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ESTUDIO DE LA EXPOSICIÓN
DEBIDA AL TORIO
EN INDUSTRIAS NO RADIOLÓGICAS
Fernando Legarda Ibáñez ETSII Univ. del País Vasco
Rafael Núñez-Lagos Roglá Fac. Ciencias Univ. de Zaragoza
IV WORKSHOP “RADIACIÓN NATURAL Y MEDIO AMBIENTE”
Suances Cantabria 7 de Julio de 2005
CARACTERISTICAS
Y PROPIEDADES
DEL TORIO
232
Th
90
Torio:
• Descubierto por el científico Berzelius en
1.828
• Torio
Thor
• Elemento químico
• Grupo ACTÍNIDOS de la tabla periódica.
CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES DEL TORIO
Peso atómico: 232,0381
Número Atómico: Z= 90
Número másico: A = 232
Punto de Fusión: 1750ºC
Punto de ebullición: 4.788ºC
Gravedad específica: 11,72
Gupo químico: Actínidos
Valencias: +4,+3,+2.
Aspecto: plateado metálico blanco
Es estable en aire y su brillo dura meses.
CARACTERISTICAS NUCLEARES
Isótopo natural único 90Th232
Periodo: 1,4x1010 años
En su familia está el 90Th228 con T1/2 = 1,913 años.
Familia radiactiva con 14 descendientes.
Con 6 desintegraciones alfa y cuatro beta se transmuta
en 82Pb208 que es estable.
Todos los descendientes son sólidos excepto el 86Rn220
que es un gas (Torón) con T1/2 = 55,6 s.
Se conocen 25 isótopos de 90Th232 con 212 ≤ A≤ 237
Cadena 92U235: 90Th 227 (T1/2=18,72 d) 90Th231 (T1/2=25,2h)
Cadena 92U238: 90Th234 (T1/2=24,1 d) 90Th230 (T1/2=75400 a)
– Cadena de desintegración del Th-232:
Familia del Torio I
Nucleido
T 1/2
1,4x1010
años
Desint.
Probabili- Energía
dad
Promedio
MeV
3,83
3,953
4,010
0,002
0,230
0,770
5,75 años beta
0,03893
1,00
228
6,13
horas
beta
32 energías 0,12
diferentes 0,32
228
Th
90
1,913
años
alfa
5,1387
5,175
5,212
5,3405
5,4233
90
Th232
228
Ra
88
89Ac
alfa
Energía
MeV
0,0005
0,0018
0,0036
0,267
0,727
0,0099
0,611
0,386
Familia del Torio II
Nucleido
T 1/2
Desint.
Energía
MeV
Probabili- Energía
dad
Promedio
MeV
224
Ra
88
3,62 días
alfa
5,0936
5,449
5,6856
0,000176
0,049
0,951
220
Rn
86
55,61
alfa
segundos
5,747
6,2883
0,00097
0,99903
216
Po
84
0,146
alfa
segundos
5,985
6,7785
0,000018
0,999980
212
Pb
82
10,643
horas
0,15752
0,33418
0,5728
0,0522
0,851
0,099
beta
0,0419
0,0944
0,1727
Familia del Torio III
Nucleido
T 1/2
Desint.
Energía
MeV
Probabili- Energía
dad
Promedio
MeV
212
Bi
83
6,55
minutos
Alfa
36%
7 energías
0,484
208
Tl
81
3,052
minutos
beta
8 energías
1,7942
0,6465
208
Pb
82
Estable
0,493
Familia del Torio IV
Cadena Secundaria
Nucleido
T 1/2
Desint.
212
Bi
83
60,55
minutos
Beta
64%
212
Po
84
0,3
alfa
milisegun
dos
208
Pb
82
Estable
Energía
MeV
Probabili- Energía
dad
Promedio
MeV
7 energías
2,246
8,7849
1,0000
0,484
Origen del Torio:
• Torita (ThSiO4)
• Torianita (ThO2 + UO2)
• Fundamentalmente: Monazita
– Fosfato complejo de torio, uranio, cerio y
lantánidos.
– Abundante en arenas de la India y Brasil.
– Yacimientos en España:
• Arenas de rías gallegas
• En rocas de Córdoba
Origen del Torio:
•
MONAZITA
– 3 tipos de monazita dependiendo de la composición relativa del
mineral:
• Monacita-Ce (Ce, La, Nd, Th, Y) PO4
• Monacita-La (La, Ce, Nd) PO4
• Monacita-Nd (Nd, La, Ce) PO4
– Contiene del 3 al 9% de ThO2 junto con otras tierras raras.
– Métodos de extracción:
• Reducción del ThO2 con Calcio
• Electrólisis de Cloruro de torio anhidro en sal fundida de
cloruros de Sodio y Potasio
• Reducción del Tetracloruro de torio con metal alcalino
• Reducción del Tetracloruro de torio por mezcla de Calcio y
Cloruro de Zinc anhidro.
USOS Y
APLICACIONES
DEL TORIO
–Aplicaciones del Torio:
» Aleado
con
Tungsteno
para
formar
ELECTRODOS DE SOLDADURA de alta
precisión: acero inoxidable, Al, aleaciones de Ni
y otros.
» Camisas de incandescencia.
» Aleado con Mg para mejorar propiedades
mecánicas a alta temperatura en piezas para
reactores. De uso en industria aeroespacial
» Vidrio toriado.
En alguna referencia se cita también:
» Crisoles, filamentos de W para lámparas de
incandescencia, electrodos para tubos catódicos
y algunos catalizadores industriales.
Programa de trabajo
para
EL ESTUDIO DE LA EXPOSICIÓN
DEBIDA AL TORIO EN INDUSTRIAS NO
RADIOLÓGICAS
Programa de trabajo
– Identificación de aplicaciones del TORIO.
– Identificación de lugares que implementan dichas
aplicaciones:
• Fabricación
• Almacenamiento y distribución
• Utilización
– Selección de instalaciones representativas y estudio
dosimétrico:
• Teórico
• Medido.
Hasta la fecha se han estudiado las siguientes
aplicaciones:
– Electrodos de soldadura
– Camisas de incandescencia
– Crisoles
• Crisoles
– Resultado de la búsqueda:
12 fabricantes
• 10 de ellos aseguran no incorporar óxido de Torio en sus
crisoles.
• Los otros 2 fabricantes no contestan por lo que se procede a
medir en el laboratorio varios de sus productos por
espectrometría gamma.
– No se ha detectado actividad significativa.
•
Camisas de incandescencia
– El mayor fabricante mundial reemplazó Th por Y hacia el año
2000.
– Existen 2 fabricantes USA que siguen incorporando torio, pero no
se han encontrado sus productos en España.
– Puede existir una marca austriaca que incorpora torio, pero no se
ha encontrado en España.
• Se miden en el laboratorio varios productos por espectrometría
gamma.
– No se ha detectado actividad significativa.
ELECTRODOS
DE TUNGSTENO
PARA
SOLDADURA
• Electrodos toriados para soldadura:
– Se consideran los responsables de la mayor
exposición a radiaciones ionizantes inducidas por
el uso de este elemento.
– Torio en electrodos para soldadura TIG:
• Aleado con Wolframio
• Añadido en cantidades entre un 1% y un 2 % de óxido de
torio ThO2.
• Mejora la chispa
• Mantiene una mayor estabilidad del arco.
• Actualmente se utiliza Lantano como sustituto pero no
es bien aceptado por el mercado.
• Se comercializan entre 3.105 y 4.105 electrodos por año
en España.
• El 80-90% de ellos se fabrica en China, el resto en
Austria, Alemania, USA y Suecia.
Tipos de electrodos de Tungsteno
Tipo
Peso Varilla
(gr)
Diámetro
Observaciones
WT20
20.2097
3,2mm
98% W, 2%
ThO2
WT20
12.5662
2,5 mm
98% W, 2%
ThO2
WT20
5.6674
2,0 mm
98% W, 2%
ThO2
WC20
2.1882
1,0 mm
98% W, 2%
CeO2
WNERTAL
23.3870
3,2 mm
98%
Tungsteno
Longitud del electrodo 150 mm
W
98%
Ce 2%
W
98%
Th
2%
W
puro
150 mm
Características y ventajas de la soldadura
TIG
No se requiere de fundente, y no hay necesidad
de limpieza posterior en la soldadura.
º
º No hay salpicadura, chispas ni emanaciones, al
no circular metal de aporte a través del arco.
º Brinda soldaduras de alta calidad en todas las
posiciones, sin distorsión.
º Al igual que todos los sistemas de soldadura con
protección gaseosa, el área de soldadura es
claramente visible.
º El sistema puede ser automatizado, controlando
mecánicamente la pistola y/o el metal aporte.
S
O
L
D
A
D
U
R
A
T
I
G
E
L
E
C
T
O
D
O
S
D
E
T
U
N
G
T
E
N
O
Atmósfera de Argón
Electrodo Tungsteno Th
Arco eléctrico
Fundente
Soporte
Pieza a soldar
– Electrodos toriados para soldadura:
– Usos de los electrodos toriados:
» Almacenaje
» Afilado
» Soldadura
• Vías de exposición:
– Exposición externa
– Inhalación de polvo
– Ingestión
– Depósito sobre la piel.
» Estudios en curso:
• Composición de los electrodos
• Exposición externa en:
– Almacenaje, afilado y soldadura.
• Término fuente para exposición interna:
– Recogida de polvo de afilado
– Recogida de vapores y aerosoles durante la
soldadura.
MEDIDAS
EN
ELECTRODOS
ESPECTROS GAMMA DE UN ELECTRODO DE
TUNGSTENO TORIADO AL 2% Y UNO DE TUNGSTENO PURO
W 98%+Th 2%
W 100%
W 100%
Tiempo de medida: 86.400s
Electrodos de 150 mm de longitud y 3,2 mm de diámetro
CÁLCULOS Y
SIMULACIONES
Condiciones de cálculo
– Exposición EXTERNA.
– Método de Monte Carlo (MCNP).
– Fundamentalmente: Electrodos de 2% de
ThO2
– Diámetros: 1,6 mm., 2 mm. y 2,4 mm.
Condiciones de cálculo
– Agrupación de las emisiones gamma en
intervalos de 30 keV
– Eliminación de probabilidades por debajo de un
0,1%.
– ESPECTRO OBTENIDO:
•
•
•
•
2.63 fotones por desintegración del Th-232
Suma probabilidad: 99.16%
<E> Original: 870,5 keV
<E> Final: 861,4 keV.
Condiciones de cálculo para almacenaje
CAJAS DE ELECTRODOS TORIADOS
DIÁMETRO
nº CAJAS
(mm.)
1,6
2
2,4
850
300
850
ANCHO
LARGO
ALTO
VOLUMEN
PESO
(cm.)
(cm.)
(cm.)
(cm3.)
(kg.)
4
4
6
18
18
18
0,5
0,5
0,8
30.600
10.800
73.440
Densidad media: 2,22 g/cm3
(1,75 g/cm3 son de electrodo)
Densidad de Th: 0,0308 g/cm3 (calidad 2%)
Densidad de actividad: 125 Bq/cm3
64,515
37,5
153,425
Condiciones de cálculo para almacenaje
– Estantería estándar de doble acceso.
• Dimensiones:
– Ancho: 200 cm.
– Alto: 200 cm.
– Fondo: 100 m.
– Electrodos ordenados en 4 alturas:
–
–
–
–
5 cm.
70 cm.
135 cm.
200 cm.
Condiciones de cálculo para almacenaje
– Celda TIPO:
» Ancho: 90 cm.
» Alto: 4 cm.
» Largo: 20 cm.
– 4 celdas por altura
Condiciones de cálculo para almacenaje
– Cálculo de dosis de radiación a distancias de la
estantería:
• 20 cm.
• 40 cm.
• 1 m.
– Campo de radiación en intervalos de altura de 40
cm. desde el suelo hasta altura de 2 m.
Resultados
– Dosis a 20 cm. de la estantería
Figura 2. Distribución de puntos de cálculo
Figura 1. Dosis a 20 cm. de la estantería
Resultados
– Dosis a 100 cm. de la estantería
Figura 4. Distribución de puntos de cálculo
Figura 3. Dosis a 100 cm. de la estantería
Condiciones de cálculo para afilado
– Determinación in situ
– Condiciones de afilado:
• Duración: 30 -90 segundos
• Periodicidad: 1 afilado cada
utilización
20
minutos
– Las partículas producidas se recogen en un filtro
de papel para su tamizado y granulometría.
– Determinación del equilibrio de la cadena
radiactiva.
Condiciones de cálculo para afilado
– Exposición externa:
• MCNP. Dosis alrededor del electrodo
– Inhalación de polvo:
• Filtros de partículas y de carbón activo
– Ingestión
– Depósito sobre la piel:
• Filtro de papel. Análisis del contenido de
radionucleidos.
Condiciones de cálculo para soldadura
– Determinación in situ
– Exposición externa:
• MCNP. Dosis alrededor del electrodo
– Inhalación de polvo:
• Filtros de partículas y de carbón activo
Siguiente fase del estudio
Aleaciones con Magnesio para aplicaciones en la
industria aeroespacial
GRACIAS POR SU
ATENCIÓN