RADIOACTIVIDAD y MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería” Universidad de Sevilla Manuel Toscano Jiménez, E.T.S. Ingenieros
1.- Introducción a la RADIOACTIVIDAD. 2.- Radioactividad NATURAL. ¾Conceptos generales. ¾Algunos casos particulares: El Radón. El Carbono-14 2
3.- RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL ¾Introducción. ¾Centrales nucleares. ¾Bombas atómicas. ¾Medicina. ¾Otras aplicaciones. ¾Dosis típicas. ¾Residuos nucleares. 3
4.- INVESTIGACIÓN Y FUTURO. 9 INVESTIGACIÓN próxima a este departamento. 9Otros retos para el FUTURO.
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1.- RADIOACTIVIDAD NATURAL y ARTIFICIAL
¾1.1. Introducción.Tipos de radiación importantes:
ALFA (α): núcleos de Helio. Poco penetrante. Se para con hoja de papel.
Matrimonio Curie. Nobel Prizes:1903, 1911; 1903.
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.
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Esquema de las radiaciones α, β, y γ
9PELIGROSIDAD: Los rayos α y β son relativamente poco peligrosos fuera del cuerpo humano. Los rayos γ son siempre dañinos. 9RADIOSENSIBILIDAD: Es debida a la ionización de la materia. huesos, neuronas < músculos < piel intestinal, órganos 6 reproductivos, médula ósea
1.2. DESINTEGRACIÓN NUCLEAR D Decaimiento exponencial de la actividad: N = No e −λt D Semivida: T
1/2
= ln2
λ
D Equilibrio radioactivo: λ1N λ2N 1
2
;
N /T1 N /T2 (λ1 λ2 ) 1
2
D Unidades de actividad: 1 Bq : 1 desintegracion/ s
1 rutherford : 106Bq
1 curie : 3.7 ⋅104 rutherford (1g de Radio puro → 1curie )
¾2. RADIOACTIVIDAD NATURAL
Radiación 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: ¾U238: Radio, Radón, Plomo. ¾Th232 ¾ U235 Serie radiactiva más importante: URANIO-238
2.3. LOCALIZACIÓN DE FUENTES. El Radón y los demás. 9Origen: Suelo, radiación interna, radiación cósmica.
DOSIS media universal
RADÓN en viviendas: ¡ A ventilar !
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2.4. El Método Carbono-14 9Gran revolución en Paleontología e Historia. 9Fuerte impulso en los últimos años gracias a los aceleradores. 9 Aplicación en Climatología. 9Caso anecdótico: “La Sábana Santa”
Willard Libby, Nobel Prize,1960 11
▪C-14 como cronómetro climático. Ejemplo: Baja actividad solar
Támesis helado, Londres, 1677
C-14 mínimo, Pequeña Edad De Hielo 12
3.- RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL ¾Introducción. ¾Centrales nucleares. ¾Bombas atómicas. ¾Medicina. ¾Otras aplicaciones. ¾Dosis típicas. ¾Residuos nucleares.
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¾3.1. Introducción a la radioactividad artificial 9Descubridores: Joliot y I.Curie (Nobel Prize,1935)
Al + α → P + n 9Defecto de masa (E=mc2) → Energía de cohesión Energía por nucleón → ESTABILIDAD 9El descubrimiento del neutrón (Chadwick, 1930) 9Radioactividad artificial producida por NEUTRONES 14
9Reacciones en CADENA con NEUTRONES
Ilustración de reacción nuclear en cadena
Central de Trillo (Guadalajara)
¾Aplicaciones importantes de la reacción en cadena: Centrales nucleares: sistema crítico (k=1). Bombas nucleares: sistema supercrítico (k>1).
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¾3.2. CENTRALES NUCLEARES 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 10. 11. 12. 13. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21.
Bloque del reactor. Torre de refrigeración. Reactor. Barra de control. Ayuda para la presión. Generador de vapor. Elemento combustible. Turbina. 9.Generador. Transformador. Condensador. Formación de gases. Líquido. 14. Aire. Aire (húmedo). Río. Circulación de agua refrigerante. Circuito primario. Circuito secundario. Vapor de agua. Bomba.
Esquema de una central nuclear
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¾EL 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 + β Np*-239 → Pu-239 + β Pu-239 + n→ X + Y + γ + n´s + CALOR {X ,Y}: Productos de FISIÓN. 17
¾PRODUCTOS 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 9Bomba de Uranio-235. Ejemplo: Hiroshima. 9Bomba de Plutonio-239. Ejemplo:Nagasaki. Consiste en plutonio rodeado de material fisionable que refuerza el proceso. 9Bomba 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. Nube en forma de hongo tras 9Otras bombas: neutrones, sucias, etc. 9Similares productos de fisión.
la explosión nuclear sobre Nagasaki, se elevó 18 km en el aire en la mañana del 9 de agosto de 1945. 19
¾3.4. 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! 100
9 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 9Residuos actividad.
baja
y
media
9Residuos de ALTA actividad: Pu-239, X,Y. □ En centrales. □ En Europa: varios A.T.C. □ Futuro A.T.C. en España. □ A.G.P.
Instalaciones de El Cabril, Córdoba, España.
9Reprocesamiento nuclear. Europa: La Hague, Sellafield. 9Controles del Consejo de Seguridad Nuclear (C.S.N.). □ Ejemplo: en El Cabril. 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. 27
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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¾4.2. 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 Gibraltrar Canal de Suez (Egipto) 29
OTROS RETOS EN ENERGIA NUCLEAR • AMPLIFICADOR de Energía: Acelerador + Reactor. Energía + Eliminación residuos Carlo Rubbia, Nobel Prize, 1984.
• FUSIÓN: ITER, Gran reactor experimental de fusión , 20072045, Cadarache, France. 30
ALGUNAS REFERENCIAS 9Trabajo 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).
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TRABAJOS PROPUESTOS ¾ El accidente de Chernobyl. Causas y consecuencias. ¾El Método C-14. Fundamentos y Aplicaciones. ¾Residuos 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.Einstein New York Times, 5 Octubre de 1952
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