El daño por radiación es el efecto de la radiación ionizante sobre los objetos físicos. La radiobiología es el estudio de la acción de las radiaciones ionizantes sobre los seres vivos , incluidos los efectos de la radiación en la salud de los seres humanos . Las altas dosis de radiación ionizante pueden causar daños a los tejidos vivos , como quemaduras por radiación y mutaciones dañinas , como hacer que las células se vuelvan cancerosas , y pueden provocar problemas de salud como envenenamiento por radiación .
Causas
Esta radiación puede tomar varias formas:
- Rayos cósmicos y posteriores partículas energéticas provocadas por su colisión con la atmósfera y otros materiales.
- Productos hijos radiactivos ( radioisótopos ) causados por la colisión de los rayos cósmicos con la atmósfera y otros materiales, incluidos los tejidos vivos.
- Haces de partículas energéticas de un acelerador de partículas .
- Partículas energéticas o radiación electromagnética ( rayos X ) liberadas por colisiones de dichas partículas con un objetivo, como en una máquina de rayos X o de manera incidental en el uso de un acelerador de partículas.
- Partículas o varios tipos de rayos liberados por la desintegración radiactiva de elementos, que pueden ser de origen natural, creados por colisiones de aceleradores o creados en un reactor nuclear . Pueden ser fabricados para uso terapéutico o industrial o ser liberados accidentalmente por accidente nuclear , o liberados como sentencia por una bomba sucia , o liberados a la atmósfera, tierra u océano como consecuencia de la explosión de un arma nuclear para guerra o pruebas nucleares .
Efectos sobre materiales y dispositivos
La radiación puede afectar los materiales y dispositivos de manera nociva:
- Haciendo que los materiales se vuelvan radiactivos (principalmente por activación de neutrones , o en presencia de radiación gamma de alta energía por fotodisintegración ).
- Por transmutación nuclear de los elementos dentro del material, incluida, por ejemplo, la producción de hidrógeno y helio, que a su vez pueden alterar las propiedades mecánicas de los materiales y causar hinchazón y fragilidad.
- Por radiólisis (ruptura de enlaces químicos) dentro del material, lo que puede debilitarlo, hacer que se hinche, polimerice, promueva la corrosión, cause menosprecio, promueva el agrietamiento o cambie sus propiedades mecánicas, ópticas o electrónicas deseables.
- Por formación de compuestos reactivos que afecten a otros materiales (p. Ej., Agrietamiento del ozono por ozono formado por ionización del aire).
- Por ionización , provocando averías eléctricas, especialmente en semiconductores empleados en equipos electrónicos, con corrientes posteriores que introducen errores de funcionamiento o incluso dañan permanentemente los dispositivos. Los dispositivos destinados a entornos de alta radiación, como la industria nuclear y las aplicaciones extraatmosféricas (espaciales), pueden hacer que la radiación sea difícil de resistir tales efectos a través de métodos de diseño, selección de materiales y fabricación.
Muchos de los efectos de la radiación sobre los materiales se producen por cascadas de colisión y están cubiertos por la química de la radiación .
Efectos sobre los sólidos
La radiación puede tener efectos nocivos sobre los materiales sólidos, ya que puede degradar sus propiedades y dejar de ser mecánicamente sólidos. Esto es de especial preocupación, ya que puede afectar en gran medida su capacidad para funcionar en reactores nucleares y es el énfasis de la ciencia de los materiales de radiación , que busca mitigar este peligro.
Como resultado de su uso y exposición a la radiación, los efectos sobre los metales y el hormigón son áreas de estudio particulares. En el caso de los metales, la exposición a la radiación puede provocar un endurecimiento por radiación que refuerza el material y, posteriormente, lo fragiliza (reduce la tenacidad , lo que permite que se produzca una fractura frágil ). Esto ocurre como resultado de expulsar átomos de sus sitios de celosía tanto a través de la interacción inicial como a la cascada resultante de daño, lo que lleva a la creación de defectos, dislocaciones (similar al endurecimiento por trabajo y endurecimiento por precipitación ). Se ha demostrado que la ingeniería de límites de grano a través del procesamiento termomecánico mitiga estos efectos al cambiar el modo de fractura de intergranular (que ocurre a lo largo de los límites de grano) a transgranular. Esto aumenta la resistencia del material, mitigando el efecto debilitante de la radiación. [1] La radiación también puede conducir a la segregación y difusión de átomos dentro de los materiales, lo que lleva a la segregación de fases y vacíos, además de mejorar los efectos del agrietamiento por corrosión bajo tensión mediante cambios tanto en la química del agua como en la microestructura de la aleación. [2] [3]
Dado que el hormigón se utiliza ampliamente en la construcción de centrales nucleares, donde proporciona estructura y contiene radiación, el efecto de la radiación sobre él también es de gran interés. Durante su vida útil, el hormigón cambiará sus propiedades de forma natural debido a su proceso de envejecimiento normal, sin embargo, la exposición nuclear conducirá a una pérdida de propiedades mecánicas debido al hinchamiento de los agregados del hormigón y, por lo tanto, dañará el material a granel. Por ejemplo, el escudo biológico del reactor se compone frecuentemente de cemento Portland , donde se agregan agregados densos para disminuir el flujo de radiación a través del escudo. Estos agregados pueden hincharse y hacer que el escudo sea mecánicamente defectuoso. Numerosos estudios han demostrado disminuciones tanto en la resistencia a la compresión como a la tracción, así como en el módulo elástico del hormigón a una dosis de alrededor de 10 19 neutrones por centímetro cuadrado. [4] También se demostró que estas tendencias existen en el hormigón armado , un compuesto de hormigón y acero. [5]
El conocimiento obtenido de los análisis actuales de materiales en reactores de fisión con respecto a los efectos de la temperatura, la dosis de irradiación, la composición de los materiales y los tratamientos superficiales será útil en el diseño de futuros reactores de fisión, así como en el desarrollo de reactores de fusión . [6]
Los sólidos sometidos a radiación son bombardeados constantemente con partículas de alta energía. La interacción entre las partículas y los átomos en la red de los materiales del reactor provoca el desplazamiento de los átomos. [7] En el transcurso del bombardeo sostenido, algunos de los átomos no se detienen en los sitios de la red, lo que da como resultado la creación de defectos . Estos defectos provocan cambios en la microestructura del material y, en última instancia, dan como resultado una serie de efectos de radiación.
Evento de daño por radiación
- Interacción de una partícula incidente energética con un átomo reticular
- Transferencia de energía cinética al átomo de la red, dando origen a un átomo de desplazamiento primario.
- Desplazamiento del átomo de su sitio de red.
- Movimiento del átomo a través de la red, creando átomos desplazados adicionales.
- Producción de cascada de desplazamiento (colección de defectos puntuales creados por el átomo de desplazamiento primario)
- Terminación del átomo de desplazamiento como intersticial
Sección transversal de radiación
La probabilidad de una interacción entre dos átomos depende de la sección transversal del neutrón térmico (medida en granero ). Dada una sección transversal macroscópica de Σ = σρ, y una velocidad de reacción de R = ΦΣ = Φσρ, la probabilidad de interacción se convierte en Pdx = N j σ (E i ) dx = Σdx. A continuación se enumeran las secciones transversales de átomos o aleaciones comunes.
Secciones transversales de neutrones térmicos (granero) [8]
Magnesio | 0,059 |
Dirigir | 0,17 |
Circonio | 0,18 |
Zircaloy-4 | 0,22 |
Aluminio | 0,23 |
Hierro | 2,56 |
Acero inoxidable austenitico | 3.1 |
Níquel | 4.5 |
Titanio | 6.1 |
Hafnio | 104 |
Boro | 750 |
Cadmio | 2520 |
Gadolinio | 48,890 |
Evolución microestructural bajo irradiación
La evolución microestructural es impulsada en el material por la acumulación de defectos durante un período de radiación sostenida. Esta acumulación está limitada por la recombinación de defectos, por la agrupación de defectos y por la aniquilación de defectos en los sumideros. Los defectos deben migrar térmicamente a los sumideros y, al hacerlo, a menudo se recombinan o llegan a los sumideros para recombinarse. En la mayoría de los casos, D rad = D v C v + D i C i >> D therm , es decir, el movimiento de los intersticiales y las vacantes a lo largo de la estructura reticular de un material como resultado de la radiación a menudo supera la difusión térmica de el mismo material.
Una consecuencia de un flujo de vacantes hacia sumideros es un flujo correspondiente de átomos que se alejan del sumidero. Si las vacantes no se aniquilan o recombinan antes de recolectarlas en los sumideros, se formarán vacíos. A una temperatura suficientemente alta, dependiendo del material, estos huecos pueden llenarse con gases de la descomposición de la aleación, lo que lleva al hinchamiento del material. [9] Este es un problema tremendo para los materiales sensibles a la presión o restringidos que están bajo constante bombardeo de radiación, como los reactores de agua a presión . En muchos casos, el flujo de radiación no es estequiométrico, lo que provoca la segregación dentro de la aleación. Este flujo no estequiométrico puede resultar en un cambio significativo en la composición local cerca de los límites de los granos, [10] donde se impide el movimiento de los átomos y las dislocaciones. Cuando este flujo continúa, el enriquecimiento de solutos en los sumideros puede resultar en la precipitación de nuevas fases.
Efectos termomecánicos de la irradiación
Endurecimiento
El endurecimiento por radiación es el fortalecimiento del material en cuestión mediante la introducción de grupos de defectos, complejos de grupos de impurezas-defectos, bucles de dislocación, líneas de dislocación, huecos, burbujas y precipitados. Para los recipientes a presión, la pérdida de ductilidad que se produce como resultado del aumento de la dureza es una preocupación particular.
La fragilidad
La fragilización por radiación da como resultado una reducción de la energía para la fractura, debido a una reducción del endurecimiento por deformación (ya que el endurecimiento ya se está produciendo durante la irradiación). Esto está motivado por razones muy similares a las que causan el endurecimiento por radiación; desarrollo de grupos de defectos, dislocaciones, vacíos y precipitados. Las variaciones en estos parámetros hacen que la cantidad exacta de fragilización sea difícil de predecir, [11] pero los valores generalizados para la medición muestran una consistencia predecible.
Arrastrarse
La fluencia térmica en los materiales irradiados es insignificante, en comparación con la fluencia de la irradiación, que puede superar los 10 −6 s −1 . [12] El mecanismo no son las difusividades mejoradas, como sería intuitivo a partir de la temperatura elevada, sino la interacción entre la tensión y la microestructura en desarrollo. El estrés induce la nucleación de los bucles y provoca la absorción preferencial de los intersticiales en las dislocaciones, lo que provoca hinchazón. [13] La hinchazón, en combinación con la fragilización y el endurecimiento, puede tener efectos desastrosos en cualquier material nuclear sometido a una presión considerable.
Crecimiento
El crecimiento en materiales irradiados es causado por la Diferencia de Anisotropía de Difusión (DAD). Este fenómeno ocurre con frecuencia en circonio, grafito y magnesio debido a sus propiedades naturales.
Conductividad
La conductividad térmica y eléctrica se basa en el transporte de energía a través de los electrones y la red de un material. Los defectos en la red y la sustitución de átomos a través de la transmutación alteran estas vías, lo que lleva a una reducción en ambos tipos de conducción por daño por radiación. La magnitud de la reducción depende del tipo dominante de conductividad (electrónica o ley de Wiedemann-Franz , fonónica) en el material y los detalles del daño por radiación y, por lo tanto, todavía es difícil de predecir.
Efectos sobre los gases
La exposición a la radiación provoca cambios químicos en los gases. Los menos susceptibles al daño son los gases nobles , donde la mayor preocupación es la transmutación nuclear con reacciones químicas de seguimiento de los productos de la reacción nuclear.
La radiación ionizante de alta intensidad en el aire puede producir un resplandor de aire ionizado visible de un color azulado-violáceo revelador. El resplandor se puede observar, por ejemplo, durante accidentes críticos , alrededor de nubes en forma de hongo poco después de una explosión nuclear o dentro de un reactor nuclear dañado como durante el desastre de Chernobyl .
Se pueden producir cantidades importantes de ozono . Incluso pequeñas cantidades de ozono pueden causar el agrietamiento del ozono en muchos polímeros con el tiempo, además del daño por la radiación misma.
Detectores de radiación llenos de gas
En algunos detectores de ionización gaseosa , el daño por radiación a los gases juega un papel importante en el envejecimiento del dispositivo, especialmente en dispositivos expuestos durante largos períodos a radiación de alta intensidad, por ejemplo, detectores para el Gran Colisionador de Hadrones o el tubo Geiger-Müller.
Los procesos de ionización requieren energía por encima de 10 eV, mientras que la división de enlaces covalentes en moléculas y la generación de radicales libres requiere solo 3-4 eV. Las descargas eléctricas iniciadas por los eventos de ionización por las partículas dan como resultado un plasma poblado por una gran cantidad de radicales libres. Los radicales libres altamente reactivos pueden recombinarse de nuevo a moléculas originales, o iniciar una cadena de reacciones de polimerización de radicales libres con otras moléculas, produciendo compuestos con peso molecular creciente . Estos compuestos de alto peso molecular luego precipitan de la fase gaseosa, formando depósitos conductores o no conductores en los electrodos y superficies aislantes del detector y distorsionando su respuesta. Los gases que contienen extintores de hidrocarburos, por ejemplo, argón - metano , son típicamente sensibles al envejecimiento por polimerización; la adición de oxígeno tiende a reducir las tasas de envejecimiento. Las trazas de aceites de silicona , presentes en la desgasificación de los elastómeros de silicona y especialmente en las trazas de lubricantes de silicona , tienden a descomponerse y formar depósitos de cristales de silicio en las superficies. Las mezclas gaseosas de argón (o xenón ) con dióxido de carbono y opcionalmente también con 2-3% de oxígeno son muy tolerantes a altos flujos de radiación. El oxígeno se agrega como gas noble con dióxido de carbono que tiene una transparencia demasiado alta para fotones de alta energía ; El ozono formado a partir del oxígeno es un fuerte absorbente de fotones ultravioleta . El tetrafluoruro de carbono se puede utilizar como componente del gas para detectores de alta velocidad; Sin embargo, los radicales flúor producidos durante la operación limitan la elección de materiales para las cámaras y los electrodos (por ejemplo, se requieren electrodos de oro, ya que los radicales flúor atacan los metales formando fluoruros ). Sin embargo, la adición de tetrafluoruro de carbono puede eliminar los depósitos de silicio. La presencia de hidrocarburos con tetrafluoruro de carbono conduce a la polimerización. Una mezcla de argón, tetrafluoruro de carbono y dióxido de carbono muestra un bajo envejecimiento en un alto flujo de hadrones . [14]
Efectos sobre los líquidos
Como los gases, los líquidos carecen de una estructura interna fija; por tanto, los efectos de la radiación se limitan principalmente a la radiolisis , alterando la composición química de los líquidos. Al igual que con los gases, uno de los mecanismos principales es la formación de radicales libres .
Todos los líquidos están sujetos a daños por radiación, con pocas excepciones exóticas; por ejemplo, sodio fundido, donde no hay enlaces químicos que puedan romperse, y fluoruro de hidrógeno líquido , que produce hidrógeno y flúor gaseosos, que reaccionan espontáneamente con el fluoruro de hidrógeno.
Efectos sobre el agua
El agua sometida a radiación ionizante forma radicales libres de hidrógeno e hidroxilo , que pueden recombinarse para formar hidrógeno gaseoso , oxígeno , peróxido de hidrógeno , radicales hidroxilo y radicales peróxido. En los organismos vivos, que se componen principalmente de agua, la mayor parte del daño es causado por las especies reactivas del oxígeno , los radicales libres producidos a partir del agua. Los radicales libres atacan las biomoléculas que forman estructuras dentro de las células , causando estrés oxidativo (un daño acumulativo que puede ser lo suficientemente significativo como para causar la muerte celular, o puede causar daño al ADN que posiblemente lleve al cáncer ).
En los sistemas de enfriamiento de los reactores nucleares, la formación de oxígeno libre promovería la corrosión y se contrarresta mediante la adición de hidrógeno al agua de enfriamiento. [15] El hidrógeno no se consume ya que por cada molécula que reacciona con el oxígeno se libera una molécula por radiólisis del agua; el exceso de hidrógeno solo sirve para cambiar los equilibrios de reacción al proporcionar los radicales de hidrógeno iniciales. El entorno reductor en los reactores de agua a presión es menos propenso a la acumulación de especies oxidativas. La química del refrigerante del reactor de agua hirviendo es más compleja, ya que el medio ambiente puede oxidarse. La mayor parte de la actividad radiolítica se produce en el núcleo del reactor, donde el flujo de neutrones es más alto; la mayor parte de la energía se deposita en el agua a partir de los neutrones rápidos y la radiación gamma, la contribución de los neutrones térmicos es mucho menor. En agua sin aire, la concentración de hidrógeno, oxígeno y peróxido de hidrógeno alcanza un estado estacionario en aproximadamente 200 Gy de radiación. En presencia de oxígeno disuelto, las reacciones continúan hasta que se consume el oxígeno y se cambia el equilibrio. La activación neutrónica del agua conduce a la acumulación de bajas concentraciones de especies de nitrógeno; debido a los efectos oxidantes de las especies reactivas del oxígeno, estas tienden a estar presentes en forma de aniones nitrato . En entornos reductores, se puede formar amoníaco . Sin embargo, los iones amoniaco también pueden oxidarse posteriormente a nitratos. Otras especies presentes en el agua refrigerante son los productos de corrosión oxidados (p. Ej. Cromatos ) y productos de fisión (p. Ej. Aniones pertecnetato y peryodato , cationes uranilo y neptunilo ). [16] La absorción de neutrones en los núcleos de hidrógeno conduce a la acumulación de deuterio y tritio en el agua. El comportamiento del agua supercrítica , importante para los reactores de agua supercrítica , difiere del comportamiento radioquímico del agua líquida y el vapor y actualmente está bajo investigación. [17]
La magnitud de los efectos de la radiación sobre el agua depende del tipo y la energía de la radiación, es decir, su transferencia de energía lineal . Un agua libre de gas sometida a rayos gamma de bajo LET casi no produce productos de radiólisis y mantiene un equilibrio con su baja concentración. La radiación alfa de alta LET produce mayores cantidades de productos de radiolisis. En presencia de oxígeno disuelto, siempre se produce la radiólisis. El hidrógeno disuelto suprime completamente la radiólisis por radiación de baja LET mientras que la radiólisis todavía ocurre con
La presencia de especies reactivas de oxígeno tiene un efecto muy perturbador sobre los productos químicos orgánicos disueltos. Esto se aprovecha en la remediación de aguas subterráneas mediante tratamiento con haz de electrones . [18]
Contramedidas
Dos enfoques principales para reducir el daño por radiación son reducir la cantidad de energía depositada en el material sensible (por ejemplo, mediante blindaje, distancia de la fuente u orientación espacial), o modificar el material para que sea menos sensible al daño por radiación (por ejemplo, agregando antioxidantes , estabilizadores, o elegir un material más adecuado). Además del endurecimiento del dispositivo electrónico mencionado anteriormente, se puede obtener cierto grado de protección mediante blindaje, generalmente con la interposición de materiales de alta densidad (particularmente plomo, donde el espacio es crítico, u hormigón donde hay espacio disponible) entre la fuente de radiación y las áreas. estar protegido. Para los efectos biológicos de sustancias como el yodo radiactivo, la ingestión de isótopos no radiactivos puede reducir sustancialmente la absorción biológica de la forma radiactiva, y la terapia de quelación puede aplicarse para acelerar la eliminación de materiales radiactivos formados a partir de metales pesados del cuerpo mediante procesos naturales .
Para daños por radiación sólida
Las contramedidas sólidas para los daños por radiación constan de tres enfoques. En primer lugar, saturar la matriz con solutos sobredimensionados. Esto actúa para atrapar la hinchazón que se produce como resultado del movimiento de deslizamiento y dislocación. También actúan para ayudar a prevenir la difusión, lo que restringe la capacidad del material para sufrir segregación inducida por radiación. [19] En segundo lugar, dispersar un óxido dentro de la matriz del material. El óxido disperso ayuda a prevenir la fluencia y a mitigar la hinchazón y también a reducir la segregación inducida por la radiación, al evitar el movimiento de dislocación y la formación y movimiento de intersticiales. [20] Finalmente, al diseñar los límites de grano para que sean lo más pequeños posible, se puede impedir el movimiento de dislocación, lo que evita la fragilización y el endurecimiento que provocan la falla del material. [21]
Efectos en humanos
La radiación ionizante es generalmente dañina y potencialmente letal para los seres vivos, pero puede tener beneficios para la salud en la radioterapia para el tratamiento del cáncer y la tirotoxicosis . Su impacto más común es la inducción de cáncer con un período de latencia de años o décadas después de la exposición. Las dosis altas pueden causar quemaduras por radiación visualmente dramáticas y / o una muerte rápida a través del síndrome de radiación aguda . Las dosis controladas se utilizan para imágenes médicas y radioterapia .
La mayoría de los efectos adversos para la salud de la exposición a la radiación pueden agruparse en dos categorías generales:
- Efectos deterministas (reacciones tisulares nocivas) debidos en gran parte a la muerte / mal funcionamiento de las células después de dosis altas; y
- Efectos estocásticos, es decir, cáncer y efectos hereditarios que implican el desarrollo de cáncer en individuos expuestos debido a mutación de células somáticas o enfermedad hereditaria en su descendencia debido a mutación de células reproductivas (germinales). [22]
Ver también
- Ciencia de los materiales de radiación
- Poder de frenado (radiación de partículas)
- Cascada de colisión
- Pista de iones
- Endurecimiento por radiación
- Daño por radiación en metales y aleaciones
Referencias
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