energia nuclear y medio ambiente - esi2.us.es · medio ambiente “avances recientes de la física...

32
RADIOACTIVIDAD y MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería” Universidad de Sevilla Manuel Toscano Jiménez, E.T.S. Ingenieros

Upload: hoanganh

Post on 21-Oct-2018

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

RADIOACTIVIDAD

y

MEDIO AMBIENTE

“Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería”

Universidad de Sevilla

Manuel Toscano Jiménez, E.T.S. Ingenieros

Page 2: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

2

1.- Introducción a la RADIOACTIVIDAD.

2.- Radioactividad NATURAL.

Conceptos generales.

Algunos casos particulares:

El Radón.

El Carbono-14

Page 3: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

3

3.- RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL

Introducción.

Centrales nucleares.

Bombas atómicas.

Medicina.

Otras aplicaciones.

Dosis típicas.

Residuos nucleares.

Page 4: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

4

4.- INVESTIGACIÓN Y FUTURO.

INVESTIGACIÓN próxima a este departamento.

Otros retos para el FUTURO.

Page 5: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

5

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.

Page 6: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

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

Page 7: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

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

Page 8: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

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

Page 9: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

2.2. SERIES RADIOACTIVAS:

U238:Radio, Radón, Plomo.

Th232

U235

FUENTES NATURALES: Radiación cósmica y series radioactivas

Serie radiactiva másimportante: URANIO-238

Page 10: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

10

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

Origen: Suelo, radiación interna, radiación cósmica.

DOSIS media universal

RADÓN en viviendas:¡ A ventilar !

Page 11: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

11

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

Page 12: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

12

Támesis helado, Londres, 1677

C-14 mínimo,Pequeña

EdadDe Hielo

▪C-14 como cronómetro climático. Ejemplo:

Bajaactividad

solar

Page 13: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

13

3.- RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL

Introducción.

Centrales nucleares.

Bombas atómicas.

Medicina.

Otras aplicaciones.

Dosis típicas.

Residuos nucleares.

Page 14: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

14

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

Page 15: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

15

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)

Page 16: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

16

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

Page 17: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

17

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.

Page 18: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

18

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)

Page 19: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

19

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.

Page 20: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

20

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.

Page 21: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

21

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

Page 22: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

22

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

Page 23: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

23

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.

Page 24: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

24

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

Page 25: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

25

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)

Page 26: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

26

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

Page 27: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

27

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.

Page 28: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

28

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

CHERNOBYL

Page 29: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

29

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)

Page 30: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

30

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.

Page 31: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

31

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

Page 32: ENERGIA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE - esi2.us.es · MEDIO AMBIENTE “Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería ... 9Otros retos para el . FUTURO. 5. 1.-RADIOACTIVIDAD

32

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