APLICACIONES DE LOS ISÓTOPOS RADIACTIVOS EN LA CONSTRUCCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE RESIDUOS RADICATIVOS EN ESPAÑA

INTRODUCCIÓN

Los principales temas que van a ser tratados durante este trabajo son los siguientes:
En primer lugar, la utilización que tienen en la actualidad las aplicaciones de los isótopos radiactivos en la construcción, principalmente para la medida de la densidad y de la humedad del terreno, y para la determinación de los grados de corrosión a los que se encuentra un determinado material , el cual vaya a ser utilizado en un proyecto de construcción.

ISÓTOPOS

Dos atomos de un mismo elemento son isótopos cuando su masa es distinta. Todos los isótopos de un mismo elemento tienen el mismo numero atómico, debido a que sus núcleos contienen el mismo numero de protones. Pero como sus núcleos poseen un número diferente de neutrones, tienen distinta masa atómica, ya que esta es aproximadamente igual a la suma de protones y neutrones de su núcleo. En consecuencia a pesar de que difieren en su masa atómica, ocupan el mismo lugar en la tabla periódica de elementos. De hecho la palabra “isótopo” proviene del griego y significa precisamente el mismo lugar.

Existen dos tipos de isótopos, los isótopos estables y los isótopos inestables o isótopos radiactivos que son los que nos interesan aquí, y son mucho mas abundantes en la naturaleza que los estables. Su estabilidad se debe al hecho de que, aunque son radiactivos, tienen un tiempo de neutralización extremadamente largo, Un isótopo radiactivo de unelemento, se caracteriza por tener un núcleo atómico inestable, y emitir energía cuando cambia de esta forma a una forma mas estable. La energía liberada al cambiar de forma puede detectarse mediante un contador de Geiger o una película fotografica.
Cada radioisótopo tiene un periodo de desintegración o semivida características. La energía puede ser liberada, principalmente, en forma de rayos alpha (núcleos de helio), beta (electrones o positrones) o gamma (energía electromagnética).

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Y en segundo lugar, trataremos el tema de los cementerios nucleares en España.
En la actualidad, en el país tan solo queda un cementerio nuclear, y es el que se encuentra en las instalaciones de El Cabril en Córdoba. El tema de almacenamiento de residuos nucleares ha generado una gran controversia, ya que por un lado, las personas y diferentes grupos de la clase social y política que se encuentran a favor de tal almacenamiento radiactivo argumentan que podría ser una fuente de enriquecimiento a largo plazo por medio de la energía nuclear, y al estar no demasiado cerca de población alguna no consideran que se corra ningún tipo peligro para las personas. Pero por el lado contrario han salido un gran número de personas que se oponen de forma absoluta a que la situación en El Cabril siga como esta en estos momentos. Algunos grupos defensores del medio ambiente como Greenpeace o algunos otros han realizado multitud de protestas en contra del almacenamiento nuclear, ya que El Cabril se encuentra en plena sierra,por lo que existe una gran variedad de fauna y flora en los alrededores, y unas instalaciones de acumulación de residuos nucleares no es precisamente el entorno ideal para la vida de las especies de animales que vivan allí. Cuando nos imaginamos un desastre nuclear, inevitablemente nos vienen a la cabeza las terroríficas escenas del desastre de Chernobyl, Ucrania en 1986. Y a pesar de las inmensas medidas de seguridad presentes en la instalación, no descabellado pensar en que pudiese haber un escape o algo parecido, lo que sería obviamente de fatales consecuencias para todos.

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Vista aérea de las instalaciones de El Cabril

DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD Y DENSIDAD DE UN SUELO POR ISÓTOPOS RADIACTIVOS

HISTORIA

Los primeros instrumentos que emplean radioisótopos para medir la densidad y humedad de terrenos aparecen, en los Estados Unidos hacia 1949-50. Donde se utilizaba la radiación gamma para determinar la densidad húmeda y una fuente de neutrones para la humedad. Las cabezas radiactivas pueden medir, bien en superficie, colocadas directamente sobre la capa recién compactada, bien en profundidad.

Algunos años después, modificando, aunque no sustancialmente, las cabezas de superficie, se comenzó a determinar, en frío o en caliente, la densidad de pavimentos asfalticos.

En España este sistema comienza a emplearse en 1960. Desde entonces el número de usuarios ha ido aumentando regularmente, manteniéndose en niveles razonables dado el grado deindustrialización del país.

Actualmente existen mas de 500 equipos nucleares repartidos por todo el mundo, en laboratorio, departamentos estatales de carreteras, obras hidraulicas, empresas constructoras, etc.

MEDIDAS DE DENSIDAD

Las medidas de densidad se basan en la interacción de los rayos (radiación electromagnética) con la materia. Tres son los procesos por los que la radiación[pic] es absorbida: I) efecto fotoeléctrico, II) efecto Compton y III) producción del par electrón-positrón.

-En el proceso fotoeléctrico el cuanto de energía electromagnético (fotón) expulsa un electrón de un atomo comunicandole una energía, siendo la energía con que el electrón estaba unido al atomo. Este proceso es el mas importante para energías bajas y en el la radiación desaparece completamente.
-En el efecto Compton, la radiación cede solo una parte de su energía al electrón expulsado, el fotón queda con menor energía y cambia la dirección de su trayectoria. Este proceso predomina para energías intermedias. En el la radiación[pic] no desaparece sino que cambia de dirección y pierde energía.
-El tercer mecanismo por el cual la radiación[pic] puede ser absorbida es la producción de un par positrón-electrón. El proceso no puede ocurrir para energías inferiores a 1.02 Mev. Y, por tanto, no se produce con las fuentes de rayos[pic] utilizadas corrientemente en las medidas de la densidad de suelos.

La absorción total (incluido los tres procesos) para una misma sustancia depende de la cantidad de materiaentre la fuente y el detector. Pudiéndose medir por este método espesores o densidades según convenga. Colocando, pues, una fuente de rayos[pic] y un detector en una masa de suelo, podremos obtener una relación entre densidad húmeda y número de impulsos por minuto recibidos en el detector.

Se ha observado que las variaciones en composición química que se presentan en los suelos no afectan, en general, los resultados. Tampoco la proporción de agua ejerce un efecto apreciable. Por tanto, una sola curva de calibración sirve para la mayoría de los suelos, aunque en ciertos casos, es necesario hacer una calibración especial.

MEDIDAS DE HUMEDAD

El proceso principal que ocurre en la interacción de neutrones de alta energía y la materia es una perdida de velocidad de aquellos al chocar elasticamente con los núcleos de los atomos del medio. A través de estos choques la energía cinética de los neutrones se reduce a la correspondiente a las moléculas gaseosas a la temperatura ordinaria (neutrones lentos o térmicos).

La velocidad a la que se produce este proceso de frenado depende: de la mase de los núcleos, con los que chocan los neutrones y de la probabilidad de que se produzcan estos choques.

La masa de los núcleos de hidrógeno es aproximadamente igual a la de los neutrones. Por lo tanto, los choques con núcleos de hidrogeno reduce la energía cinética de los neutrones mas rapidamente que los choques con elementos mas pesados. La gran diferencia entre la masa de los atomos de hidrógeno y la de otros atomos que seencuentran en el suelo hace que la eficacia relativa de aquellos en el proceso de frenado sea muy pronunciada.

La probabilidad de que un neutrón choque con el núcleo de un atomo es baja para la mayor parte de los elementos, y generalmente aumenta al disminuir la energía de los neutrones. Sin embargo, la probabilidad de choque entre atomos de hidrógeno y neutrones de alta energía es superior a la de la mayor parta de los otros atomos, que estan presentes en el suelo.

Estos dos hechos hacen que el hidrógeno sea el medio eficaz para reducir la velocidad de los neutrones. Si se coloca un detector de neutrones lentos cerca de una fuente de neutrones rapidos en un medio que contenga hidrógeno, la actividad registrada sera debida casi exclusivamente a los neutrones que han sido frenados por los atomos de hidrógeno. Los otros atomos, presentes en un medio tal como el suelo, contribuyen de un modo despreciable a este proceso.

En los suelos, el hidrógeno puede estar en varias formas, pero, con algunas excepciones, se presenta principalmente en forma de agua. Por lo tanto, la actividad de neutrones lentos registrada por el detector puede ser relacionada con la concentración de agua en el suelo mediante una calibración.

Debemos tener presente, sin embargo, que en realidad se determina la proporción de atomos de hidrógeno y no de moléculas de agua, por lo que la presencia de compuestos que contiene hidrógeno, tales como la materia organica, pueden afectar las medidas. Por otra parte, la existencia en cierta proporción, dealgunos elementos como cloro, boro, cadmio, litio y magnesio hacen disminuir el número de impulsos registrados. En estos casos es necesario realizar una calibración del aparato con estos materiales.

El método nos da concertación por volumen, y, por consiguiente, los resultados vienen expresados en gramos por centímetro cúbico. Para obtener los valores de humedad en peso de agua por peso de suelo seco es necesario conocer la densidad del suelo.

APARATOS DE MEDIDA

De todo lo dicho anteriormente se deduce que los elementos necesarios para las medidas de densidad humedad son: a) fuentes de rayos (densidad) o de neutrones rapidos (humedad), b) detector de rayos (densidad) o de neutrones lentos (humedad), c) escala de medida para registrar los impulsos de los detectores.

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Esquema del aparato y del proceso de la determinación de la densidad superficial.

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INSTRUMENTACIÓN ACTUAL

Se han introducido algunas modificaciones que, no afectando a los principios basicos, mejoran el rendimiento. La mas importante ha sido la sustitución, por una sola cabeza radiactiva, de las dos que median, respectivamente, la densidad y la humedad en superficie. Una sola fuente emite gammas y neutrones; el detector Geiger-Muller para gammas va en un extremo del instrumento y los dos detectores para neutrones, de trifloruro de boro, se sitúan perpendicularmente, a ambos lados del blindaje de la fuente. Con la cabeza única y el mando a distancia del cambio de uno a otro de los dos canales, el trabajo es mas facil yrapido.

En las cabezas de profundidad: algunos fabricantes han creado también modelos combinados de densidad y humedad. Otros continúan produciendo los dos instrumentos por considerar que muchas aplicaciones solo exigen la determinación de una de las dos propiedades del terreno.

Las cabezas radiactivas para medida de la densidad de mezclas asfalticas se basan en los mismos principios. Una de las ventajas de estas cabezas nucleónicas es el poder medir en caliente. Estan proyectadas para trabajar en un intervalo aproximado de temperaturas entre –20 y 150ºC.

CONCLUSIÓN

Finalmente vemos que las pruebas comparativas realizadas hasta la fecha parecen indicar que:

1º. La exactitud y dispersión de los resultados obtenidos por los métodos nucleares son analogas a las de los ensayos geotécnicos clasicos.

2º. Una sola curva de calibrado de los aparatos nucleares basta para todo tipo de terreno, a excepción de aquellos que tengan un elevado porcentaje de materia organiza o en cuya composición existan ciertos elementos químicos. En los suelos salinos, entre otros, es preciso un tarado previo de los aparatos nucleares.

3º. Diez a quince minutos son suficientes para realizar una determinación de densidad y humedad en un punto del terreno. Otras ventajas de la utilización de los métodos nucleares frente a los clasicos son:
- una menor interferencia en la construcción de la obra al ser posible conocer en periodo tan corto el estado de la compactación
- menor coste del control, por disminución de la mano deobra directa
- la no destructividad de los ensayos, que permite seguir constantemente el avance de la compactación en uno o vatios puntos determinados de la obra
- un mayor campo de aplicación de los aparatos nucleares en aquellos terrenos en los que es difícil la aplicación de los métodos clasicos

4º. Se debera alisar el terreno a una profundidad de unos 3 o 4 cm. Por debajo de la superficie, para eliminar la capa superior afectada por las variaciones termo higrométricas del ambiente, siempre que no se este completamente seguro de que las características de humedad y densidad de esta zona superficial sean iguales a las del resto de la tongada.

INSPECCIÓN DE SOLDADURAS POR RADIOGRAFÍAS

La inspección de soldaduras con radiografías industriales es un tipo de ensayo no destructivo que proporciona información sobre la calidad de la soldadura y los defectos que presenta. Así pues, es una técnica esencial para certificar la validez de las soldaduras.

La radicación electromagnética de onda corta tiene la propiedad de poder penetrar diversos materiales sólidos, por lo que al utilizarla se puede generar una imagen de la estructura interna del material examinado. El principio de esta técnica consiste en que cuando la energía de los rayos X o gamma atraviesa una pieza, sufre una atenuación que es proporcional al espesor, densidad y estructura del material inspeccionado.

Posteriormente, la energía que logra atravesar el material es registrada utilizando una placa fotosensible, de la cual se obtiene una imagendel area en estudio.

En la medicina los rayos X se utilizan de igual manera

Los rayos x son una forma electromagnética (como una luz) que contiene una gran energía y por ello, es posible que penetre en el cuerpo humano, produciendo así, una imagen en una placa de fotografía. Durante este paso, las radiaciones se modifican, entonces, al pasar por estructuras de gran densidad como el hueso, la imagen que se producira en la placa sera de color blanco y si atraviesa estructuras con aire se formara una imagen de color negro. Los colores dependeran de la densidad de las estructuras y sus formas.

De igual manera ocurre con las soldaduras, los defectos de los materiales como grietas, bolsas, inclusiones, etc. de distintas densidades, absorben las radiaciones en distinta proporción que el material base, de forma que estas diferencias generaran detalles de contraste claro-oscuro en la placa fotografica colocada detras de la pieza. Esto es lo que permite identificar defectos en la inspección de una soldadura por radiografía.

Para facilitar la labor se usan colecciones de radiografías patrón, en las cuales los defectos estan claramente identificados para unas condiciones dadas de tipo de material y tipo de soldadura.

Para este procedimiento se deben utilizar: equipos de proyector de radiación, equipos para la medición de la radiación, una película radiografica, elementos para la marcación, elementos químicos para el proceso de revelado y fijado de la película radiografica y equipos para la visualización einterpretación de resultados.

El proceso de inspección es el siguiente:

* Se determina el area donde no puede ingresar personal laboralmente no expuesto.

* Se calcula el tiempo de exposición a la radiación

* Elaboración de las marcas a estampar en la película radiografica

* Se calcula la distancia de ubicación del emisor de radiación

* Se expone el material al emisor de radiación durante un tiempo calculado previamente

* Se procesa la película radiografica: revelado, lavado del exceso de revelador, fijado, lavado del exceso del fijador

* Se procede a secar la película mediante acetato de celulosa y partículas de haluros de plata

* Se interpretan los resultados de la inspección utilizando una fuente de iluminación variable y de intensidad suficiente.

* Se elabora el informe correspondiente

Las ventajas de esta técnica son: los registros permanentes de rayos X, que se pueden ajustar a varios niveles de energía y que si utilizamos en lugar de rayos X, rayos gamma se pueden obtener altas energías de radiación.

Las desventajas son que la sensibilidad de los aparatos decrece con el espesor de la sección a atravesar. También, a la hora de detectar defectos son mas facilmente detectables aquellos cuya maxima dimensión esta orientada en la dirección de propagación de los rayos X, mientras que, son difícilmente detectables los defectos de poco espesor (aunque sean muy extensos) dispuestos perpendicular mente a la dirección de las radiaciones, por este motivo es objeto debeser examinado en distintas direcciones. Ademas, el peligro de la radiación y el alto costo por su licencia y que requiere personal entrenado para su manejo e interpretación aumenta la búsqueda de técnicas alternativas.

Esta técnica es aplicable también a tuberías, fundiciones y materiales no metalicos ademas de soldaduras

Los defectos detectables en las soldaduras son:

* Cavidades y porosidades (sopladuras)

* Inclusiones sólidas (escorias)

* Fisuras o microgrietas

* Falta de penetración

* Falta de fusión (despego)

* Mordeduras

* Exceso de penetración (descuelgue)

HIDORLOGÍA ISOTÓPICA

La hidrología es un campo en que los Isótopos pueden desempeñar un papel de vanguardia en relación con muchas actividades de investigaciones y diversas aplicaciones. Inicialmente menciono algunos ejemplos de aplicaciones en aguas subterraneas.
Con empleo de trazadores isotópicos se han estudiado exitosamente las interacciones del agua subterranea y la matriz de los acuíferos.

El método de datación isotópica esta basado en la comparación de las proporciones de los isótopos radiactivos presentes al inicio de un proceso y al momento de la datación. Durante el lapso que se quiere medir ha habido un cambio en las proporciones iniciales -supuestamente conocidas- de los radioisótopos presentes inicialmente en el elemento o sustancia.
El cambio es debido a la desintegración radiactiva que se ha operado en esos radioisótopos. Los calculos se apoyan, justamente, en los valores de vidamedia de los radioisótopos intervinientes. Por ejemplo, en las zonas aridas y semiaridas puede determinarse la edad del agua subterranea en lugares en que se prevé impulsar un desarrollo industrial. Si la datación dice que el agua tiene miles de años debe concluirse que, en caso de extraerla, no habra reposición y la zona se secara en poco tiempo.

Las técnicas nucleares ayudan a explorar los recursos geoterrenales y conocer sus mecanismos de recarga, así como la calidad de su agua y sus posibles conexiones con otros acuíferos.
En aguas superficiales las técnicas nucleares ayudan a medir la dinamica de lagos y embalses, la filtración de las represas y de los conductos subterraneos, la descarga de los ríos, el transporte de sedimentos suspendidos y de fondo y la tasa de sedimentación.

ALMACENAMIENTO DE RESIDUOS RADIACTIVOS EN ESPAÑA

ATC El Cabril

El Cabril es la instalación de almacenamiento de residuos radiactivos de baja y media actividad de España.

Se encuentra en la Sierra Albarrana, en la provincia de Córdoba, y su historia como lugar de almacenamiento de residuos se remonta a 1961, cuando la Junta de Energía Nuclear ejecutó el traslado de los primeros bidones de residuos radiactivos a este emplazamiento, introduciéndolos en una antigua mina de uranio de la zona.

La instalación dispone de dos plataformas para el almacenamiento de residuos radiactivos de baja y media actividad, y otra con estructuras específicas para los de muy baja actividad. Adicionalmente, para aquellos residuos que necesitantratamiento y acondicionamiento, la instalación dispone de los medios necesarios para llevar a cabo los citados procesos.

El sistema de almacenamiento se basa fundamentalmente en la interposición de barreras de ingeniería y barreras naturales, que aíslan de forma segura los materiales almacenados durante el tiempo necesario para que se conviertan en sustancias inocuas.

¿Qué son residuos de muy baja, baja y media actividad radiactiva?

La mayor parte de los residuos radiactivos generados en España son residuos de baja y media actividad. Se generan en hospitales, centros de investigación, industrias y centrales nucleares.

RESIDUOS DE BAJA Y MEDIA ACTIVIDAD

Los residuos de baja y media actividad son materiales contaminados con isótopos radiactivos que en menos de 30 años reduciran su radiactividad a la mitad.

Pueden ser herramientas, ropa de trabajo, instrumental médico y otros materiales utilizados en algunas industrias, hospitales, laboratorios de investigación y centrales nucleares.

RESIDUOS DE MUY BAJA ACTIVIDAD

La mayor parte de estos residuos tiene su origen en el desmantelamiento de las centrales nucleares. Son materiales sólidos, generalmente chatarras y escombros, que estan mínimamente contaminados con isótopos radiactivos.

Las instalaciones de El Cabril y su funcionamiento

El proceso de los residuos de baja y media actividad

Los residuos de baja y media actividad generados en cualquier punto de España llegan a El Cabril y se descargan en un edificio de acondicionamiento o en alguno de losalmacenes temporales.

La mayoría de ellos, generados en las centrales nucleares, llegan acondicionados. Los que proceden de hospitales, centros de investigación o industrias, son tratados y acondicionados en las propias instalaciones de El Cabril.

Los bidones recibidos se introducen en contenedores de hormigón cuya capacidad es de 18 bidones de 220 litros.

Cuando un contenedor se llena, sus bidones se inmovilizan mediante mortero inyectado. Este bloque compacto se introduce en la celda de almacenamiento, que es una estructura de hormigón armado.

Una vez completa la celda de almacenamiento con 320 contenedores, se construye la losa superior de cierre con hormigón armado y se impermeabiliza.

Cada una de las 28 celdas de almacenamiento tiene un sumidero conectado con la red de control de infiltraciones, situada bajo las plataformas. Esto permite detectar posibles filtraciones de agua para que, en caso de producirse, puedan subsanarse.

Una vez completa la capacidad de las plataformas, se taparan con una última cobertura formada por diferentes capas, siendo la última de tierra vegetal, buscando su integración en el entorno.

En este momento comenzara la fase de vigilancia y control del emplazamiento durante 300 años.

El proceso de los residuos de muy baja actividad

Pueden llegar a la instalación en sacas, bidones o contenedores y almacenarse directamente en la estructura específica de almacenamiento, o pasar primero al area destinada a su tratamiento, si fuera necesario.

Cuando se complete cadaestructura, se cubrira con diferentes capas, siendo la última de tierra vegetal para su integración en el entorno.

En este momento comenzara la fase de vigilancia y control del emplazamiento durante 60 años.

AISLAMIENTO DE LOS RESIDUOS

Aislar los residuos radiactivos de manera eficaz y detener su posible dispersión: para ello se interponen entre el residuo y el medio tres tipos de barreras

Una primera barrera, constituida por el residuo acondicionado y el contenedor.

Una segunda barrera, integrada por las estructuras de ingeniería que alojan el residuo.

Una tercera y última barrera, formada por el terreno natural del emplazamiento donde asienta la instalación.

Como conclusión

Con el Cabril España tiene la necesidad del almacenamiento de los residuos de baja y media actividad cubierta pero aún queda un tercer tipo de residuos del que no se dispone almacenamiento en el país, son los residuos de alta actividad:

Los residuos de alta actividad estan constituidos basicamente por el combustible gastado en los reactores nucleares y por otros materiales con niveles elevados de radiactividad.

Estos residuos actualmente se almacenan temporalmente en contenedores y piscinas dentro de las propias centrales pero con ello no es suficiente, y por ello se tiene que construir un nuevo almacén de residuos radiactivos.

TRABAJO DE QUIMICA – 1º DE OBRAS PÚBLICAS

INTEGRANTES DEL GRUPO

- Verónica Roca Alcazar
- José Vicente Garberí Buitrón
- Laura Alcazar Riquelme
- Sara Conde Fernandez