CONTAMINACIÓN NUCLEAR y

MECÁNICA DE FLUIDOS

Avances Recientes de la Física Aplicada a la Ingeniería

Universidad de Sevilla

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

3

3.- RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL

Introducción.

Centrales nucleares.

Bombas atómicas.

Medicina.

Otras aplicaciones.

Dosis típicas.

Residuos nucleares.

4

4.- INVESTIGACIÓN Y FUTURO.

INVESTIGACIÓN próxima a este

departamento.

Otros retos para el FUTURO.

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.

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

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 NATURAL Radiación cósmica y series radioactivas

2.2. SERIES RADIOACTIVAS:

U238:

Radio, Radón, Plomo.

Th232

U235

FUENTES NATURALES: Radiación cósmica y series radioactivas

Serie radiactiva más importante: URANIO-238

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2.3. LOCALIZACIÓN DE FUENTES.

Origen: Suelo, radiación interna, radiación cósmica.

DOSIS media universal: El Radón y los demás

RADÓN en viviendas: ¡ A ventilar !

T1/2 (radón) = 3.8 días ,

Aplicación Meteorología.

11

Gran revolución en Paleontología e Historia. Fuerte impulso en los últimos años gracias a los aceleradores.

Aplicación en Climatología. Caso anecdótico: “La Sábana Santa”

2.4. El Método Carbono-14

Willard Libby, Nobel Prize,1960

12

Támesis helado, Londres, 1677

C-14 mínimo, Pequeña

Edad De Hielo

▪C-14 como cronómetro climático. Ejemplo:

Baja actividad

solar

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3. RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL

3.1. Introducción: el NEUTRÓN 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, 1932)

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 + β Np*-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 -RESIDUOS-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 tras la explosión nuclear sobre Nagasaki, 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

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

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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 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 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 α

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: 30-100 mSv, zona naranja-roja, máx. 1-2 ses./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 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. Reprocesamiento nuclear. Europa: La Hague, Sellafield.

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

Instalaciones de El Cabril,

Córdoba, España.

Centrales nucleares españolas

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4.- 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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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)

The general problem:

Contaminant particles in the Nature

Detección en Forsmark (Suecia), punto de la pionera red fundada por Sievert. Problema aún sin resolver, más de una década después: Elección de tema de investigación.

Ventaja.- Doble tradición local. Oceanografía.- Colaboración mutua:

Mecánica del océano (Bjerkness;

Ekman, Rossby, Sverdrup) y

Grandes retos polares (Nansen, Amundsen)

Seguridad Nuclear (Sievert)

El accidente de Chernobyl: Catalizador de línea de investigación.

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Chernobyl nuclear plant

PROBLEMA INICIAL:

Aplicaciones notables

1. Introducción

2. Hidrodinámica oceánica

3. El Mar Báltico

4. Circulación en el Báltico y su Modelado

5. Difusión en Báltico y su Modelado

6. Método de Monte Carlo y simulaciones de control

7. Transporte conservativo y Aplicaciones

8. Materia en suspensión y su modelado

9. Transporte no conservativo. Modelado y Aplicaciones

10. Sumario, conclusiones y Trabajo futuro

P A R T E S

137Cs

30

Hydrodynamic Sub-models

SUB-MODELS TABLE

FLOW MAIN FORCES

EDDIES LENGTH (km)

CIRCULATION Annual mean

Mean winds

hundreds

LARGE DIFFUSION

Daily Mean

Wind Fluctuations

Decades

SMALL DIFFUSION

Hourly Mean

Coriolis and tides

Units

CIRCULATION Sub-model

Mean currents in layer 4, [40,60]m calculated from wind statistics.

▪ 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).

Ecuaciones N-Stokes promediadas y oceánicas

Caso oceánico: <<

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G. Coriolis 1792, París, 1842

Primera componente :

G.G. Stokes 1819, Cambridge, 1903

Chernobyl VALIDATION Validation interval: June’86-June’87

Time scales: CPU time: 6h , standard PC

Activity 1 year after the Chernobyl disaster Activity 1 year after the Chernobyl disaster

MODELLED Activity (Bq/m3) EXPERIMENTAL Activity (Bq/m3)

Good agreement between Model and Experiments, guaranteeing the validity of the Model

∆ th = 1 day ; ∆ tv = 1 h

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Figure2

Figure3

Emissions from FUKUSHIMA (2011) : Transport of the ocean spots

(Miyazawa et al., JAMSTEC; 2012)

Fukushima

Fukushima

VALIDATION in Spain: The Guadalquivir River Estuary

Guadalquivir Estuary (orange), from the Atlantic Ocean to the dam

Hyper-synchronous (0-15km)

friction > convergence

Synchronous (15-45km)

Hypo-synchronous (45-110km)

SEVILLA

Alcalá R. : the dam

La Puebla R.

0

0

0

0

0 0

2

Cross area : ( ) exp( / )Top wide : ( ) exp( / )Mean depth: ( )

with,5840m , 60km795m , 66km , 7.1m

a x a xb x b xh x h

ab h

λµ

λµ

= −

= − =

= =

= = =

1D Dimensions

Sanlúcar B.

Isla Mayor

(Ruiz J., Losada M.A. et al., 2010)

37

BASIC HYDRODYNAMICS Neap-Spring tides:

Range ~ 1-2 m Current Amplitude ~ 0.5-1 ms-1

Effective horizontal diffusion coefficient:

velocity, viscosity, Q 150 < Kx (m2/s) < 1000

Calibration of thediffusionin the 1D Model:

Advection: vm(x) = -Q/a(x)

2

0( ) 1E

xxK x Kl

γ

= −

Dry periods validation: Q = 25m3/s , K0 = 300m2/s,

γ = 3/4, and lE = 110km.

Rainy periods validation: Q = 60m3/s, K0 = 600m2/s, γ = 1/2, and lE = 110km.

Guadalquivir 1D Model: Validation Results

1. This work shows the first 3D radio-ecological model (M. Toscano et al., 2010 2004 & 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).

CONCLUSIONS AND FUTURE

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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., 2005.

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).

ICEFA IV, University of Cambridge, U.K., 2010. “Modelling the Transport of Particles Released from Nuclear Accidents. Validation in

the Baltic Sea after the Chernobyl Disaster”. M. Toscano et al., pp. 28-29, 2010.

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).

ALGUNAS REFERENCIAS

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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 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

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