calculat încât densitatea aparentă a

capsulei să fie egală cu cea a materialului ce se arde în cuptor. Trecerea capsulei cu izotopul

radioactiv prin diferite puncte, care marchează zonele cuptorului se urmăreşte din exterior cu

ajutorul unui radiometru la o distanţă de 0.5 m pentru a evita încălzirea contorului de radiaţii. În

momentul în care sursa trece prin dreptul punctului considerat, indicatorul aparatului arată o

intensitate maximă. Se notează ora trecerii prin fiecare punct de măsurare.

Capsula cu sursa de radiaţii se recuperează la ieşirea din agregat în modul următor: cu

ajutorul radiometrului se semnalizează apropierea sursei de radiaţi de ieşirea din răcitor, din acest

moment materialul din răcitor se evacuează pe o platformă şi se recuperează sursa de radiaţii după

identificarea ei cu radiometrul. Sursa de radiaţii se poate folosi la oricâte încercări este nevoie.

Această metodă prezintă următoarele avantaje:

Personalul este protejat contra radiaţiilor

Sursa de radiaţii se poate folosi ori de câte ori este nevoie

Se poate face un număr mare de determinări într-un timp scurt

Transportarea surselor de radiaţii la locul de aplicaţii se poate face cu mijloace curente

Metoda este precisă, rapidă şi permite determinarea timpului de trecere în cuptorul rotativ

atât pe zone cât şi de-a lungul întregului cuptor.

3.3.2. Determinarea timpului optim de amestecare al materiilor prime refractare

Durabilitatea produselor refractare de somată în agregatele termice industriale depind în

mare măsură de caracteristicile lor fizico-chimice. Un rol determinant în acest sens îl are modul de

amestecare a materiilor prime din care se compune reţeta de fabricaţie. Structura produselor

refractare depinde de omogenitatea distribuţiei granulelor de somată între acelea de argilă-liant şi

influenţează o serie de proprietăţi fizice ca: rezistenţa la şoc termic, la atacul zgurelor, la

compresiune. Cunoaştere timpului optim de omogenizare duce la asigurarea calităţii produselor

refractare şi la determinarea productivităţii amestecătorului. Spre deosebire de metodele uzuale

metoda radiometrică şi autoradiografică arată în mod precis gradul de omogenitate a diverselor

componenţi ai masei refractare şi dă indicaţii asupra felului cum s-a distribuit argila-liant în timpul

amestecării. Metoda autoradiografică se bazează pe efectuarea autoradiografiei probelor luate din

timp în timp din masa marcată, omogenizarea optimă fiind dată de o distribuţie uniformă a

particulelor componentului marcat pe autoradiografie. Aceste metode cu indicatori radioactivi s-au

aplicat pentru determinare timpului optim de amestecare a materiilor prime refractare, în amestecul

Eirich, la fabricaţia produselor de somată. În acest caz având trei componenţi s-au folosit doi

radionuclizi unul beta şi altul gama activ, ţinând seama de următoare:

natura şi energia radiaţiilor

timpul de înjumătăţire

combinaţia chimică a radionuclizilor

radionuclizii să rezulte dintr-o reacţie nuclear

Trebuie să se determine timpul optim de omogenizare a trei amestecuri binare. Utilizând

reţeta 70% somată, 30% argilă-liant s-a preparat o şarjă de 600 Kg care este semiuscată. Somata s-a

marcat cu Cr15 sub formă 34

15 SOCr iar argila cu W185 utilizând combinaţia 2

185

2 WONa . Pentru

prepararea şarjei s-a procedat astfel:

23

S-a introdus în amestecător argila liant peste care s-a adăugat soluţia de 2

185

2 WONa . S-a

omogenizat timp de opt minute, timp determinat prin măsurători radiometrice. Argila marcată

uniform s-a scos din amestecător şi s-a păstrat pentru amestecul propri-zis. Apoi s-a marcat în

acelaşi mod somata fină cu soluţie de 34

15 SOCr peste care s-a adăugat somata groabă. S-au

amestecat şi s-au luat probe din minut în minut pentru măsurătorile radiometrice. Activitatea redusă

a probelor măsurate a arătat că pentru omogenizarea somatelor sunt necesare trei minute. După

omogenizare somatelor s-a introdus barbotină marcată în prealabil cu 2

185

2 WONa , s-au efectuat

măsurători radiometrice şi a rezultat un timp de omogenizare de două minute. În final s-a adăugat

argila marcată şi s-a determinat în acelaşi mod timpul de omogenizare care a fost de patru minute. În

total pentru omogenizarea unei şarje prin metoda semiuscată sunt necesare nouă minute.

3.4. Utilizarea izotopilor radioactivi la studiul şi controlul uzurii

3.4.1. Consideraţii generale

Uzura este un proces ce constă într-o degradare progresivă a suprafeţei unei piese din cauze

mecanice, cum ar fi căldura şi frecarea. Ea are urmări nefavorabile asupra capacităţii de funcţionare

a pieselor, datorită dereglărilor, jocului între piese, gripările ce le produce şi care pot duce la avarii

şi accidente grave.

Uzura depinde de mulţi factori ca:

geometria şi stare piesei

materialul din care este construită piesa

presiunea exercitată pe suprafeţele în mişcare

temperatura în locul unde se produce uzura

viteza de mişcare a pieselor

cantitatea şi calitatea lubrifiantului

timpul de funcţionare

Cercetările privind uzura se întreprind în următoare scopuri;

determinarea celor mai economice regimuri de funcţionare a maşinilor sau a organelor de

maşini

mărirea rezistenţei la uzură a suprafeţelor aflate în mişcare

planificarea cât mai corectă a reparaţiilor

confecţionarea numărului necesar de piese de rezervă

stabilirea celor mai bune medii de ungere

stabilirea gradului de uzură la diferite straturi de lubrifianţi

urmărirea depăşirii gradului admisibil de uzură

cercetarea influenţei prafului care pătrunde în maşină

Cercetările privind uzura cuprinde trei domenii:

cercetarea uzurii în condiţii de laborator

cercetarea uzurii organelor în frecare ale maşinilor în condiţii de exploatare s-au pe bancul

de probă

cercetarea uzurii sculelor aşchietoare şi neaşchietoare.

Procedeele vechi de apreciere a uzurii, cum ar fi cântărirea piesei înainte şi după uzură, care

constau în opriri neproductive ale maşinilor, în cheltuieli generate de demontarea şi montarea lor, în

variaţii ale uzurii ca urmare a demontării pieselor, de unde rezultă concluzii eronate, fiind necesară

şi o aparatură de măsurat costisitoare.

24

Cel mai mare neajuns al vechilor procedee de apreciere a uzurii constă în faptul că aceste

fenomene nu puteau fi urmărite în timpul desfăşurării lor. Procedeele noi constau în urmărirea

vitezei de uzare a organelor de maşini chiar în timpul funcţionării acestora, ele pot fi de două feluri:

Primul procedeu constă în determinarea conţinutului de fier rezultat în urma uzurii în mediul de

ungere, probele de ulei fiind analizate pe cale chimică, stabilindu-se astfel conţinutul de fier. Acest

procedeu este nesatisfăcător datorită efectuării unor lucrări costisitoare şi de lungă durată. Al doilea

procedeu constă în utilizarea izotopilor radioactivi. Utilizarea izotopilor radioactivi nu exclude

vechile procedee de cercetare a uzurii, combinarea, în unele cazuri, cu acestea poate duce la

rezultate deosebite. Organelor de maşini radioactivate li se desprind particule mici în timpul

procesului de uzare, care pot fi regăsite în materialul de ungere. Detectarea se poate face cu ajutorul

unui contor care, după numărul de impulsuri ce le dă pe minut indică gradul de uzură în timpul

funcţionării maşinii. În cazul maşinilor şi agregatelor cu sistemul de ungere prin circulaţie aparatul

de măsurat se poate aşeza favorabil în sistemul de ungere prin circulaţie s-au în apropierea conductei

de ulei, putându-se trasa direct diagramele uzurii, după variaţia radioactivităţii înregistrată de contor.

Cantitatea de izotop radioactiv, găsită în lubrifiant este proporţională cu uzura.

3.4.2. Uzura roţilor dinţate

În cele ce urmează se va descrie sistemul Borsoff, Cook şi Otvas privind uzura roţilor

dinţate. Se iradiază o roată dinţată într-un flux de neutroni. Izotopii radioactivi ce iau naştere în roată

în timpul acestui proces de iradiere sunt următorii: Cr,Co,Fe,Fe 51605955 . Roata în cauză este

angrenată cu altă roată neradioactivă, fiind supusă la diferite solicitări. Particulele radioactive ,

desprinse în timpul procesului de uzură de pe suprafaţa roţii dinţate, sunt antrenate de uleiul pompat

pin cutia angrenajului. Uleiul, ce antrenează particule radioactive, este refulat de o pompă de

circulaţie spre o cameră în care s-a montat un contor Geiger-Müller. Se compară activitatea, după

numărul de radiaţii înregistrate de contor într-un minut, în timpul circulaţiei uleiului şi în timpul

când uleiul nu circulă. Etalonul de comparaţie este o soluţie de naftenat de fier, preparată din

material din roata dinţată radioactivă. Se constată că numărul de înregistrări pe minut este o funcţie

liniară de cantitate de metal din ulei. Întrucât activitatea roţii scade din cauza unor izotopi cu

perioada de înjumătăţire scurtă, este necesar ca activitatea roţii dinţate să fie determinată zilnic.

3.4.3. Uzura motoarelor

Prin studierea uzurii motoarelor se permite perfecţionarea construcţiei motoarelor, găsirea şi

verificarea celor mai bune metode de ungere şi a combustibilului celui mai potrivit. Metoda de

încercare a motoarelor constă în următoarele: organul de maşină a cărui uzură trebuie determinată,

spre exemplu segmenţii unui piston de motor de automobil se activează în prealabil prin iradiere cu

neutroni apoi se montează în motor şi se lasă să funcţioneze normal o perioadă scurtă de timp.

Datorită uzurii fragmentele microscopice din segmentul activat se vor desprinde şi vor fi antrenate

în uleiul care unge motorul. Acesta este pompat continuu afară din motor, trece printr-un filtru unde

se depun fragmentele desprinse din piston şi se reîntoarce în motor pentru a repeta ciclul de ungere.

În dreptul filtrului sunt instalaţi contori a căror indicaţii este direct proporţională cu cantitatea de

material care s-a desprins de pe segment, deci cu uzura acestuia. Faptul că determinările sunt extrem

de sensibile şi durează puţin timp, permite cercetătorilor să tragă concluzii asupra mersului uzurii,

cu mult înainte ca pe organul respectiv de maşină să fi apărut un semn vizibil de uzură. Asemenea

instalaţii de încercare a uzurii motoarelor cu ajutorul izotopilor radioactivi se instalează chiar pe

autocamioanele ale căror motoare se încearcă constituind adevărate laboratoare mobile. S-au obţinut

în felul acesta date preţioase pentru constructorii de maşini, cât şi pentru cei care le exploatează. S-a

putut astfel stabili cum depinde uzura motorului de automobili de calitatea combustibilului şi a

lubrifiantului, de starea drumului, de conţinutul de praf în aer, de temperatură şi de alte condiţii.

25

3.4.4. Uzura sculelor aşchietoare

Pentru cunoaşterea mai aprofundată a naturii fizice a procesului de uzare a sculelor

aşchietoare există, de asemenea, metode ce folosesc izotopii radioactivi . Stabilirea regimurilor

optime de uzură este importantă în cadrul uzinelor şi linilor automate. Cunoaşterea acestor

fenomene permite luarea de măsuri necesare. Se cunosc două procedee de activare:

Introducerea izotopilor radioactivi în compoziţia şarjei aliajului dur

Activarea plăcuţelor din metal dur pe calea tratamentului cu neutroni în reactor.

Cuţitele cercetate au fost iradiate în reactor, rezultând astfel izotopi radioactivi ca:

Ta,W,W,Co 18218518760 .

Radioactivitatea şpanului s-a detectat cu un contor Geiger-Müller, obţinându-se astfel

indicaţii chiar în timpul funcţionării maşinii, ceea ce a redus astfel foarte mult timpul pentru

măsurarea uzurii în comparaţii cu alte procedee. Din cercetări, a rezultat că, folosind chiar

tetraclorura de carbon, unul dintre cele mai bune lichide de răcire, este inevitabilă sudarea locală,

tranzitorie a cuţitului cu piesa de prelucrat. În şpan se găseşte cel puţin 95% din substanţa

radioactivă desprinsă prin uzură. Prin aceste procedee se mai poate controla rapid şi uşor calitatea

metalului dur, a uleiului de răcire, şi forma cuţitului. Poate fi studiată dependenţa uzurii de viteza de

lucru. Plăcuţele de carbură de Wolfram de la cuţite au fost iradiate într-un flux de neutroni. În urma

iradierii au apărut izotopii radioactivi W,W 185187 . Măsurându-se activitatea aşchiei metalice

îndepărtate de pe piesa de oţel s-a putut stabili uzura în funcţie de timpul de prelucrare.

3.4.5. Uzura produselor refractare

Am văzut mai sus că procesul de elaborare a fontei în furnal se întrerupe la câţiva ani pentru

reparaţii. Acestea constau în primul rând la rezidirea căptuşelii furnalului, care este construit din

cărămidă refractară. Cărămida refractară, deşi este special făcută pentru a rezista la temperaturi

înalte, se uzează cu timpul şi neînlocuirea ei la timp poate da naştere la accidente grave. Pe de altă

parte, oprirea prematură a furnalului, când reparaţiile nu sunt necesare, este neeconomică. De aceea,

determinarea exactă a gradului de uzură a căptuşelii furnalului este de mare importanţă. Şi această

problemă se poate soluţiona cu ajutorul izotopilor radioactivi. Pentru aceasta, atunci când se zideşte

furnalul se introduc din loc în loc, în interiorul căptuşelii de cărămidă, capsule cu izotopi radioactivi.

Supravegherea procesului de uzură în timpul funcţionării agregatului poate fi făcută în două moduri.

În prima variantă, o serie de contori Geiger-Müller instalaţi împrejurul furnalului înregistrează

radioactivitatea capsulelor care se găsesc în căptuşeală. O scădere bruscă a indicaţiei unuia dintre

contori înseamnă că una dintre capsule a căzut în furnal datorită uzurii căptuşelii. În a doua variantă

se înregistrează activitatea fontei produse de furnal. În acest caz, o creştere bruscă a radioactivităţii

fontei este o indicaţie că una din capsule a căzut din căptuşeală. Ţinând o evidenţă a rezultatelor date

de una sau de ambele variante de măsurare se poate cunoaşte în orice moment progresarea uzurii

căptuşelii, şi se pot lua hotărâri în cunoştinţă de cauză.

3.5. Utilizarea izotopilor radioactivi la studiul şi controlul coroziunii

Procesul de coroziune constă în reacţii chimice sau electrochimice, la limita metal-mediu şi

distrugerea superficială sau totală a metalelor sau a aliajelor.

Coroziunea este de mai multe feluri:

Coroziune uniformă, când agentul corosiv lucrează simultan şi uniform pe întreaga suprafaţă

metalică.

26

Coroziune locală, agentul corosiv acţionează pe o porţiune restrânsă din suprafaţa metalului.

Ea poate progresa rapid în adâncimea materialului putând fi străpuns fără ca acest lucru să se

observe la suprafaţă

Coroziune selectivă, când agentul corosiv lucrează numai asupra unor elemente din

compoziţia aliajului sau a structurii cristaline.

Cauza acestui proces de coroziune şi fenomenul de iniţiere a distrugerii materialului constau

în tendinţa metalelor de a forma ioni atunci când vin în contact cu electroliţii şi de a forma

combinaţii chimice în contact cu neelectroliţi. Viteza coroziunii este influenţată de următorii factori:

Concentraţia ionilor de hidrogen (pH)

Concentraţia substanţelor oxidante sau a oxigenului

Umiditatea

Temperatura

Coroziunea sub influenţa acizilor constă în dizolvarea metalelor în acid. Ea se va produce de

la suprafaţa metalului spre interior. Stabilitatea metalului faţă de acid este în mare măsură o

caracteristică a proprietăţilor sale anticorozive.

3.6. Utilizarea izotopilor radioactivi pentru marcare şi numărare

3.5.1. Marcarea cu izotopi radioactivi.

Pentru a evita confundarea benzilor de oţel de diferite calităţi, laminate la rece, asemănătoare

ca aspect exterior, a fost necesară marcarea acestora, astfel încât să fie nedespărţită de banda şi să nu

dispară în cadrul diferitelor operaţii tehnologice. Diferite procedee de marcare a metalului cum sunt

cele mecanice, magnetice şi electrochimice, s-au dovedit necorespunzătoare pentru acest scop.

Tehnica nucleara, prin folosirea izotopilor radioactivi a dat soluţia definitivă în privinţa marcării

acestor benzi de oţel. Astfel folosindu-se un electrod care conţine P32 se aplică, prin scântei

electrice, pe banda de oţel câteva semne dinainte stabilite. Benzile de oţel marcate radioactiv se

disting între ele prin felul şi energia radiaţiei emise(, sau ), precum şi prin numărul, mărimea şi

forma semnelor radioactive de pe produs. Acest procedeu se caracterizează prin simplitatea aplicării

şi citirii marcajului în timpul procesului tehnologic şi prin aceea că, în urma acestei marcari,

suprafaţa marcată îşi păstrează neschimbate calităţile. Acest procedeu eliberează un mare număr de

muncitori care lucrează la controlul calitativ pe diferite faze ale procesului tehnologic. După ce în

cursul primei operaţii a procesului tehnologic ale benzilor de oţel s-a făcut marcarea cu P32 în

operaţiile tehnologice următoare constatarea şi descifrarea semnelor radioactive de pe benzile de

oţel se efectuează folosind detectoare de radiaţii, pelicule fotografice sau rontgenografice prin

autoradiografie.

3.5.2. Aparate de numărare pe banda rulantă ce folosesc izotopi radioactivi.

Aceste aparate îşi găsesc aplicare în toate ramurile industriale, acolo unde este nevoie de

numărat producţia finită sau chiar semifinită. Aparatele de numărat ce funcţionează cu izotopi

radioactivi sunt aparate simple şi sigure ca funcţionare. Prin natura lor izotopii radioactivi dau

fluxuri de radiaţii radioactive continue. Aparatele de numărat se bazează pe faptul că obiectele care

trec pe o bandă rulantă întrerup aceste fluxuri de radiaţii continue. Pe o parte a benzii rulante, într-

un container în formă de ţigară se găseşte o cantitate mică de izotop radioactiv. Ca izotop

radioactive se foloseşte Sr90 .De cealaltă parte a benzii rulante pe care trec obiectele se găseşte

detectorul de radiaţii , cuplat cu numărătorul electro-mecanic. La trecerea unui obiect între sursa

radioactivă şi contor, fluxul de radiaţii se întrerupe şi intră în funcţiune numărătorul electro-mecanic.

27

Un asemenea aparat poate număra până la 180 obiecte pe minut. Acest procedeu de numărare

prezintă avantaje mult mai mari decât metoda fotoelectrică, întrucât nu mai este necesară aparatura

optică şi nici dispozitive, care să ferească de lumină aparatul receptor.

3.7. Aplicatii ale izotopilor in diferite domenii de activitate

1. Aplicatii in paleontologie si geologie. Izotopii diferitelor elemente sunt folositi pentru a stabili

varsta unor fosile de animale care au trait cu milioane de ani in urma, sau pentru a aprecia datele la

care au avut loc diferite evenimente geologice. Pentru a realiza datarea evenimentelor sau a fosilelor

se folosesc diferite metode: de exemplu datarea folosind izotopi ai carbonului se face pentru

materiale organice care au in jur de 250-45000 de ani. Materialele care pot fi supuse acestei metode

de datare pot fi: materiale textile, statuete, portelanuri, diferite obiecte arheologice. Alti izotopi care

se folosesc in datarea geo-paleontologica, inafara de carbon, mai sunt: beriliu-10, aluminiu-26, clor-

36, siliciu-32. Izotopii de beriliu si de aluminiu sunt folositori in special pentru datarea rocilor care

au mai mult de 10 000 000 de ani, a rocilor, lacurilor, riurilor si a depunerilor de sedimente din jurul

porturilor maritime din ultimii 1000 de ani. Izotopii de siliciu-32 se folosesc pentru datarea solurilor,

groundwater si a ghetii. Grounwater poate fi datata folosind izotopii de tritiu. Izotopii de potasiu si

izotopii de argon (argonul este un gaz rar) se utilizeaza pentru datarea rocilor si a mineralelor care

au mai mult de 1 000 000 de ani. Izotopii de rubidiu si de strontiu se folosesc pentru datarea

materialelor care au mai mult de 10 000 000 de ani mi366t7393fiie Izotopi ai uraniului, care este un

element radioactiv, sunt folositi de multe ori pentru a stabili varsta rocilor si a mineralelor care au

mai mult de 1 000 000 de ani.

2. Aplicatii in medicina. Aplicatiile izotopilor in medicina sunt numeroase si se refera in special la

izotopii elementelor radioactive. Aceste aplicatii au contribuit la dezvoltarea unei noi ramuri a

medicinii, si anume medicina nucleara. Iata cateva exemple:

Diagnosticarea - folosirea unor izotopi radioactivi care emit raze gama asupra corpului uman.

Aceste raze produc anumite modificari fiziologice specifice asupra portiunilor din corp care se

cerceteaza si permit medicilor sa diagnosticheze cazul respectiv.

Radioterapia - tehnica de tratament folosita in majoritatea cazurilor de cancer. Cercetatorii au

observat ca in urma bombardarii tesuturilor afectate de cancer cu anumiti izotopi radioactivi, cum ar

fi de exemplu iod-131 sau iridiu-192 celulele canceroase sunt complet distruse.

Analize biochimice - pentru a determina prezenta unor urme de elemente radioactive in corpul uman

(in cazul unor boli profesionale, aparute in urma contactului cu elemente radioactive - de exemplu

minerii de la minele de plumb sau uraniu, lucratorii de la Centralele atomoelectrice) se folosesc teste

cu izotopi radioactivi.

Exemple de izotopi utilizati in medicina nucleara:

Molibden-99-folosit pentru producerea izotopului numit technetium-99m, care este cel mai des

folosit izotop in medicina;

Technetium-99m - folosit in cercetarea scheletului uman si a muschiului inimii, dar de asemenea, si

pentru cercetarea creierului, a glandei tiroide, a ficatului, a splinei, a presiunii sanguine

Crom-51 - folosit la cercetarea sangelui ( in special in cazurile de leucemie - leucemia este un cancer

al sangelui)

Cobalt-61 - folosit in radioterapie

Cupru-64 - folosit pentru studierea bolilor genetice

Iod-125 - folosit in tratamentul cancerului de creier

Iod-131 - folosit in cazurile de cancer al glandei tiroide

28

3. Aplicatii in agricultura:

Detectarea apelor de suprafata - Izotopii se folosesc pentru a determina localizarea si

marimea panzei de apa freatica (apa freatica, este apa de suprafata). Aceasta aplicatie este foarte

folositoare mai ales in regiunile desertice unde apa este bunul cel mai de pret, de ea depinzand viata

oamenilor din acel loc.

Masurarea caderilor de apa - este o aplicatie folositoare in regiunile unde ploua mult, ca de

exemplu in India. De asemenea se utilizeaza la stabilirea debitelor raurilor si fluviilor, in special la

cele cu debit mare, de exemplu fluviul Gange, in India.

Masurarea depunerilor de sedimente pe fundul marii in regiunile portuare

Masurarea prezentei substantelor pesticide in sol

4. Aplicatii industrial:

Producerea energiei nucleare in Centralele atomo-electrice - Aceasta este cea mai

importanta aplicatie industriala de la descoperirea energiei atomice la inceputul secolului XX.

In industria aeronautica si de automobile - pentru testarea motoarelor

In constructii - la determinarea densitatii suprafetei si a terenului pe care urmeaza sa se

construiasca un drum sau o cladire

In industria petroliera si a gazelor naturale, in minerit - pentru determinarea compozitiei

zacamintelor

4. Importanţa unor izotopi

Izotopii radioactivi artificiali şi naturali constituie un instrument eficient şi de mare fineţe

pentru crearea unor procedee extrem de sensibile de analiză şi control în industrie, un mijloc unic de

diagnoză medicală şi de terapie a diferitelor boli, o unealtă uimitoare cu care se poate acţiona

asupra diferitelor substanţe.

În metalurgie – izotopii sunt utilizaţi la elaboarrea fontelor, a oţelurilor şi pentru studiul

feroaliajelor;

În industria constructoare de maşini -se pot controla sudurile; se pot descoperi defecte ale

unor materiale;

În domeniul chimiei – care utilizează izotopii radioactivi – vulcanizarea cauciucurilor –

obţinerea unor polimeri cu calităţi deosebite, obţinerea unor materiale speciale prin tratarea

lemnului şi a unor materiale plastice cu izpotopii radioactivi, descompunerea grăsimilor,

prelucrarea petrolului, etc.

În agricultură – ca metodă de cercetare ştiinţifică în selecţia plantelor şi pentru creşterea

productivităţii acestora, pentru măsurarea umidităţii şi a densităţii solurilor şi terenurilor.

În medicină – pentru diagnosticarea şi pentru terapia duferitelor boli, obţinându-se

numeroase preparate.

În arheologie – pentru datarea diferitelor materiale se utilizează izotopul carbonului.

Descoperirea izotopilor radioactivi a facilitat lărgirea domeniului de crecetare prin folosirea

izotopilor radioactivi ca atomi marcaţi, indicatori sau trasori în variate procese tehnice şi biologice.

Aplicaţiile izotopilor radioactivi pot fi clasificate mai întâi în funcţie de domeniu de utilizare;

deosebim astfel aplicaţii în industrie, în agricultură în medicină etc. Se poate detalia şi mai mult

clasificarea, deosebind aplicaţii în hidrologie, exploatarea petrolului, gamagrafie eţc., practic

neexistând astăzi domeniu de activitate ştiinţifică sau pur tehnologică, în care să nu se utilizeze, sub

29

o formă sau alta radiaţiile emise de izotopii radioactivi. Aplicaţiile menţionate se bazează pe

diferitele fenomene de interacţie ale radiaţiei cu substanţa. Aceste fenomene sunt:

Atenuarea (absorţie şi împrăştiere) radiaţiei în substanţă. Pe aceste fenomene se bazează

metodele de măsurare a grosimilor de material, densităţilor şi nivelelor fluidelor în

recipiente.

Retroîmprăştierea radiaţiilor, care permite măsurări de grosimi, nivele de concentraţii.

Ionizarea produsă de radiaţii. Pe acest fenonen se bazează construirea detectoarelor de

radiaţii, neutralizarea electricităţii statice, măsurarea debitelor de gaze.

Modificarea vitezei reacţiilor chimice, modificarea propietăţilor materialelor iradiate. Acest

fenomen este folosit în radiochimie şi în industria chimică, în industria materialelor electrice,

petrolului.

Emiterea continuă de radiaţii de către izotopii radioactivi. Pe această proprietate se bazează

folosirea lor ca trasori pentru a urmări procesele naturale sau artificiale în substanţa vie, în

hidrologie sau atmosferă, în plante sau în organismul uman, în ţesutul muscular sau osos.

fenomene de natură electrică au permis construirea unor generatoare de electricitate folosind

izotopi radioactivi, dintre care cel mai celebru este “pace-maker”-ul instalat în cutia toracică

a unor cardiaci pentru a întreţine batăile unor inimi obosite.

Excitarea radiaţiilor de fluorescenţă, prin iradierea unor substanţe cu o anumită radiaţie, şi

determinarea intensităţii radiaţiei de flourescenţă produse. Acest tip de aplicaţii permite

determinarea compoziţiei, concentraţiilor, grosimilor etc.

Efectele biologice (nocive) ale radiaţiilor, care, evident, trebuie evitate pentru om, în care

scop se iau măsuri de protecţie (ecranarea surselor, expunerea echipamentelor de lucru pe

durate de timp cât mai scurte etc.).Aceleaşi efecte pot fi însă folosite pentru stimularea

încolţiri seminţelor şi mărirea recoltelor, dar şi pentru oprirea încolţirii, dezinsectizarea,

sterilizarea prin iradiere, conservarea alimentelor etc.

5. Concluzii

Izotopii au aplicatii in mai toate domeniile de activitate contribuind la aparitia de noi stiinte

(de exemplu medicina nucleara), noi tehnologii folosite in industrie, agricultura, etc pentru

producerea de bunuri sau pentru cercetare. Nu toate aplicatiile au doar efecte pozitive. In folosirea

izotopilor, in special a celor radioactivi trebuie sa se tina seama de efectele negative pe care acestia

le au asupra omului si a mediului inconjurator.

30

6. Bibliografie

1. I.G. Murgulescu Introducere în chimia fizică, vol.I,1 Atomi.Molecule.Legătura

chimică, Editura Academiei RSR, București, 1976

2. I.G. Murgulescu, J. Păun Introducere în chimia fizică vol I,3 Nucleul atomic. Reacții nucleare. Particule elementare Editura Academiei RSR, București 1982

3. Gh. Văsaru Izotopii stabili Editura Tehnică, București 1968

4. Chiosilă, I., Oncescu, M., ş.a., Radioactivitatea naturală în România, Bucureşti, 1994.

5. Oncescu, M., Chiosilă, I., Radioactivitatea artificială în România, Bucureşti, 1995.

6. Negulescu, M., Ianculescu, S., Vaicum, L., Bonciu, G., Pătru, C., Pătru, O., Protecţia

mediului înconjurător, Editura Tehnică, Bucureşti, 1995.

7. Sanielevici, Al., Radioactivitatea. Fenomene şi legi generale, vol. I, Editura Academiei

R.S.R., 1956.

8. Tobologea, V., Creţu, V., Elemente de protecţie a mediului; protecţia apelor de suprafaţă, a

solului şi combaterea poluării nucleare, Editura Universităţii Gh. Asachi, 2000.

9. Ionescu, C., Băloiu, L., Introducere în problematica mediului înconjurător, Editura ILEX,

2002.

10. Marcu, Gh., Marcu, Teodora, Elemente radioactive. Poluarea mediului şi riscul iradierii,

Editura Tehnică, Bucureşti, 1996.

11. Onuţu, I., Stănică – Ezeanu D., Protecţia mediului, Editura UPG 2003.

12. *** Hotărârea Guvernului nr. 264/1991 Controlul activităţii nucleare.

13. ***"Radiation Protection Home Page." 1996. http://www.umich.edu/~bbusby/.

14. www.scribd.com

15. www.wikipedia.ro

16. www.referate.ro