RADIOACTIVIDAD

y

MEDIO AMBIENTE

Manuel Toscano, E.T.S. Ingenieros, Dpto. de Física Aplicada.

“Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería”-Asignatura de libre configuración-

Universidad de Sevilla

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1.- Introducción a la RADIOACTIVIDAD.

2.- Radioactividad NATURAL.

Conceptos generales.

Algunos casos particulares:

El Radón.

El Carbono-14

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3.- RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL

Introducción.

Centrales nucleares.

Bombas atómicas.

Medicina.

Otras aplicaciones.

Dosis típicas.

Residuos nucleares.

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4.- INVESTIGACIÓN Y FUTURO.

Investigación del GRUPO NUCLEAR de nuestra universidad.

Otros retos para el FUTURO.

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1.- GENERALIDADES sobre RADIOACTIVIDAD.

1.1. Introducción.-Tipos de radiación importantes:

ALFA (α): núcleos de Helio.Poco penetrante. Se para con hoja de papel.

BETA (β) : electrones (o positrones).Medianamente penetrante. Se para con lámina metálica.

GAMMA (γ): fotones energéticos.Muy penetrante. Se para con planchas de plomo gruesas.

Matrimonio Curie.Nobel Prizes:1903,

1911; 1903.

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Esquema de las radiaciones α, β, y γ

PELIGROSIDAD:

Los rayos α yβ son relativamente poco peligrosos fuera del cuerpo humano.

Los rayos γson siempre dañinos.

RADIOSENSIBILIDAD: Es debida a la ionización de la materia.

{huesos, neuronas} < {músculos} < {piel intestinal, órganos reproductivos, médula ósea}

1.2. DESINTEGRACIÓN NUCLEAR

( )

λ

λ

λ λ λ λ

−=

=

1 21 2 1 2; 1 2

1/2

1 2/ /

Decaimiento exponencial de la actividad:

ln2Semivida:

Equilibrio radioactivo:

Unidades de actividad:

1 : 1 desintegracion/ 1 : 1

to

N T N T

N N e

T

N N

Bq s rutherford

⋅ →

6

4

0

1 : 3.7 10 (1 Radio puro 1 )

Bq

curie rutherford g de curie

2. RADIOACTIVIDAD NATURALRadiación cósmica y series radioactivas

2.1. Radiación cósmica:Primaria: protones y α

Secundaria: γ, β, neutrones, mesones, etc. Induce el C-14.

Efecto de la radiación cósmica al interactuar con los constituyentes de la atmósfera.

FUENTES NATURALES: Radiación cósmica y series radioactivas

2.2. SERIES RADIOACTIVAS:

U238:Radio, Radón, Plomo.

Th232

U235

Serie radiactiva más importante: URANIO-238

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2.3. LOCALIZACIÓN DE FUENTES. El Radón y los demás.

Origen: Suelo, radiación interna, radiación cósmica.

DOSIS media universal

RADÓN en viviendas

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2.4. Fechado con CARBONO2.4. Fechado con CARBONO--1414

Los seres vivos absorben C-14 (vida media 5.730 años), querenuevan al respirar y al comer. Tras su muerte, el C-14 decae sin ser reemplazado. La cantidad de C-14 se comparacon la de C-12 obteniendo la antigüedad del fósil.

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El Método Carbono-14Gran revolución en Paleontología e Historia.

Descubridor: W. Libby, Nobel Prize, 1960.

Fuerte impulso en los últimos años gracias a los aceleradores.

Casos anecdóticos:

“La Sábana Santa”

“Evangelio según S. Judas” W. Libby

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3.- RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL

Introducción.

Centrales nucleares.

Bombas atómicas.

Medicina.

Otras aplicaciones.

Dosis típicas.

Residuos nucleares.

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3.1. Introducción a la radioactividad artificial

Descubridores: Joliot y I.Curie (Nobel Prize,1935)

Al + α → P + n

Defecto de masa (E=mc2) → Energía de cohesión

Energía por nucleón → ESTABILIDAD

El descubrimiento del neutrón (Chadwick, 1930)

Radioactividad artificial producida por NEUTRONES

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Reacciones en CADENA con NEUTRONES

Central de Trillo (Guadalajara)Ilustración de reacción nuclear en cadena

Aplicaciones importantes de la reacción en cadena:

Centrales nucleares: sistema crítico (k=1).

Bombas nucleares: sistema supercrítico (k>1).

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3.2. CENTRALES NUCLEARES

1. Bloque del reactor.2. Torre de

refrigeración.3. Reactor.4. Barra de control.5. Ayuda para la presión.6. Generador de vapor.7. Elemento combustible.8. Turbina.

9.Generador.10. Transformador.11. Condensador.12. Formación de gases.13. Líquido. 14. Aire.15. Aire (húmedo).16. Río. 17. Circulación de agua

refrigerante.18. Circuito primario.19. Circuito secundario.20. Vapor de agua.21. Bomba. Esquema de una central nuclear

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EL URANIO:U-238 Fértil Abundancia =99.3%

U-235 Fisible Abundancia=0.7%

Se enriquece hasta un 4% y después:U-235 + n→ X + Y + γ + n´s + CALOR

U-238 + n→ U-239 → Np*-239 + βNp*-239 → Pu-239 + β

Pu-239 + n→ X + Y + γ + n´s + CALOR

{X ,Y}: Productos de FISIÓN.

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PRODUCTOS DE FISIÓN {X ,Y}:

Son los principales CONTAMINANTES RADIACTIVOS.

Masas atómicas: X∈(84,104) Y∈(129,149)

La formación de cada producto de fisión depende fundamentalmente

de la energía de los neutrones incidentes.

Algunos ejemplos:

Cs-137 (30y) Cs-134 (2.1y)

Sr-90 (28y)

I-131 (8d) Tc-99m (6h) Sr-89 (0.14d)

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3.3. BOMBAS ATÓMICAS

Nube en forma de hongo trasla explosión nuclear sobreNagasaki, se elevó 18 km en el aire en la mañana del 9 de agosto de 1945.

Bomba de Uranio-235. Ejemplo: Hiroshima.

Bomba de Plutonio-239. Ejemplo:Nagasaki.Consiste en plutonio rodeado de material fisionable que refuerza el proceso.

Bomba de Fusión (Bomba H). Deuterio + Tritio → Helio

Gran energía de activación provocada por una bomba de fisión (primario). Material fusionable: secundario. Ejemplo: Islas Marshall, 15 millones de grados en el centro, vaporización de la isla.

Otras bombas: neutrones, sucias, etc.

Similares productos de fisión.

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3.4. OTRAS APLICACIONES de la RADIOACTIVIDAD

Algunas ventajas de los radioisótopos:

Máxima ENERGÍA:

“BALAS”→ Roturas atómicas dirigidas

Se miden cantidades MÍNIMAS, “Bombas de LUZ” :

•¡Se detecta UN SÓLO ÁTOMO! << 1 p.p.m

Indiferenciabilidad QUÍMICA. Ejemplo: I-131

•Se extrapola a cantidades totales de un elemento.

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3.4.1. APLICACIONES MÉDICAS

RADIODIAGNÓSTICO

Rayos X convencionales.

TAC: Tomografía Axial computerizada.

Radioisótopos no encapsulados. Trazadores. Medicina Nuclear.

Gammagrafía: Tc-99 para disfunciones óseas, cardiacas, renales, etc.

I-131 para tiroides.

Pionero (1926): Ra-226 para medidas del flujo sanguíneo.

Una máquina TAC

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RADIOTERAPIA

Bomba de cobalto

Rayos X: tratamiento de zonas superficiales.

Bomba de Co-60 (rayos γ, 5y): zonas más profundas.

Acelerador lineal:

Zonas profundas. Elección de energía. Tiempos más cortos de exposición. Optimización de dosis en volumen tumoral.

Braquiterapia:

Cs-137 . Inserción de agujas y esferas.

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3.4.2. M3.4.2. MÁÁS APLICACIONESS APLICACIONES

Radiografías industriales.

MEDIDAS de: Bajas presiones, espesores delgados, densidades, desgaste de piezas, caudales (velocidades, tiempos de mezcla y residencia), niveles de líquidos en aviones, aleaciones (Al, Ti, Cu, etc), humedades, humos para sistemas contra-incendios.

Creación de radicales: Industria química del plástico, hidrocarburos, fibras de carbono.

Desinfección y conservación de aguas y otros alimentos, mediante la eliminación de organismos patógenos.

Submarinos nucleares.

Trazadores de aguas superficiales y subterráneas.

Medidas de Cinética QUÍMICA.

Fechadores geológicos: U-238, Pb-210.

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3.5. DOSIS T3.5. DOSIS TÍÍPICASPICASUNIDADES

Dosis ABSORBIDA (el Gray): Mide la energía depositada

1Gy=1J/kg 1Gy=100rad

Dosis EQUIVALENTE (el Sievert): Mide los efectos biológicos de la radiación.

D(Sv)=D(Gy)• Q ; Q: factor de calidad

TIPO DE RADIACIÓN

RayosX y γ

Electrones Protones Partículasα

Q 1 1 10 20

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Radioactividad NATURAL media: Dnat=0.12µSv/h

Trabajadores con radiaciones ionizantes:Ley actual → Dmax=20mSv/año

Se acepta que: D< 0.2µSv/h → Inocuidad

Dosis toleradas en diferentes zonas de una central nuclear:ZONA azul verde Amarilla naranja Roja

DOSIS(mSv/h )

[0.0025, 0.0075]

[0.0075, 0.02]

[0.02,2] [2, 100] > 100

1 sesión de TAC: 150 mSv, zona roja, máximo 2 sesiones/año.

MÁS INFORMACIÓN GENERAL (en Google):

Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA)

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3.6. RESIDUOS NUCLEARES

Residuos baja y media actividad.

Residuos de ALTA actividad. Pu-239, isótopos {X,Y}.

Reprocesamiento nuclear.

Controles del Consejo de Seguridad Nuclear (C.S.N.). Ejemplo: El Cabril es inapreciable.

Instalaciones de El

Cabril,Córdoba, España

Centrales nucleares españolas

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4.- Investigación del GRUPO NUCLEAR de nuestra universidad.

4.1. Medidas, control e impacto de la contaminación radioactiva:

Cementerio nuclear El Cabril (España).

Antigua fábrica de Uranio de Andújar.

Industrias no nucleares. Caso de Huelva.

Removilización en sedimentos marinos.

Estudios de circulación atmosférica a escala europea.

Experimentos en el Acelerador de partículas de Sevilla.

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EXPERIMENTAL Activity(Bq/m3) at the surface of the Baltic Sea in June’86 (just after the accident of Chernobyl).

CHERNOBYL

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4.2. Modelización matemática de partículas radioactivas:

Problema directo y problema inverso.

Emisiones nucleares:La Hague (Francia).Chernobyl (Ucrania).

Emisiones no nucleares:Costa de Huelva

GibraltrarCanal de Suez (Egipto)

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OTROS RETOS EN ENERGIA NUCLEAR

• FUSIÓN: ITER, Gran reactor experimental de fusión , 2007-

2045, Cadarache, France.

• AMPLIFICADOR de Energía: Acelerador + Reactor.

Energía + Eliminación residuos Carlo Rubbia,Nobel Prize, 1984.

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BREVE BIBLIOGRAFBREVE BIBLIOGRAFÍÍAA

Trabajo de investigación premiado en el congreso: Oceans-2005, IEEE, (France)

“If A Nuclear Accident Occurs Today, How Will The RadioactiveSpots Be Transported By The Ocean?” M. Toscano et al.

Revista: NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS . “Modelling The Dispersion Of 137Cs In Marine Ecosystems With Monte Carlo Methods”. M.

Toscano et al. , vol.213 pp. 779-783 (2003).

Revista: OCEAN ENGINEERING. “A Three-Dimensional Model For The Dispersion Of Radioactive Substances In Marine Ecosystems. Application To

The Baltic Sea After The Chernobyl Disaster”. M. Toscano et al.Vol. 31 , pp.999-1018 (2004).

Oceans 2007, IEEE International Conference.Scotland, U.K.“Usingoceanography to control and forecast nuclear accidents and other passive

particles problems” M. Toscano et al. ,vols. 1-3, pp.521-526 , (2007).

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A propósito del EEES, Plan de Bolonia:“La insistencia exagerada en el sistema competitivo y la

especialización prematura en base a la utilidadinmediata, matan el espíritu en que se basa toda vida

cultural, incluído el conocimimento especializado”

AAlbertlbert EinsteinEinsteinNew York Times, 5 New York Times, 5 OctubreOctubre de 1952de 1952..

TRABAJOS PROPUESTOS

El accidente de Chernobyl. Causas y consecuencias.

El Método C-14. Fundamentos y Aplicaciones.

Residuos nucleares. Fundamentos, normativa y futuro.

Tutor.- Manuel Toscano Jiménez ; e-m: mtoscano@esi.us.es