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INES no es un nombre de mujer

Inés es un nombre de mujer, de origen griego, que significa “casto” o “sagrado”, pero INES es el acrónimo de International Nuclear Event Scale, esto es, Escala Internacional de Eventos Nucleares.

La escala fue elaborada en 1990 por expertos internacionales convocados por la Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA, International Atomic Energy Agency) y la Agencia para la Energía Nuclear de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (NEA-OECD, Nuclear Energy Agency-Organisation for Economic Co-operation and Development).

ines

La escala se aplicó en un principio a la clasificación de eventos ocurridos en centrales nucleares y, más tarde, se amplió y adaptó para su aplicación a todas las instalaciones relacionadas con la industria nuclear civil. Recientemente, ha sido ampliada y adaptada para satisfacer la creciente necesidad de comunicar la importancia de todos los sucesos relacionados con el transporte, almacenamiento y uso de fuentes y materiales radiactivos.

La escala pretende ser una escala logarítmica, similar a la escala de magnitud de momento que se utiliza para describir la magnitud comparativa de los terremotos. Cada nivel representa el aumento de un accidente aproximadamente diez veces más grave que el nivel anterior. En comparación con los terremotos, donde la intensidad del evento puede ser evaluada cuantitativamente, el nivel de gravedad de un desastre hecho por el hombre, como un accidente nuclear, está más sujeto a interpretación. Debido a la dificultad de interpretación, el nivel INES de un incidente se asigna después de que ocurra el incidente. Por lo tanto, la escala tiene una capacidad muy limitada para ayudar en el despliegue de la ayuda por desastres.

Se ha definido un número de criterios e indicadores para asegurar la información coherente de acontecimientos nucleares por autoridades oficiales diferentes. Hay 7 niveles en la escala, de los cuales los 3 primeros son incidentes sin consecuencias en el exterior de la planta, y los otros 4 son accidentes.

 

Los niveles de gravedad

Hay definidos una serie de criterios e indicadores para asegurar una información coherente de acontecimientos nucleares por parte de diferentes autoridades oficiales.

Hay siete niveles (1-7) además del cero en la escala INES: Los sucesos de nivel inferior (1,2 y 3), sin consecuencia significativa sobre la población y el medio ambiente, se califican de incidentes; los superiores (4, 5, 6 y 7), de accidentes. El nivel máximo corresponde a un accidente cuya gravedad es comparable a los ocurridos el 26 de abril de 1986 en la central nuclear de Chernóbil (Ucrania) y el 11 de marzo de 2011 en la central nuclear de Fukushima Daiichi (Japón). También hay un nivel 0 para eventos, desviaciones, que no tienen incidencia en la seguridad

inesniveles

Los sucesos se consideran desde el punto de vista de sus efectos en tres áreas diferentes: los efectos en las personas y el medio ambiente; los efectos en las barreras y los controles radiológicos en las instalaciones; y los efectos en la defensa en profundidad.

Los efectos en las personas y el medio ambiente pueden ser localizados (es decir, dosis de radiación a una o pocas personas cercanas al lugar del suceso) o amplios, como en la emisión de material radiactivo desde una instalación.

Los efectos en las barreras y los controles radiológicos en las instalaciones son solo pertinentes en el caso de las instalaciones que manipulan grandes cantidades de materiales radiactivos, como los reactores de potencia, las instalaciones de reprocesamiento, los reactores de investigación de gran tamaño o las grandes instalaciones de producción de fuentes. Abarcan sucesos como la fusión del núcleo del reactor y el derrame de cantidades importantes de material radiactivo como consecuencia de fallos de las barreras radiológicas, poniendo así en peligro la seguridad de las personas y del medio ambiente.

La defensa en profundidad busca el mantenimiento de las tres funciones básicas de la seguridad: control de la reactividad o de las condiciones del proceso, refrigeración del material radiactivo y control radiológico. La defensa en profundidad es fundamental para el diseño y la operación de instalaciones nucleares y radiológicas importantes.

El nivel 1 INES abarca solo la degradación de la defensa en profundidad. En los niveles INES 2 y 3 se incluyen degradaciones más graves de la defensa en profundidad o los niveles bajos de las consecuencias reales para las personas o las instalaciones. Los niveles INES de 4 a 7 abarcan niveles cada vez mayores de consecuencias reales para las personas, el medio ambiente o las instalaciones.

 

Los niveles INES

Nivel 0 INES: desviación

  • Efectos en las personas y el medio ambiente: sin importancia
  • Efectos en las barreras y controles radiológicos de las instalaciones: sin importancia
  • Efectos en la defensa en profundidad: sin importancia
  • Ejemplo: desviación en la central nuclear de Atucha (Argentina).

 

Nivel 1 INES: anomalía

  • Efectos en las personas y el medio ambiente: sin importancia
  • Efectos en las barreras y controles radiológicos de las instalaciones: sin importancia
  • Efectos en la defensa en profundidad: sobrexposición de una persona del público por encima de los límites anuales reglamentarios. Problemas menores en componentes de seguridad, con importantes medidas de defensa en profundidad pendientes de aplicación. Pérdida o robo de fuentes radiactivas, de dispositivos o de bultos de transporte de baja actividad.
  • Ejemplo: anomalía en la central nuclear de Gravelines (Francia).

 

Nivel 2 INES: incidente

  • Efectos en las personas y el medio ambiente: exposición de un miembro del público a más de 10 mSv y exposición de un trabajador en exceso a los límites legales anuales.
  • Efectos en las barreras y controles radiológicos de las instalaciones: niveles de radiación superiores a 50 mSv/h en una zona de operación. Contaminación importante desde dentro de una instalación a una zona no prevista en el diseño.
  • Efectos en la defensa en profundidad: fallos importantes en los elementos de seguridad, aunque sin consecuencias reales. Hallazgo de una fuente sellada huérfana, de un dispositivo o de un bulto de transporte altamente radiactivos, cuyos elementos de seguridad siguen intactos Embalaje inadecuado de una fuente sellada altamente radiactiva.
  • Ejemplo: incidente en la central nuclear de Ascó (España).

 

Nivel 3 INES: incidente importante

  • Efectos en las personas y el medio ambiente: exposición diez veces superior al límite anual establecido para la exposición de los trabajadores. Efecto determinista y no letal de la radiación en la salud (por ejemplo, quemaduras).
  • Efectos en las barreras y controles radiológicos de las instalaciones: tasas de exposición superiores a 1 Sv/h en una zona de operación. Contaminación grave en una zona no prevista en el diseño, con escasa probabilidad de exposición importante del público.
  • Efectos en la defensa en profundidad: cuasi accidente en una central nuclear sin elementos de seguridad pendientes de aplicación. Pérdida o robo de fuentes selladas altamente radiactivas. Entrega equivocada de fuentes selladas altamente radiactivas, sin que existan procedimientos adecuados para manipularlas.
  • Ejemplo: incidente de la central nuclear de Vandellós (España).

 

Nivel 4 INES: Accidente con consecuencias de alcance local

  • Efectos sobre las personas o el medio ambiente: emisión menor de materiales radiactivos, con escasa probabilidad de tener que aplicar las contramedidas previstas, salvo los controles locales de alimentos. Al menos una defunción por radiación.
  • Efectos en las barreras y controles radiológicos de las instalaciones: fusión de combustible o daño al combustible, que provoca una emisión superior al 0,1% del inventario del núcleo. Emisión de cantidades considerables de materiales radiactivos dentro de una instalación, con alta probabilidad de importante exposición del público
  • Ejemplos: accidente en el reactor experimental SL-1 (Estados Unidos), accidente en el reactor nuclear RA-2 (Argentina) y accidente de Tokaimura (Japón).

 

Nivel 5 INES: Accidente con consecuencias de mayor alcance

  • Efectos sobre las personas o el medioambiente: emisión limitada de materiales radiactivos, que probablemente requiere la aplicación de algunas de las contramedidas previstas. Varias defunciones por radiación.
  • Efectos en las barreras y controles radiológicos de las instalaciones: daños graves en el núcleo del reactor. Emisión de grandes cantidades de materiales radiactivos dentro de una instalación, con alta probabilidad de exposición del público; provocada posiblemente por un incendio o un accidente de criticidad grave.
  • Ejemplos: accidente de Windscale (Reino Unido), accidente radiológico de Goiânia (Brasil) y accidente de Three Mile Island (Estados Unidos).

 

Nivel 6 INES: Accidente importante

  • Efectos sobre las personas y el medio ambiente: emisión importante de materiales radiactivos, que probablemente requiere la aplicación de las contramedidas previstas.
  • Ejemplo: accidente de Kyshtym (Rusia).

 

Nivel 7 INES: Accidente grave

  • Efectos en las personas y el medio ambiente: emisión grave de materiales radiactivos con amplios efectos en la salud y el medio ambiente, que requiere la aplicación de las contramedidas previstas y de otras adicionales.
  • Ejemplos: accidente de Chernóbil (Ucrania) y accidente de Fukushima Daiichi (Japón).

 

 

Los problemas de INES

La escala INES es esencialmente una clasificación discreta cualitativa, con sólo siete niveles, diseñada como una herramienta de relaciones públicas y no como una escala objetiva y científica. No diferencia correctamente entre los términos magnitud e intensidad, y así tenemos por ejemplo que los accidentes de Chernóbil y de Fukushima Daiichi fueron ambos catalogados de nivel INES 7, cuando las emisiones de Fukushima son un orden de magnitud inferiores a las de Chernóbil lo que, de acuerdo con el carácter logarítmico que pretende la escala INES, ambos accidentes deberían tener un nivel de clasificación diferente.

En sismología se utilizan dos escalas diferentes pero complementarias, por un lado se habla de magnitud (escala de Richter y escala de magnitud de momento) y por otro de intensidad (escala de Mercalli). La escala de intensidad mide el impacto en una población en un determinado lugar, de modo que la escala INES se parecería a una escala de intensidad.

Después de lo acaecido en Fukushima Daiichi, han surgido voces que reclaman la utilización de una nueva escala que mida la magnitud de los accidentes nucleares desde un punto de vista más simple y objetivo. La escala NAMS (Nuclear Accident Magnitude Scale) mide la magnitud de los accidentes nucleares en base al cálculo de la radiactividad liberada, en terabequerelios, calculada como la dosis equivalente de iodo-131.

La escala NAMS es bastante sencilla, NAMS = log10(20×R), donde R es, como ya se ha indicado, la radiactividad liberada, en terabequerelios, calculada como la dosis equivalente de iodo-131, y 20 es un factor de corrección para hacer comparables la escala NAMS y la escala INES. Algunos accidentes clasificados con niveles INES 5, 6 ó 7 tendrían valores NAMS diferentes y por encima de 7:

Accidente Escala INES Escala NAMS
Chernóbil, Ucrania 7 8,0
Fukushima Daiichi, Japón 7 7,5
Kyshtym, Mayak, Rusia 6 7,3
Three Mile Island, Pensilvania, Estados Unidos 5 7,9
Windscale, Sellafield, Reino Unido 5 4,6
SL-1, Idaho Falls, Idaho, Estados Unidos 4 2,9

 

 

Referencias

  1. INES, Escala Internacional de Sucesos Nucleares y Radiológicos-Manual del usuario, IAEA, 2008, http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/INES-2008-S_web.pdf
  2. https://es.wikipedia.org/wiki/Escala_Internacional_de_Accidentes_Nucleares
  3. Nuclear power plant accidents: listed and ranked since 1952, The Guardian, https://www.theguardian.com/news/datablog/2011/mar/14/nuclear-power-plant-accidents-list-rank
  4. Escala sismológica de Richter, Wikipedia, https://es.wikipedia.org/wiki/Escala_sismol%C3%B3gica_de_Richter
  5. Escala sismológica de magnitud de momento, Wikipedia, https://es.wikipedia.org/wiki/Escala_sismol%C3%B3gica_de_magnitud_de_momento
  6. An objective nuclear accident magnitude scale for quantification of severe and catastrophic events, David Smythe, 2011, http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/news/10.1063/PT.4.0509
  7. Nuclear Accident Magnitude Scale, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_Accident_Magnitude_Scale

El flúor 19

Introducción
El flúor es uno de esos pocos elementos que se presenta de manera natural con un único isótopo, el flúor 19. ¿Y qué, se preguntará más de un lector?. Pues que desde el punto de vista NBQ, en concreto desde el punto de vista nuclear, esto es importante.
El flúor 19, de número atómico 7, tiene 9 protones y 10 neutrones. Su configuración electrónica 1s22s22p5 le confiere unas propiedades químicas muy especiales, por citar una de ellas, una elevada electronegatividad (el flúor es el elemento químico más electronegativo de la tabla periódica). Pero no son sus propiedades químicas las que ahora nos interesa resaltar, sino el simple hecho de que la abundancia natural del 19F es del 100%.
Recordemos que otros elementos importantes tienen más de un isótopo natural, por ejemplo el hidrógeno tiene dos (1H, 98,9885% y 2H, 0,0115%), el carbono tiene dos (12C, 98,93% y 13C, 1,07%), el nitrógeno tiene dos (14N, 99,636% y 15N, 0,364%), el oxigeno tiene tres isótopos (16O, 99,757%, 17O, 0,038% y 18O, 0,205%), el azufre tiene cuatro (32S, 94,99%, 33S, 0,75%, 34S, 4,25% y 36S, 0,01%), el cloro tiene dos isótopos (35Cl, 75,76% y 37Cl, 24,24%), el bromo tiene dos (79Br, 50,69% y 81Br, 49,31%), el uranio tiene tres (234U, 0,0054%, 235U, 0,7204% y 238U, 99,2742%).1
Pues bien el flúor se emplea para obtener hexafluoruro de uranio, UF6, el gas más pesado conocido, que se emplea en el enriquecimiento del uranio.

Isótopos del flúor y del uranio
El flúor tiene 18 isótopos conocidos que van desde el 14F al 31F, pero sólo dos de estos isótopos tienen interés, el 18F y el 19F.
El 18F es un isótopo artificial emisor de positrones (β+), con un periodo de semidesintegración corto (vida media, 109,771 minutos), que puede obtenerse por medio de un ciclotrón a partir del 18O, y que se utiliza en medicina con fines diagnósticos (diagnóstico por Tomografía de Emisión de Positrones, PET, de sus siglas en inglés, Positron Emission Tomography)
El 19F es el único isótopo estable, y por ello el flúor está presente en la naturaleza como un elemento monoisotópico. Al tener un número cuántico de espín nuclear de ½ (como el 1H, el 13C ó el 31P) se puede emplear en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Además el flúor se utiliza para la obtención de determinados compuestos de propiedades especiales, como por ejemplo, el teflón (PoliTetraFluorEtileno, PTFE), los compuestos clorofluorocarbonados (CFCs), la criolita (Na3AlF6), el fluoruro sódico (NaF), el trifluoruro de boro (BF3), el hexafluoruro de azufre (SF6) y el hexafluoruro de uranio (UF6), entre otros muchos.
Como ya se ha mencionado anteriormente, el uranio natural tiene tres isótopos 234U, 235U, y 238U. El 238U es el más estable de los isótopos radiactivos del uranio, con un periodo de semidesintegración o vida media de 4468 × 109 años. El 235U tiene un periodo de semidesintegración de 7,13 × 108 años y el 234U de 2,48 × 105 años2. El uranio natural es pues radiactivo, y es sobre todo, un emisor de partículas alfa. Un 49% de las partículas alfa provienen del 238U, otro 49% del 234U y el 2% restante del 235U. El 238U y el 234U forman parte de la serie de decaimiento del uranio, mientras que el 235U forma parte de la serie de decaimiento del actinio.
El 235U tiene la particularidad de ser el único isótopo presente en la naturaleza que es físil. El 238U es un isótopo fisionable por neutrones rápidos, y también es un isótopo fértil capaz de generar, en un reactor nuclear, 239Pu que es también un isótopo físil.

Enriquecimiento del uranio
En la naturaleza, el uranio se encuentra como 235U (0,7204%) y 238U (99,2742%). El proceso de enriquecimiento consiste aumentar la concentración del isótopo fisionable 235U hasta valores adecuados para su uso, como combustible en las centrales nucleares (3-5% de 235U, LEU, Low-Enriched Uranium), o como componente en las armas nucleares (>90% 235U, HEU, Highly Enriched Uranium). El proceso genera a su vez una gran cantidad de uranio con una concentración muy baja de 235U, conocido como uranio empobrecido (DU, Depleted Uranium, <0,3% 235U). El enriquecimiento es necesario para conseguir que los neutrones liberados en la fisión del 235U puedan impactar con otros núcleos de 235U, y así mantener la reacción nuclear en cadena.3
Como ya se ha indicado para el enriquecimiento del uranio se utiliza el hexafluoruro de uranio.

El hexafluoruro de uranio
La molécula del UF6 es octaédrica, con el átomo de uranio en el centro y los seis átomos de flúor 6 en los vértices del octaedro. A temperatura ambiente el UF6 es un sólido cristalino de color blanco que sublima a 56,5 ºC (su punto triple es de 64 °C). La fase líquida sólo existe con presiones superiores a unas 1,5 atmósferas y con temperaturas superiores a 64 °C.
Para la obtención del UF6, el uranio, generalmente en forma de óxido, se disuelve con ácido nítrico para formar UO2(NO3)2×6H2O y se purifica por extracción con fosfato de tributilo. El sólido resultante se calienta en horno para formar UO3, que luego se transforma en UF6 mediante un proceso de tres etapas:
1) UO3(s) + H2(g) → UO2(s) + H2O(g)
2) UO2(s) + 4HF(g) → UF4(s) + 2H2O(g)
3) UF4(g) + F2(g) → UF6(g)
El UF6 es extremadamente volátil (su presión de vapor es de unos 120 mmHg a temperatura ambiente) y sublima a 56,5 ºC, de manera que puede manejarse como gas para la separación de sus isótopos.
Para la separación de los isótopos se han empleado varios métodos, difusión gaseosa, separación electromagnética de los isótopos, separación mediante láser de los isótopos y centrifugación de gas, siendo éste último método el más barato y el más utilizado.

Hexafluoruro versus hexacloruro
El hexafluoruro de uranio, UF6, de número CAS 7783-81-5, es a temperatura ambiente un sólido cristalino de color blanco, con un punto de fusión de 64°C (punto triple) y un punto de ebullición de 56,5°C mientras que el hexacloruro de uranio, UCl6, de número CAS 13763-23-0, es a temperatura ambiente un sólido cristalino de color verde oscuro, con un punto de fusión de 177°C y un punto de ebullición de 75°C.4,5
¡Subliman a temperaturas no muy altas!, es decir pasan de estado sólido a estado gaseoso con facilidad. Con un ligero aporte de calor el hexafluoruro de uranio está como gas (el hexacloruro de uranio también pero a temperatura más alta).
Pero no sólo es importante el punto de sublimación, favorable al hexafluoruro, de nada nos serviría si no fuese por el hecho de que el flúor sólo tiene un isótopo natural, el 19F. Recordemos que el cloro tiene dos isótopos naturales, el 35Cl, 75,76% y el 37Cl, 24,24%.
Cuando el uranio reacciona con el flúor sólo es posible la siguiente mezcla isotópica:

235U 238U
19F6 235U19F6 (masa 349, 0,7%) 235U19F6 (masa 352, 100%)

Tan sólo hay que separar las moléculas gaseosas de masa 349 poco abundantes, de las moléculas gaseosas de masa 352 mucho más abundantes (separadas entre sí por tres unidades de masa).
Cuando el uranio reacciona con el cloro, los átomos de cloro pueden ser 35Cl o 37Cl, y la mezcla isotópica se complica:

235U 238U
35Cl6  235U35Cl6 (masa 445, 0,4%) 238U35Cl6 (masa 448, 52,1%)
35Cl537Cl1  235U35Cl537Cl1 (masa 447, 0,7%) 238U35Cl537Cl1 (masa 450, 100%)
35Cl437Cl2  235U35Cl437Cl2 (masa 449, 0,6%) 238U35Cl437Cl2 (masa 452, 80,0%)
35Cl337Cl3  235U35Cl337Cl3 (masa 451, 0,2%) 238U35Cl337Cl3 (masa 454, 34,1%)
35Cl237Cl4  235U35Cl237Cl4 (masa 453, 0,1%) 238U35Cl237Cl4 (masa 456, 8,2%)
35Cl137Cl5  235U35Cl137Cl5 (masa 455, <0,1%) 238U35Cl137Cl5 (masa 458, 1,0%)
37Cl6  235U37Cl6 (masa 457, <0,1%) 238U37Cl6 (masa 460, 0,1%)

La mezcla tiene una composición isotópica con numerosos isótopos cercanos y con intensidades relativamente altas para el 238U y bastante bajas para el 235U.

Resumen
El enriquecimiento del uranio a partir del hexafluoruro de uranio sólo es posible gracias a que concurren dos circunstancias igualmente importantes, que el hexafluoruro de uranio sublima a una temperatura de 56,5 °C y que el flúor es un elemento con un único isótopo natural, el 19F.

Referencias

  1. http://pac.iupac.org/publications/pac/pdf/2011/pdf/8302×0397.pdf
  2. The Encyclopedia of the Chemical Elements, Clifford A. Hampel, Van Nostrand Reinhold, ISBN 9780442155988, 1968
  3. http://ieer.org/resource/factsheets/fissile-material-basics/
  4. http://www.webelements.com/compounds/uranium/uranium_hexafluoride.html
  5. http://www.webelements.com/compounds/uranium/uranium_hexachloride.html