RADIACTIVIDAD MEDIO AMBIENTE

Transcripción

1 RADIACTIVIDAD y MEDIO AMBIENTE Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería Universidad de Sevilla, Marzo de 2012 Manuel Toscano Jiménez, E.T.S. Ingeniería, Dpto. Física Aplicada

2 1.- Introducción a la RADIOACTIVIDAD. 2.- Radioactividad NATURAL. Conceptos generales. Algunos casos particulares: El Radón. El Carbono-14 2

3 3.- RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL Introducción. Centrales nucleares. Bombas atómicas. Medicina. Otras aplicaciones. Dosis típicas. Residuos nucleares. 3

4 4.- INVESTIGACIÓN Y FUTURO. INVESTIGACIÓN próxima a este departamento. Otros retos para el FUTURO. 4

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. Matrimonio Curie. Nobel Prizes:1903, 1911; 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. 5

6 Esquema de las radiaciones α, β, y γ PELIGROSIDAD: Los rayos α y β son relativamente poco peligrosos fuera del cuerpo humano. Los rayos γ son siempre dañinos. RADIOSENSIBILIDAD: Es debida a la ionización de la materia. huesos, neuronas < músculos < piel intestinal, órganos reproductivos, médula ósea 6

7 1.2. DESINTEGRACIÓN NUCLEAR Decaimiento exponencial de la actividad: N = N e o λt Semivida: T 1/2 = ln2 λ Equilibrio radioactivo: ( ) λn λn ; N / T N / T λ λ Unidades de actividad: 1 Bq : 1 desintegracion/ s 1 rutherford : 10 1 curie : rutherford (1 g de Radio puro 1 curie) 6 Bq

8 2. 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.

9 FUENTES NATURALES: Radiación cósmica y series radioactivas 2.2. SERIES RADIOACTIVAS: U 238 : Radio, Radón, Plomo. Th 232 U 235 Serie radiactiva más importante: URANIO-238

10 2.3. LOCALIZACIÓN DE FUENTES. Origen: Suelo, radiación interna, radiación cósmica. DOSIS media universal: El Radón y los demás T 1/2 (radón) = 3.8 días, Aplicación Meteorología. RADÓN en viviendas: A ventilar! 10

11 2.4. El Método Carbono-14 Gran revolución en Paleontología e Historia. Fuerteimpulsoenlosúltimosañosgraciasalos aceleradores. Aplicación en Climatología. Caso anecdótico: La Sábana Santa Willard Libby, Nobel Prize,

12 C-14 como cronómetro climático. Ejemplo: Baja actividad solar Támesis helado, Londres, 1677 C-14 mínimo, Pequeña Edad De Hielo 12

13 3. RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL 3.1. Introducción: el NEUTRÓN Descubridores: Joliot y I.Curie (Nobel Prize,1935) Al + α P + n Defecto de masa (E=mc 2 ) Energía de cohesión Energía por nucleón ESTABILIDAD El descubrimiento del neutrón (Chadwick, 1932) Radioactividad artificial producida por NEUTRONES 13

14 Reacciones en CADENA con NEUTRONES Ilustración de reacción nuclear en cadena Central de Trillo (Guadalajara) Aplicaciones importantes de la reacción en cadena: Centrales nucleares: sistema crítico (k=1). Bombas nucleares: sistema supercrítico (k>1). 14

15 3.2. CENTRALES NUCLEARES 1. Bloque del reactor. 2. Torre de refrigeración. 3. Reactor. 4. Barra de control. 5. Ayuda para la presión. 6. Generadordevapor. 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 15

16 EL URANIO: U-238 Fértil Abundancia =99.3% U-235 Fisible Abundancia=0.7% Se enriquece hasta un 4% y después: U n X + Y + γ + n s + CALOR U n U-239 Np* β Np*-239 Pu β Pu n X + Y + γ + n s + CALOR {X,Y}: Productos de FISIÓN. 16

17 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 -RESIDUOSdepende 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) 17

18 3.3. BOMBAS ATÓMICAS 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. Nube en forma de hongo tras la explosión nuclear sobre Nagasaki, se elevó 18 km en el aire en la mañana del 9 de agosto de

19 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. 19

20 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 20

21 RADIOTERAPIA 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. Bomba de cobalto 21

22 MÁS 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

23 3.5. DOSIS TÍPICAS UNIDADES 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 Rayos X y γ Electrones Protones Partículas Q α 23

24 Radioactividad NATURAL media: D nat =0.12μSv/h ~ 1 msv/y Trabajadores con radiaciones ionizantes: Ley actual D max =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, 0.02] [0.02,2] [2, 100] > sesión de TAC: msv, zona naranja-roja, máx. 1-2 ses./año. MÁS INFORMACIÓN GENERAL: Consejo de Seguridad Nuclear (CSN) Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) 24

25 3.6. RESIDUOS NUCLEARES Residuos baja y media actividad. Residuos 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. Reprocesamiento nuclear. Europa: La Hague, Sellafield. Controles del Consejo de Seguridad Nuclear (C.S.N.). Ejemplo: en El Cabril. Centrales nucleares españolas 25

26 4.- LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN PRÓXIMAS A ESTE DEPARTAMENTO 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. 26

27 4.2. Modelización matemática de partículas radioactivas: Problema directo y problema inverso. Emisiones nucleares: La Hague (Francia), Sellafield (R.Unido). Chernobyl (Ucrania), Fukushima (Japón). Emisiones no nucleares: Costa de Huelva Gibraltrar Canal de Suez (Egipto) 27

28 The general problem: Contaminant particles in the Nature

29 Where validate the model? The BALTIC SEA, the most contaminated sea due to the fallout. There were no existing models to make predictions on the radioactive spots. In spite of the powerful scandinavian Oceanography and Nuclear Safety, with founders and pioneers like Ekman, Sievert, Rossby, Sverdrup and Bjerkness, there were no specific models, linking these two branches, with solutions for this problem. Baltic Sea Chernobyl Reactor, April 26, 1986 Experimental Activity (Bq/m 3 ) after the accident of Chernobyl.

30 Hydrodynamic Model: Circulation + Diffusion Numerical Methods Dissolved Particles Model Numerical Methods Suspended Particles Model TRANSPORT MODEL

31 Hydrodynamic Sub-models SUB-MODELS FLOW MAIN EDDIES TABLE FORCES LENGTH (km) CIRCULATION Annual Mean hundreds mean winds LARGE Daily Wind Decades DIFFUSION Mean Fluctuations SMALL Hourly Coriolis Units DIFFUSION Mean and tides

32 CIRCULATION Sub-model 3D Model: 6 layers. Based on previous models published by: Swedish Meteorological and Hydrological Institute (SMHI). Leibniz Institute of Marine Science (GEOMAR), Germany. Institute of Oceanology, Polish Academy of Sciences (PAO). Mean currents in layer 4, [40,60]m calculated from wind statistics.

33 Hydrodynamic Equations 3D 2D 3 ( ) 1 V + VV = gδ p + t ρ i j j i i3 i j = R ε 3 j ij3 j ij j= 1 j= 1 2 Ω V + T ρ ; i = 1,2,3, where R V ; { } i T = ρa and A are the Eddy Viscosities ij j j x j 2 M 2 Ω M ε = ( ζ + H ) ( p + gρ ζ ) + S + i 3 j ij3 i a 0 i t j = 1 s b ζ T T + A Δ M ; i = 1,2; M = ρ ; i i h h i 0 t ζ ζ ρ ζ where S g dη dz and M ρv dz i H z i H 0 i x i

34 Chernobyl VALIDATION Validation interval: June 86-June 87 Time scales: Δ t h = 1 day ; Δ t v = 1 h CPU time: 6h, standard PC EXPERIMENTAL Activity (Bq/m 3 ) MODELLED Activity (Bq/m 3 ) Activity 1 year after the Chernobyl disaster Activity 1 year after the Chernobyl disaster Good agreement between Model and Experiments, guaranteeing the validity of the Model

35 Fukushima Emissions from FUKUSHIMA (2011) : Transport of the ocean spots (Mizayawa et al., JAMSTEC; 2012) Fukushima 35

36 VALIDATION in Spain: The Guadalquivir River Estuary Hyper-synchronous (0-15km) friction > convergence Synchronous (15-45km) Hypo-synchronous (45-110km) Alcalá R. : the dam SEVILLA La Puebla R. 1D Dimensions (Ruiz J., Losada M.A. et al., 2010) Isla Mayor Cross area : ax ( ) = aexp( x/ λ) 0 Top wide : bx ( ) = bexp( x/ μ) 0 Mean depth: hx ( ) = h0 with, a 0 = λ = m, 60km b = 795m, μ = 66km, h = 7.1m 0 0 Sanlúcar B. Guadalquivir Estuary (orange), from the Atlantic Ocean to the dam

37 BASIC HYDRODYNAMICS Neap-Spring tides: Range ~ 1-2 m Current Amplitude ~ ms -1 Effective horizontal diffusion coefficient: velocity, viscosity, Q 150 < K x (m 2 /s) < 1000 Calibration of the diffusion in the 1D Model: x Kx( x) = K0 1 γ le 2 Advection: v m (x) = -Q/a(x) 37

38 Guadalquivir 1D Model: Validation Results Dry periods validation: Q = 25m 3 /s, K 0 = 300m 2 /s, γ = 3/4, and l E = 110km. Rainy periods validation: Q = 60m 3 /s, K 0 = 600m 2 /s, γ = 1/2, and l E = 110km.

39 CONCLUSIONS AND FUTURE 1. This work shows the first 3D radio-ecological model (M. Toscano et al., & 2003) of the Baltic Sea, and the first Suspended Matter Model of the Baltic Sea as a whole. 2. This model could be useful to predict and minimize the ecological impact of future accidents, expandable to non-nuclear contamination studies and also to other passive particles problems. 3. The Guadalquivir 1D model is a first step for future applications to passive particles problems such as nutrients, chemical contamination, metals, and suspended sediments. 4. A deeper knowledge on the Guadalquivir river is demanded for: dredge labours for navigation, aquaculture, agriculture, tourism, and Doñana National Park preservation. Future collaborations between different spanish groups could play an important role. 5. This work comes from a collaboration between the universities of Seville (Spain) and Uppsala (Sweden).

40 OTROS RETOS EN ENERGIA NUCLEAR AMPLIFICADOR de Energía: Acelerador + Reactor. Energía + Eliminación residuos Carlo Rubbia, Nobel Prize, FUSIÓN: ITER, Gran reactor experimental de fusión, , Cadarache, France. 40

41 ALGUNAS REFERENCIAS 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 137 Cs In Marine Ecosystems With Monte Carlo Methods. M. Toscano et al., vol.213 pp (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 (2004). ICEFA IV, University of Cambridge, U.K., Modelling the Transport of Particles Released from Nuclear Accidents. Validation in the Baltic Sea after the Chernobyl Disaster. M. Toscano et al., pp , Oceans 2011, IEEE Conference. A Lagrangian Transport Model Applied to two Different Brackish Systems: the Baltic Sea and the Guadalquivir River M. Toscano et al.,vols. 1-3, pp.1-8, (2011). 41

42 TRABAJOS PROPUESTOS El accidente de Chernobyl. Causas y consecuencias. El accidente de Fukushima. 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 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