Medicina nuclear

Energía atómica. CNEA. Radiación. Radioterapia. Radioisótopos. Tokamak. Reactores atómicos. Fusión y fisión

  • Enviado por: I G De P
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Introducción

La radiación está presente desde el origen del Universo, hace aproximadamente 20000 millones de años, ya que intervino en la gran explosión: Big Bang. Es así que la radiactividad existía en nuestro planeta mucho antes que la aparición de la vida sobre el mismo, todo organismo vivo contiene vestigios de sustancias radioactivas. Pero hace menos de un siglo que la humanidad descubrió este fenómeno gracias a científicos como Henri Becquerel, Wilhelm Röentgen y Marie y Pierre Curie entre otros.

En 1945 se puede decir que comenzó trágicamente la "Era Nuclear" con la caída de las primeras bombas atómicas en las ciudades de Hiroshima y Nagasaki. A partir de allí la certeza de que las bombas nucleares podrían acabar con nuestra civilización afecta a las decisiones políticas y la actitud hacia la guerra. Pero afortunadamente el hombre ha logrado el uso pacífico de esta energía como por ejemplo en la Medicina.

El Uso de la Energía Atómica en la Medicina y Otras Actividades Positivas en la Humanidad

¿Qué es la energía nuclear?

Es aquella que se libera como resultado de cualquier reacción nuclear. Puede obtenerse bien por fisión o por fusión. En las reacciones nucleares se libera mayor cantidad de energía que en las producidas en explosiones convencionales.

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¿Qué es un átomo?

Es la menor parte de un cuerpo del que constituye su base. Está formado por un núcleo de neutrones y protones alrededor del cual giran los electrones como si se tratara de un sistema solar.

¿Qué son los radioisótopos?

También reciben el nombre de isótopos radiactivos. Estos pueden ser naturales o artificiales. Se emplean con objetivos tan diversos como mejorar los cultivos de plantas alimenticias, para la conservación de alimentos, en la esterilización de productos médicos, análisis de hormonas y para estudiar la contaminación ambiental entre otros.

¿Qué es el uranio?

Es uno de los combustibles nucleares más importantes. Contiene núcleos fisionables y puede emplearse en un reactor nuclear para que en él se desarrolle una reacción nuclear de fisión en cadena.

¿Qué es la radioactividad?

Es la desintegración espontánea de núcleos de átomos inestables con proyección de rayos radiactivos, partículas o cargas eléctricas dotadas de gran velocidad y acompañada de emisión de radiación electromagnética penetrante.

¿Qué es la Fisión Nuclear?

La fisión nuclear es una reacción en la que una emisión de neutrones y radiaciones, es acompañada por la liberación de una gran cantidad de energía.

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Ilustración 1 Diferencia entre Fusión y Fisión

¿Qué es la Fusión Nuclear?

Esta es una reacción entre núcleos de átomos ligeros que conduce a la formación de un núcleo más pesado, acompañada de liberación de partículas elementales y de energía.

¿Qué es una Reacción Nuclear en Cadena?

Esto es una sucesión de fisiones en la que los neutrones liberados en cada reacción producen nuevas fisiones.

La Energía Nuclear como opción para revertir el Efecto Invernadero

Las centrales nucleares no polucionan al ambiente con dióxido de carbono. Por esa razón, son propuestas como alternativa para contrarrestar al efecto invernadero. El dióxido de carbono, generado al quemar combustibles fósiles (petróleo, gas, carbón), tiene la propiedad de absorber la luz; por eso, cuando aumenta su concentración en la atmósfera también se incrementa la temperatura promedio en la Tierra, al generarse un fenómeno análogo al provocado por las paredes de un invernáculo. El efecto invernadero siempre existió en nuestro planeta; pero, al aumentarse artificialmente y en forma abrupta la concentración de dióxido de carbono, se está alterando el balance hasta ahora natural entre la energía que nos llega desde el Sol (siempre la misma) y la vuelta a emitir hacia el espacio (ahora menos), produciendo como consecuencia un recalentamiento que determinará un ascenso del nivel del mar y desequilibrios climáticos impredecibles.

¿Cuántas plantas de generación atómica hay en el mundo? ¿Qué pasa con la salud de los trabajadores de esas plantas?

De acuerdo con información divulgada por la OIEA (Organización Internacional de Energía Atómica), actualmente funcionan en el mundo 443 centrales nucleoeléctricas.

En todas partes, quienes operan instalaciones de este tipo están sometidos a rigurosos y sistemáticos controles médicos, lo que determina que en la práctica su expectativa de vida es muy superior a la de la población vecina.

Energía atómica para la salud

En Ecuador la aplicación de la energía nuclear se ha desarrollado sobre todo en la salud. Varios hospitales cuentan con modernos aparatos que sirven para diagnóstico y tratamiento de enfermedades.

Cuando hablamos de energía atómica, generalmente pensamos en los hongos de muerte sobre Hiroshima y Nagasaki, o en los modernos submarinos que surcan las aguas del mundo, o en el horror de Chernobil.

Sin embargo, más allá del poder destructor de ese tipo de energía, también se puede utilizar para fines que ayudan a la sociedad. Es así que, entre otras utilidades de paz, desde hace algunas décadas se viene utilizando la energía atómica para detectar o prevenir ciertas enfermedades que afectan a los seres humanos, o para combatir ciertas plagas a nivel agropecuario.

Es en el diagnóstico que la medicina nuclear ha logrado su más alto desarrollo: radiología convencional, ecografía, tomografía computarizada, resonancia nuclear magnética. Y es específicamente en el análisis de tumores cancerígenos que le ha dado una gran mano a la salud. Según el doctor Luis López Campuzano, vocal del Consejo Iberoamericano de Médicos Nucleares, "la gammagrafía es el mejor procedimiento para diagnosticar metástasis óseas, ciertos tumores neuro-endocrinos, caracterización de nódulos tiroideos y perfusión miocardia, entre otros".

Este tipo de exámenes utiliza radioisótopos como el tecnecio 99 o el yodo 131 que al ser introducidos en el organismo envían señales de su paso por el órgano que está siendo estudiado hacia un aparto denominado detector de centelleo. Esas señales se denominan Radiaciones Gamma. Mediante ese estudio, el especialista puede detectar el buen o mal funcionamiento de ese órgano. Todas las informaciones son almacenadas en softwares y luego se imprimen en placas radiológicas. También se pueden obtener imágenes de las zonas afectadas a través de la gammacámara computarizada, que es una especie de cámara fotográfica que recibe información enviada por los radioisótopos. En Ecuador cuentan con gammacámara los hospitales del IESS de Quito y Guayaquil, Solca de Guayaquil, Hospital Militar de Quito, Hospital Metropolitano y Clínica Pichincha.

Estas muestras de cómo la energía nuclear se puede utilizar para la paz son esperanzadoras en un mundo que vive de la guerra. Sin embargo, como señalan los propios médicos, es fundamental que su utilización se lleve a cabo con un estricto control. OEI.

Historia de las aplicaciones de radiaciones y radioisótopos

Desde el descubrimiento de los rayos X y posteriormente de los isótopos radiactivos, se comenzaron las investigaciones y aplicaciones de los mismos en diagnóstico y tratamiento en Medicina. Los primeros estudios radiobiológicos realizados en nuestro país tuvieron lugar en el Instituto de Medicina Experimental (actual Instituto A.H. Roffo, dependiente de la Universidad de Buenos Aires) en 1926. Por otra parte, los primeros estudios médicos con radioisótopos se realizaron con 131-I para determinar las causas del bocio endémico en Mendoza. El equipo de trabajo estuvo constituído por el grupo de Harvard-MIT (USA), liderado por el Dr. John B Stanbury, junto con el Dr Hector Perinetti y sus colaboradores, del Hospital Central (1949-50). Este estudio fué el primero en el mundo en que se utilizó un radioisótopo en estudios de epidemiología.

En CNEA

Desde sus inicios la CNEA mostró especial atención a las investigaciones y aplicaciones de los radioisótopos y las radiaciones en Medicina. En 1952 se crea el Departamento de Biología y Medicina, y en 1957 la División de Investigaciones Radiobiológicas. Se construye el bioterio y los laboratorios de genética y de rayos X. En 1962 el Departamento de Medicina y Biología se convierte en Departamento de Radiobiología. En 1958 se crea el Laboratorio de Medicina Nuclear en el Hospital de Clínicas (UBA), que en 1962 se transforma en el Centro de Medicina Nuclear. En 1966 se firma el primer Convenio entre la Universidad de Buenos Aires y la CNEA para el funcionamiento del CMN del Hospital de Clínicas. Un año más tarde, mediante un préstamo del BID, se equipa totalmente el CMN con los instrumentos de última generación. A partir de esa fecha el CMN se convierte en un referente local e internacional de excelencia para la formación de recursos humanos en el tema, especialmente en el ámbito latinoamericano.


Continuando con los esfuerzos para el desarrollo de la Medicina Nuclear, en1969 se crea el Centro Oncológico de Medicina Nuclear en el Instituto A H. Roffo en el marco del mismo Convenio entre la Universidad de Buenos Aires y la CNEA. Finalmente en 1991, por acuerdo entre la CNEA, la Universidad de Cuyo y el Gobierno de la Provincia de Mendoza, se crea la Fundación Escuela de Medicina Nuclear de Mendoza (FUESMEN), centro de alta complejidad y de excelencia.

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Actualmente el Departamento de Radiobiología comprende tanto a los Centros de Medicina Nuclear como a las Divisiones de I y D. En las mismas se llevan a cabo investigaciones acerca de las alteraciones producidas por radiaciones, contaminantes y carcinógenos en sistemas biológicos, empleando modelos experimentales de distinto grado de complejidad. Asimismo se estudian los efectos terapeuticos de las radiaciones.

Las modificaciones producidas a nivel molecular, así como su reparación y la regulación de los mecanismos involucrados, se estudian en microorganismos de características genéticas determinadas, los efectos sobre células y tejidos se investigan en lesiones de piel y mucosa bucal y en las alteraciones producidas en la remodelación ósea, los efectos sobre la regulación de órganos se estudian en tiroides en condiciones normales y patológicas. El daño heredable se estudia en Drosophila. Se investiga además la distribución de daño por iones pesados en materiales orgánicos e inorgánicos. Entre los proyectos aplicados pueden mencionarse los relacionados con la modulación (radioprotección y radiosensibilización) de la respuesta a las radiaciones de diferentes órganos y tejidos. De especial interés son los estudios acerca de los efectos sobre tumores y sus aplicaciones (terapia por captura neutrónica en boro, BNCT, y protonterapia), así como sobre aspectos bioquímicos y moleculares relacionados con el cáncer.

América Latina no se ha quedado atrás y ha desarrollado distintos proyectos en ese sentido. Según la ARCAL (Acuerdos Regionales Cooperativos para la Promoción de la Ciencia y la Tecnología en América Latina), entidad que forma parte del Organismo Internacional de Energía Atómica de la OEA, en nuestra región la energía atómica ha venido siendo utilizada con éxito desde mediados de este siglo, y los mayores beneficiados fueron los sectores de salud y agrícola y, en menor grado, la industria.

Moscas estériles

México es un ejemplo interesante en lo que a aplicación agropecuaria se refiere. Según Miguel Benalcázar, investigador del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares de ese país, "hay ciertos productos agrícolas destinados a la exportación que son irradiados para preservarlos por más tiempo". Ante la reacción a un posible peligro para el ser humano, Benalcázar lo descarta porque "son dosis inofensivas y su aplicación está muy vigilada". La energía atómica también se utiliza en el control de plagas perjudiciales para determinados productos del agro o el ganado. "Hace algunos años, en el sureste mexicano hubo un tipo de mosca que resultaba mortal para el ganado -comenta-, porque se posaba en las heridas de los animales y los iba consumiendo poco a poco hasta matarlos. Llegó un momento en que la situación fue insostenible, se declaró zona de emergencia y se recurrió al Instituto para ver si se podía lograr una solución". Los investigadores capturaron una cantidad importante de esas moscas para llevarlas al laboratorio. "Allí se las hizo crecer hasta el periodo de su reproducción -señala. Cuando pusieron los huevos se clasificó por el color cuáles eran machos y cuáles eran hembras. Separamos las hembras, y cuando se transformaron en larvas fueron expuestas a una irradiación similar a la de los rayos X. Cuando se hicieron moscas estaban estériles y se liberaron al exterior. Eso no sólo frenó la reproducción sino que las transformó genéticamente creando una mosca menos dañina, lo que benefició de los criadores de ganado".

Diagnóstico y tratamiento de tumores

¿Y en Ecuador? La aplicación de la energía nuclear se ha desarrollado sobre todo en la salud. Varios hospitales cuentan con modernos aparatos que sirven para diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Por ejemplo, una persona que sea sometida a un transplante de riñón necesita una serie de exámenes posteriores a la operación para ver cómo funciona el órgano implantado. En el hospital del Instituto Ecuatoriano de Seguridad Social (IESS) de Quito, esos exámenes se realizan a través del Departamento de Medicina Nuclear, ya que el paciente recibe aplicaciones de substancias radioactivas.

El doctor Gonzalo Carbo, jefe de ese Departamento, asegura que este examen no provoca ningún efecto colateral. "No hay problemas porque las dosis que se aplican son mínimas y estrictamente controladas", comenta el médico.

Para Atrapar a las Cargas

El proposito de este capítulo es enfocar el estudio del movimiento de las cargas en un campo magnético desde un punto de vista práctico, similar a aquel del ingeniero nuclear que quiere aplicar el conocimiento científico con objeto de crear una máquina cuyo fin es reproducir en la Tierra la fusión nuclear.

La fusión nuclear es el proceso de unión de núcleos de átomos para formar un núcleo más pesado. El proceso contrario de división del núcleo de un átomo en dos o más núcleos se conoce como fisión nuclear. Cuando los núcleos son muy ligeros, en los primeros lugares de la tabla de Mendeleiev, se libera una enorme cantidad de energía al fusionarse dos núcleos. Conforme los núcleos se hacen más pesados sucede generalmente lo contrario: al fisionarse los núcleos de los átomos más pesados desprenden energía. Las primeras bombas nucleares usadas en Hiroshima y Nagasaki fueron bombas de fisión que utilizaron la división de los grandes núcleos del plutonio y del uranio. Los reactores nucleares productores de electricidad emplean también el proceso de fisión nuclear.

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Figura 22. Esquema de un reactor atómico.

La producción de energía es una de las cuestiones fundamentales del presente. Se necesita energía en forma de trabajo mecánico, eléctrico, químico, etc., para ser usada en la producción de satisfactores de todo tipo. Unos pocos ejemplos son iluminación, transporte, producción industrial, comunicaciones, computación y control de la información, medicina, producción agrícola y animal, construcción civil, y tantas otras más. La importancia de la energía es evidente.

Los reactores nucleares de fisión son de uso común en muchos países, y los mayores de estos reactores se usan para la producción de electricidad. El combustible más importante en esos reactores es el uranio.

La fusión nuclear tiene varias ventajas sobre cualquier otro proceso de obtención de energía. La principal razón para usar la fusión nuclear se encuentra en las enormes cantidades previstas de potencia producida. Por otra parte, se tiene confianza en que las centrales termonucleares, usuarias del proceso de fusión, serán mucho más seguras en lo que se refiere a los peligros derivados de cualquier accidente y con una producción de contaminantes mucho menor, cuando se compara con los otros medios mayores de producción de energía, como son el petróleo y los reactores de fisión nuclear.

En la fusión nuclear se unen dos núcleos ligeros para producir un núcleo más pesado con una liberación enorme de energía. Por ejemplo, pueden unirse dos núcleos de deuterio formados cada uno de ellos por un neutrón y por un protón. De esta unión se forma un núcleo de helio con dos protones y dos neutrones.

Se cree que la fusión nuclear sólo puede producirse a altas energías para que los núcleos de combustible, cargados positivamente, se puedan acercar lo suficiente a fin de vencer la fuerza eléctrica de repulsión entre cargas positivas, la cual es enorme a cortas distancias, hasta llegar a las distancias pequeñísimas donde domina la fuerza nuclear y donde la fuerza de separación entre cargas está superada por la fuerza nuclear entre protones y neutrones.

La energía necesaria para vencer la fuerza eléctrica, se ha sugerido, podría obtenerse si aumentamos la temperatura de las cargas hasta acercarnos a la temperatura solar. En presencia de estas altísimas temperaturas los núcleos pueden acercarse a las distancias donde actúan las fuerzas nucleares, y por tanto la modificación de los núcleos que acontece en las reacciones termonucleares sería posible. Se ha especulado en la posibilidad de reacciones termonucleares en frío catalizadas por muones, los cuales son otro tipo de partículas elementales como los protones, electrones y neutrones, pero hasta la fecha la única técnica confiable es aquella en que se incrementa la temperatura.

Una instalación para producir energía por medio de la fusión debe hacer un uso eficiente de la energía, procurando economizar las pérdidas del plasma y de su energía. Entre las principales causas de pérdidas que se tienen en la actualidad, se encuentran:

1) La falta de estabilidad magnetohidrodinámica o del fluido.

2) La falta de equilibro del plasma.

3) La presencia de difusión que produce microinestabilidad.

4) Las pérdidas de radiación.

El proceso básico de pérdida de energía es por radiación bremsstrahlung de los electrones, como consecuencia de colisión coulombiana a base de iones. La rapidez de obtención de energía de fusión y la rapidez de pérdida por radiación dependen ambas de procesos binarios y por lo mismo del cuadrado de la densidad, pero ambos dependen en forma distinta de la temperatura. A una cierta temperatura crítica, que es diferente para cada reacción, domina el término de producción sobre el término de pérdida y se desencadena un proceso continuo de reacciones de fusión controlada. La temperatura crítica en la reacción más favorable deuterio-tritio es de 45 millones de grados Kelvin, 150 mil veces más temperatura que la del cuerpo humano. Pero una vez alcanzado este nivel mínimo, los productos de la reacción elevarán la temperatura del plasma hasta un valor de trabajo sobre dos y cinco veces el valor de arranque.

Entre las diversas inestabilidades contra las cuales deben luchar los investigadores a fin de evitar la desaparición rápida del plasma se encontró la inestabilidad llamada bucle. Este nombre le viene de que la columna hace una desviación de su camino recto, y ésta se amplifica por la dinámica, lanzando al plasma contra las paredes del contenedor. A otro tipo se le llama microinestabilidad porque nace en una región muy pequeña del espacio, pero a continuación se infla como si estuviéramos inyectándole inestabilidad.

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En un tokamak se descubrió que una forma de combatir la inestabilidad era lograr que las líneas del campo se torcieran girando alrededor de los dos radios del toro, como se ve en la figura 23.

EL TRIUNFO DE LOS TOKAMAKS

En la conferencia internacional realizada en Culham, Inglaterra, en 1965, los científicos soviéticos anunciaron que habían mejorado por diez veces los tiempos de confinamiento en sus máquinas tokamak, pero no se les dio crédito. .

En la conferencia internacional llevada a cabo en 1968 en Novosibirsk, los valores de temperatura, densidad y tiempo de confinamiento de los tokamaks soviéticos, se mostraron superiores a los de otros equipos de confinamiento magnético. Estos valores fueron superados de nuevo por un factor diez veces mayor. El informe soviético tuvo todavía la incredulidad de los científicos occidentales por el método para deducir la temperatura de los electrones a partir de mediciones de los campos magnéticos, en lugar de los métodos de detección por láser, preferidos por los occidentales.

El mejor valor del tiempo de confinamiento del Alcator A fue de 20 milisegundos. De los estudios hechos con la teoría clásica del calor, se predijo que el tiempo de confinamiento debería disminuir al aumentar la densidad del plasma, por volverse un mejor conductor térmico. Se tuvo una sorpresa cuando se verificó lo contrario, debido al transporte anómalo de calor por electrones en el plasma del tokamak. El transporte de calor hacia el exterior del plasma se produce con distinta rapidez en los iones y los electrones. Los electrones dominan a densidades bajas. La conducción de calor por electrones del plasma es mucho mayor de lo que se esperaría según la teoría clásica del calor, en perjuicio de un mayor valor del tiempo de confinamiento, que se hubiera esperado de los cálculos teóricos. En ausencia de una teoría para explicar el transporte anómalo de los electrones, se han obtenido leyes empíricas de escalamiento. Quizá la utilidad mayor del Alcator A fue la obtención de estas leyes empíricas. El escalamiento Alcator descubrió que el tiempo de confinamiento es directamente proporcional a la densidad, aunque la predicción teórica hubiera esperado una disminución con la densidad. Alcator A pudo generar una gama muy amplia de densidad de plasma, mayor que la obtenida por otros tokamaks y permitió entonces un mejor estudio de los cambios provocados por la densidad.

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Figura. Diagrama de un tokamak.

Para obtener mayores densidades se incrementa la corriente eléctrica de la columna del plasma. El límite superior de dicha corriente es la condición de estabilidad de Kruskal-Shafronov, según la cual la torcedura helicoidal dada al campo magnético toroidal del tokamak por la corriente del plasma debe ser suficientemente pequeña para que las líneas del campo den una vuelta al toro en la dirección toroidal del círculo mayor, antes de completar una vuelta en la dirección poloidal del círculo menor. Este límite de inestabilidad magnetohidrodinámica impuesto a la corriente de carga en el plasma, se ha visto, es proporcional al cociente del campo magnético toroidal entre el radio mayor. La dimensión compacta de los aparatos Alcator ayudó en las dos formas posibles: en campo fue el más alto posible tanto por avances tecnológicos como por consumo de potencia, y, además, el radio mayor se redujo recortando la longitud del camino en la dirección toroidal. Ambas características del diseño contribuyeron a mejorar la condición de estabilidad de Kruskal-Shafronov.

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