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RADIOACTIVIDAD
y
MEDIO AMBIENTE
“Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería”
Universidad de Sevilla
Manuel Toscano Jiménez, E.T.S. Ingenieros
2
1.- Introducción a la RADIOACTIVIDAD.
2.- Radioactividad NATURAL.
Conceptos generales.
Algunos casos particulares:
El Radón.
El Carbono-14
3
3.- RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL
Introducción.
Centrales nucleares.
Bombas atómicas.
Medicina.
Otras aplicaciones.
Dosis típicas.
Residuos nucleares.
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4.- INVESTIGACIÓN Y FUTURO.
INVESTIGACIÓN próxima a este departamento.
Otros retos para el FUTURO.
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1.- RADIOACTIVIDAD NATURAL y ARTIFICIAL
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.
6
Esquema de las radiaciones α, β, y γ
PELIGROSIDAD:
Los rayos α yβ son relativamentepoco peligrososfuera del cuerpohumano.
Los rayos γson siempre dañinos.
RADIOSENSIBILIDAD:Es debida a la ionización de la materia.
huesos, neuronas < músculos < piel intestinal, órganosreproductivos, 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
2.1. 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.
2. RADIOACTIVIDAD NATURALRadiación cósmica y series radioactivas
2.2. SERIES RADIOACTIVAS:
U238:Radio, Radón, Plomo.
Th232
U235
FUENTES NATURALES: Radiación cósmica y series radioactivas
Serie radiactiva másimportante: 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:¡ A ventilar !
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Gran revolución en Paleontología e Historia.
Fuerte impulso en los últimos años gracias a losaceleradores.
Aplicación en Climatología.
Caso anecdótico:
“La Sábana Santa”
2.4. El Método Carbono-14
Willard Libby, Nobel Prize,1960
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Támesis helado, Londres, 1677
C-14 mínimo,Pequeña
EdadDe Hielo
▪C-14 como cronómetro climático. Ejemplo:
Bajaactividad
solar
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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
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).
Central de Trillo (Guadalajara)
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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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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
EL URANIO:
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 elaire en la mañana del 9 deagosto de 1945.
Bomba de Uranio-235. Ejemplo: Hiroshima.
Bomba de Plutonio-239. Ejemplo:Nagasaki.Consiste en plutonio rodeado de materialfisionable que refuerza el proceso.
Bomba de Fusión (Bomba H).Deuterio + Tritio → Helio
Gran energía de activación provocada por unabomba de fisión (primario). Material fusionable:secundario.Ejemplo: Islas Marshall, 15 millones de gradosen 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 disfuncionesóseas, cardiacas, renales, etc.
I-131 para tiroides.
Pionero (1926): Ra-226 para medidas delflujo sanguíneo.
Una máquina TAC
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RADIOTERAPIA
Rayos X: tratamiento de zonas superficiales.
Bomba de Co-60 (rayos γ, 5y): zonas más profundas.
Acelerador lineal:
Zonas profundas. Elección deenergía. Tiempos más cortos deexposición. Optimización de dosisen volumen tumoral.
Braquiterapia:
Cs-137 . Inserción de agujas yesferas. Bomba de cobalto
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3.4.2. MÁS APLICACIONES
Radiografías industriales.
MEDIDAS de: Bajas presiones, espesores delgados, densidades,desgaste de piezas, caudales (velocidades, tiempos de mezcla yresidencia), 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 laeliminación 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 TÍPICASUNIDADES
Dosis ABSORBIDA (el Gray): Mide la energía depositada
1Gy=1J/kg 1Gy=100rad
Dosis EQUIVALENTE (el Sievert): Mide los efectosbiológicos 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 ~ 1 mSv/y
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:
Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA)
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3.6. RESIDUOS NUCLEARES
Residuos baja y mediaactividad.
Residuos de ALTAactividad: Pu-239, X,Y.□ En centrales.□ En Europa: varios A.T.C.□ Futuro A.T.C. en España.□ A.G.P.
Reprocesamiento nuclear.Europa: La Hague, Sellafield.
Controles del Consejo deSeguridad Nuclear (C.S.N.).□ Ejemplo: en El Cabril.
Instalaciones de El Cabril,
Córdoba, España.
Centrales nucleares españolas
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4.- ALGUNAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
PRÓXIMAS A ESTE DEPARTAMENTO.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.
Remobilización 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 theBaltic 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), Sellafield (R.Unido).
Chernobyl (Ucrania).
Emisiones no nucleares:Costa de Huelva
GibraltrarCanal de Suez (Egipto)
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OTROS RETOS EN ENERGIA NUCLEAR
• AMPLIFICADOR de Energía: Acelerador + Reactor.
Energía + Eliminación residuos
• FUSIÓN: ITER, Gran reactor experimental de fusión , 2007-
2045, Cadarache, France.
Carlo Rubbia,Nobel Prize, 1984.
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Trabajo de investigación premiado en el congreso: Oceans-2005, IEEE, (France)
“If A Nuclear Accident Occurs Today, How Will The Radioactive Spots 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.“Using oceanography to control and forecast nuclear accidents and other passive
particles problems” M. Toscano et al. ,vols. 1-3, pp.521-526 , (2007).
ALGUNAS REFERENCIAS
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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: [email protected]
A propósito del EEES, Plan de Bolonia:“La insistencia exagerada en el sistema competitivo y la
especialización prematura en base a la utilidad inmediata, matan el espíritu en que se basa toda vida
cultural incluído el conocimimento especializado”
A.EinsteinNew York Times, 5 Octubre de 1952