Bloque I: Fundamentos de la Radiación y Protección Radiológica
Temas 1 y 2: Desintegración e Interacción Radiación-Materia
1. Tipos de desintegraciones radiactivas
La desintegración radiactiva es un proceso espontáneo mediante el cual un núcleo inestable se transforma en otro más estable emitiendo radiación.
- Desintegración α: El núcleo emite una partícula alfa ($^4\text{He}$), disminuyendo su número atómico en 2 y su número másico en 4.
- Desintegración β⁻: Un neutrón se transforma en un protón, emitiéndose un electrón y un antineutrino; el número atómico aumenta en una unidad.
- Desintegración β⁺: Un protón se transforma en un neutrón, emitiéndose un positrón y un neutrino; el número atómico disminuye en una unidad.
- Captura electrónica: El núcleo captura un electrón orbital, transformando un protón en un neutrón.
- Radiación γ: Emisión de fotones de alta energía sin cambio en Z ni en A, acompañando a otras desintegraciones.
2. Interacción radiación–materia (concepto general)
La interacción radiación–materia describe los procesos mediante los cuales la radiación ionizante transfiere energía al atravesar un medio. Esta interacción depende del tipo de radiación y de su energía.
Las partículas cargadas interaccionan principalmente por ionización y excitación; los fotones, mediante procesos discretos como el efecto fotoeléctrico, Compton y la creación de pares; y los neutrones, a través de colisiones y reacciones nucleares. Estas interacciones son la base del blindaje, la detección y la protección radiológica.
3. Interacción de fotones con la materia
Los fotones interaccionan con la materia principalmente mediante tres procesos:
- Efecto fotoeléctrico: El fotón es absorbido completamente y expulsa un electrón ligado; predomina a bajas energías y en materiales de alto número atómico (Z).
- Efecto Compton: El fotón se dispersa cediendo parte de su energía a un electrón; domina a energías intermedias.
- Creación de pares: El fotón se transforma en un par electrón–positrón en presencia del campo del núcleo; ocurre a energías superiores a 1,022 MeV.
4. Interacción de neutrones con la materia
Los neutrones interaccionan con la materia mediante procesos nucleares:
- Dispersión elástica: El neutrón pierde energía sin excitar el núcleo, siendo fundamental para la moderación.
- Dispersión inelástica: Parte de la energía se emplea en excitar el núcleo.
- Captura: El neutrón es absorbido por el núcleo, emitiéndose radiación gamma.
- Fisión: El neutrón provoca la división del núcleo, liberando energía y nuevos neutrones.
5. Protección radiológica
La protección radiológica tiene como objetivo minimizar la exposición a la radiación ionizante. Se basa en tres principios fundamentales:
- Tiempo: Reducir el tiempo de exposición.
- Distancia: Aumentar la distancia a la fuente.
- Blindaje: Interponer materiales adecuados según el tipo de radiación.
Además, se aplican los principios de justificación, optimización y limitación de dosis.
6. Tipos de neutrones
Los neutrones se clasifican según su energía en:
- Neutrones rápidos: De alta energía, producidos en la fisión.
- Neutrones térmicos: En equilibrio con el medio, fundamentales para mantener la reacción en cadena.
- Neutrones epitérmicos: Energías intermedias entre rápidos y térmicos.
7. Blindajes frente a radiación
El blindaje depende del tipo de radiación:
- Radiación α: Se detiene con papel o una fina capa de aire.
- Radiación β: Se atenúa con aluminio o materiales ligeros.
- Radiación γ: Requiere materiales densos como plomo u hormigón.
- Neutrones: Se utilizan materiales ricos en hidrógeno, como agua o polietileno.
8. Unidades radiológicas
Las principales magnitudes radiológicas son:
- Actividad: Número de desintegraciones por segundo, medida en becquerel (Bq).
- Dosis absorbida: Energía depositada por unidad de masa, medida en gray (Gy).
- Dosis equivalente y efectiva: Tienen en cuenta el tipo de radiación y el tejido, medidas en sievert (Sv).
9. Radiaciones ionizantes y no ionizantes
Las radiaciones ionizantes tienen energía suficiente para ionizar la materia, como α, β, γ y neutrones. Las no ionizantes, como ondas de radio o microondas, no producen ionización directa.
Esta diferencia es clave para la protección radiológica y la evaluación de riesgos.
10. Productos resultantes de la fisión nuclear
La fisión de un núcleo pesado produce:
- Dos fragmentos de fisión de masa intermedia.
- Neutrones rápidos.
- Radiación gamma.
- Energía liberada en forma cinética.
Estos productos son la base de la producción de energía en los reactores nucleares.
11. Moderación de neutrones
La moderación es el proceso mediante el cual los neutrones rápidos pierden energía hasta alcanzar el rango térmico mediante colisiones, principalmente con núcleos ligeros. Es esencial para mantener la reacción en cadena en reactores térmicos.
12. Sección eficaz (concepto)
La sección eficaz es una magnitud que expresa la probabilidad de que una interacción nuclear tenga lugar entre una partícula incidente y un núcleo. Depende del tipo de reacción y de la energía de la partícula.
13. Detectores de radiación (concepto general)
Los detectores de radiación funcionan basándose en la ionización o excitación producida por la radiación al interactuar con la materia. Ejemplos son los contadores Geiger-Müller, detectores de centelleo y detectores semiconductores.
14. Principios básicos de protección radiológica (ICRP)
Los principios fundamentales son:
- Justificación: Toda práctica debe aportar un beneficio neto.
- Optimización: Las dosis deben mantenerse tan bajas como razonablemente posible (ALARA).
- Limitación: No se deben superar los límites legales de dosis.
Bloque II: Ciclo del Combustible y Tecnología de Reactores
Temas 3 y 4: Combustible Nuclear y Reactores Nucleares
1. Tipos de minería del uranio
La minería del uranio puede realizarse mediante tres métodos principales:
- Minería a cielo abierto: Empleada cuando el yacimiento se encuentra a poca profundidad.
- Minería subterránea: Utilizada en yacimientos profundos mediante galerías.
- Lixiviación in situ: Consiste en disolver el uranio directamente en el yacimiento mediante soluciones químicas, reduciendo el impacto ambiental.
2. Fases del primer ciclo del combustible nuclear
El primer ciclo del combustible comprende las siguientes etapas:
- Minería y concentración del uranio.
- Conversión del concentrado en UF₆.
- Enriquecimiento isotópico del uranio.
- Reconversión del UF₆ enriquecido a UO₂.
- Fabricación de pastillas, barras y elementos combustibles.
3. Enriquecimiento del uranio
El enriquecimiento del uranio consiste en aumentar la proporción del isótopo fisible U-235 respecto al U-238. Los métodos más utilizados son la difusión gaseosa y, actualmente, la centrifugación, que permite obtener uranio con un enriquecimiento adecuado para reactores nucleares.
4. Reconversión del UF₆ a UO₂
Tras el enriquecimiento, el UF₆ se reconvierte en dióxido de uranio (UO₂), que es la forma sólida utilizada como combustible. Este proceso incluye reacciones químicas controladas para obtener un polvo cerámico estable que posteriormente se sinteriza en pastillas.
5. Funcionamiento de una central nuclear PWR
En una central PWR (Reactor de Agua a Presión), el reactor utiliza agua ligera como moderador y refrigerante. El circuito primario mantiene el agua a alta presión para evitar la ebullición. El calor generado en el núcleo se transfiere al circuito secundario mediante generadores de vapor, donde se produce vapor que acciona la turbina y el alternador para generar electricidad.
6. Diferencias entre reactores PWR y BWR
En los reactores PWR, el agua del circuito primario no hierve en el núcleo, mientras que en los BWR (Reactor de Agua en Ebullición) el agua hierve directamente en la vasija del reactor. Además, en los PWR las barras de control se introducen desde la parte superior, mientras que en los BWR lo hacen desde la parte inferior.
7. Elementos principales de un reactor nuclear
Los elementos fundamentales de un reactor nuclear son:
- Combustible nuclear.
- Moderador.
- Refrigerante.
- Barras de control.
- Vasija del reactor.
- Sistemas de seguridad.
Cada uno cumple una función esencial para mantener la reacción controlada.
8. Elementos de la vasija de un reactor PWR
En la vasija de un reactor PWR se encuentran:
- El núcleo con los elementos combustibles.
- El moderador y refrigerante.
- Las barras de control.
- Instrumentación interna.
- Estructuras de soporte.
9. Barras de control: función y materiales
Las barras de control se utilizan para absorber neutrones y regular la reactividad del reactor. Están fabricadas con materiales absorbentes como boro, cadmio o hafnio, y permiten aumentar o disminuir la potencia del reactor.
10. Diferencias en las barras de control entre PWR y BWR
En los reactores PWR, las barras de control se insertan desde la parte superior y se utilizan principalmente para el control fino de la potencia. En los BWR, se introducen desde la parte inferior y tienen un papel más activo en el control del reactor.
11. Definición de reactividad
La reactividad es una magnitud que mide la desviación del reactor respecto al estado crítico. Si la reactividad es positiva, el reactor es supercrítico; si es negativa, subcrítico; y si es nula, crítico.
12. Factor de multiplicación (k)
El factor de multiplicación ($k$) es el cociente entre el número de neutrones de una generación y el de la generación anterior. Si $k = 1$, el reactor es crítico; si $k > 1$, supercrítico; y si $k < 1$, subcrítico.
13. Coeficientes de reactividad
Los coeficientes de reactividad relacionan la reactividad con variables físicas como la temperatura del combustible, la temperatura del moderador o la presencia de huecos. Generalmente son negativos, lo que contribuye a la seguridad del reactor.
14. Efecto del número de huecos en la reactividad
El aumento del número de huecos o burbujas en el moderador reduce su capacidad de moderación, disminuyendo la reactividad del reactor. Este efecto es especialmente importante en reactores de agua ligera y actúa como mecanismo de seguridad intrínseca.
Bloque III: Residuos Radiactivos y Seguridad Nuclear
Temas 5 y 6: Gestión de Residuos y Seguridad
1. Clasificación de los residuos radiactivos
Los residuos radiactivos se clasifican según su nivel de actividad y su vida media en:
- Residuos de muy baja actividad (RBBA).
- Residuos de baja actividad (RBA).
- Residuos de media actividad (RMA).
- Residuos de alta actividad (RAA).
Los residuos de alta actividad proceden principalmente del combustible nuclear gastado y requieren sistemas de gestión y aislamiento a largo plazo.
2. Origen de los residuos radiactivos
Los residuos radiactivos tienen distintos orígenes:
- Centrales nucleares: Durante la operación y el desmantelamiento.
- Medicina: En diagnóstico y radioterapia.
- Industria: En control de procesos y ensayos no destructivos.
- Investigación y docencia.
El origen condiciona su nivel de actividad y su gestión posterior.
3. Gestión de los residuos radiactivos
La gestión de los residuos radiactivos comprende todas las etapas desde su generación hasta su eliminación final, incluyendo tratamiento, acondicionamiento, almacenamiento, transporte y disposición final, garantizando siempre la protección de las personas y del medio ambiente.
4. Almacén Temporal Centralizado (ATC)
El Almacén Temporal Centralizado (ATC) es una instalación destinada al almacenamiento temporal del combustible nuclear gastado y residuos de alta actividad. Permite centralizar los residuos procedentes de distintas centrales, facilitando su control, vigilancia y seguridad hasta su traslado a una solución definitiva.
5. Almacenamiento geológico profundo
El almacenamiento geológico profundo consiste en el confinamiento de los residuos de alta actividad en formaciones geológicas estables a gran profundidad. Se basa en el principio de barreras múltiples para aislar los residuos durante largos periodos de tiempo.
6. Barreras de seguridad en el almacenamiento geológico profundo
El sistema de barreras múltiples incluye:
- Barrera del residuo (forma química estable).
- Barrera del contenedor.
- Barrera de relleno o ingeniería.
- Barrera geológica natural.
Estas barreras actúan conjuntamente para impedir la liberación de radionucleidos.
7. Almacenamiento temporal en piscina
El combustible gastado se almacena inicialmente en piscinas, donde el agua actúa como refrigerante y blindaje radiológico. Este almacenamiento permite la disminución de la potencia residual y de la radiactividad antes de su traslado a otros sistemas.
8. Almacenamiento en seco
El almacenamiento en seco utiliza contenedores blindados que permiten disipar el calor por convección natural. Se emplea como alternativa o complemento al almacenamiento en piscina y presenta ventajas en términos de seguridad pasiva.
9. Desmantelamiento de centrales nucleares
El desmantelamiento es el conjunto de actividades necesarias para retirar una central nuclear de servicio, eliminando los riesgos radiológicos y liberando el emplazamiento para otros usos.
10. Tipos de desmantelamiento
Existen tres tipos principales:
- Desmantelamiento inmediato.
- Desmantelamiento diferido.
- Confinamiento.
La elección depende de criterios técnicos, económicos y radiológicos.
11. Contenedores para el transporte de residuos radiactivos
Los contenedores de transporte están diseñados para garantizar la seguridad radiológica en condiciones normales y accidentales. Deben cumplir estrictas normativas de resistencia mecánica, térmica y de blindaje.
12. Seguridad nuclear y protección radiológica
La seguridad nuclear se orienta a prevenir accidentes y minimizar sus consecuencias, mientras que la protección radiológica tiene como objetivo limitar la exposición de trabajadores, población y medio ambiente a la radiación ionizante.
13. Zonas de protección radiológica en hospitales
Las instalaciones radiológicas se dividen en:
- Zona vigilada.
- Zona controlada.
- Zona libre.
Esta clasificación permite aplicar medidas adecuadas de control y protección.
14. Principio de defensa en profundidad
La defensa en profundidad es un principio de seguridad nuclear que establece la existencia de múltiples niveles de protección independientes y sucesivos, de modo que el fallo de uno no comprometa la seguridad global de la instalación.