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

90Th232

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:

Nucleido T 1/2Desint. Energía

MeVProbabili-

dad Energía

Promedio

MeV

90Th232 1,4x1010

añosalfa 3,83

3,953

4,010

0,002

0,230

0,770

88Ra228 5,75 años beta 0,03893 1,00 0,0099

89Ac228 6,13 horas

beta 32 energías diferentes

0,12

0,32

0,611

0,386

90Th228 1,913 años

alfa 5,1387

5,175

5,212

5,3405

5,4233

0,0005

0,0018

0,0036

0,267

0,727

Familia del Torio I

Nucleido T 1/2Desint. Energía

MeVProbabili-

dad Energía

Promedio

MeV

88Ra224 3,62 días alfa 5,0936

5,449

5,6856

0,000176

0,049

0,951

86Rn220 55,61 segundos

alfa 5,747

6,2883

0,00097

0,99903

84Po216 0,146 segundos

alfa 5,985

6,7785

0,000018

0,999980

82Pb212 10,643 horas

beta 0,15752

0,33418

0,5728

0,0522

0,851

0,099

0,0419

0,0944

0,1727

Familia del Torio II

Nucleido T 1/2Desint. Energía

MeVProbabili-

dad Energía

Promedio

MeV

83Bi212 6,55 minutos

Alfa

36%

7 energías 0,484

81Tl208 3,052 minutos

beta 8 energías

1,7942 0,6465 0,493

82Pb208 Estable

Familia del Torio III

Nucleido T 1/2Desint. Energía

MeVProbabili-

dad Energía

Promedio

MeV

83Bi212 60,55 minutos

Beta

64%

7 energías 2,246 0,484

84Po212 0,3 milisegundos

alfa 8,7849 1,0000

82Pb208 Estable

Familia del Torio IV Cadena Secundaria

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.

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

Tipos de electrodos de Tungsteno

Longitud del electrodo 150 mm

W 98% Th 2%

150 mm

W puro

W 98% Ce 2%

Características y ventajas de la soldadura TIG  º No se requiere de fundente, y no hay necesidad de limpieza posterior en la soldadura.

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.

SOLDADURA

TIG

ELECTODOS

DE

TUNGTENO

Electrodo Tungsteno Th

Arco eléctrico

Fundente

Soporte

Pieza a soldar

Atmósfera de Argón

– 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 100%

Tiempo de medida: 86.400s

Electrodos de 150 mm de longitud y 3,2 mm de diámetro

W 98%+Th 2%

W 100%

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

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

DIÁMETRO nº CAJAS ANCHO LARGO ALTO VOLUMEN PESO

(mm.) (cm.) (cm.) (cm.) (cm3.) (kg.)

1,6 850 4 18 0,5 30.600 64,5152 300 4 18 0,5 10.800 37,52,4 850 6 18 0,8 73.440 153,425

CAJAS DE ELECTRODOS TORIADOS

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 1. Dosis a 20 cm. de la estantería

Figura 2. Distribución de puntos de cálculo

Resultados

– Dosis a 100 cm. de la estantería

Figura 3. Dosis a 100 cm. de la estantería

Figura 4. Distribución de puntos de cálculo

Condiciones de cálculo para afilado

– Determinación in situ– Condiciones de afilado:

• Duración: 30 -90 segundos• Periodicidad: 1 afilado cada 20 minutos

utilización

– 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