El daño por radiación es el efecto de la radiación ionizante sobre objetos físicos, incluidos materiales estructurales no vivos. Puede ser perjudicial o beneficioso para los materiales.
La radiobiología es el estudio de la acción de la radiación ionizante sobre los seres vivos , incluidos los efectos de la radiación sobre la salud de los seres humanos . Las dosis altas 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 el envenenamiento por radiación .
Esta radiación puede adoptar varias formas:
La radiación puede afectar materiales y dispositivos de manera perjudicial y beneficiosa:
Muchos de los efectos de la radiación sobre los materiales se producen por cascadas de colisiones y están cubiertos por la química de la radiación .
La radiación puede tener efectos nocivos sobre los materiales sólidos, ya que puede degradar sus propiedades hasta hacer que dejen de ser mecánicamente sólidos. Esto es motivo de especial preocupación, ya que puede afectar en gran medida su capacidad para funcionar en reactores nucleares y es el objetivo principal 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 particulares de estudio. Para los metales, la exposición a la radiación puede resultar en un endurecimiento por radiación que fortalece el material mientras que posteriormente lo fragiliza (reduce la tenacidad , permitiendo que se produzca una fractura frágil ). Esto ocurre como resultado de sacar los átomos de sus sitios reticulares a través de la interacción inicial, así como una cascada resultante de daños, 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 de fragilización 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 huecos, así como a la mejora de los efectos del agrietamiento por corrosión bajo tensión a través de cambios tanto en la química del agua como en la microestructura de la aleación. [2] [3]
Como el hormigón se utiliza ampliamente en la construcción de plantas de energía nuclear, 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 normal de envejecimiento, sin embargo, la exposición nuclear provocará una pérdida de propiedades mecánicas debido al hinchamiento de los agregados del hormigón, dañando así el material a granel. Por ejemplo, el escudo biológico del reactor se compone frecuentemente de cemento Portland , al que se añaden agregados densos para disminuir el flujo de radiación a través del escudo. Estos agregados pueden hincharse y hacer que el escudo sea mecánicamente inestable. Numerosos estudios han demostrado disminuciones tanto en la resistencia a la compresión como a la tracción, así como en el módulo elástico del hormigón en una dosis de alrededor de 10 19 neutrones por centímetro cuadrado. [4] También se ha demostrado que estas tendencias existen en el hormigón armado , un compuesto de hormigón y acero. [5]
El conocimiento adquirido a partir de los análisis actuales de materiales en reactores de fisión con respecto a los efectos de la temperatura, la dosis de irradiación, las composiciones de los materiales y los tratamientos de superficie serán útiles 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 partículas y átomos en la red de los materiales del reactor provoca el desplazamiento de los átomos. [7] En el transcurso de un bombardeo sostenido, algunos de los átomos no se quedan en reposo en los sitios de la red, lo que da lugar a la creación de defectos . Estos defectos provocan cambios en la microestructura del material y, en última instancia, dan lugar a una serie de efectos de radiación.
La probabilidad de una interacción entre dos átomos depende de la sección transversal del neutrón térmico (medida en barn ). Dada una sección transversal macroscópica de (donde es la sección transversal microscópica y es la densidad de átomos en el objetivo) y una velocidad de reacción de (donde es el flujo del haz), la probabilidad de interacción se convierte en . [ aclaración necesaria ] A continuación se enumeran las secciones transversales de átomos o aleaciones comunes.
Secciones transversales de neutrones térmicos (Barn) [8]
La evolución microestructural del material está impulsada 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 intersticiales y vacantes a lo largo de la estructura reticular de un material como resultado de la radiación a menudo supera la difusión térmica del mismo material.
Una consecuencia de un flujo de vacantes hacia los sumideros es un flujo correspondiente de átomos que se alejan del sumidero. Si las vacantes no se aniquilan o recombinan antes de acumularse en los sumideros, formarán huecos. A una temperatura suficientemente alta, dependiendo del material, estos huecos pueden llenarse con gases de la descomposición de la aleación, lo que provoca la hinchazón del material. [9] Este es un problema tremendo para los materiales sensibles a la presión o restringidos que están bajo un bombardeo de radiación constante, como los reactores de agua presurizada . En muchos casos, el flujo de radiación no es estequiométrico, lo que provoca segregación dentro de la aleación. Este flujo no estequiométrico puede dar lugar a un cambio significativo en la composición local cerca de los límites de grano, [10] donde se impide el movimiento de átomos y dislocaciones. Cuando este flujo continúa, el enriquecimiento de solutos en los sumideros puede dar lugar a la precipitación de nuevas fases.
El endurecimiento por radiación es el fortalecimiento del material en cuestión mediante la introducción de grupos de defectos, complejos de grupos de defectos e impurezas, bucles de dislocación, líneas de dislocación, huecos, burbujas y precipitados. En el caso de los recipientes a presión, la pérdida de ductilidad que se produce como resultado del aumento de la dureza es un problema particular.
La fragilización por radiación produce una reducción de la energía de fractura, debido a una reducción del endurecimiento por deformación (dado que el endurecimiento ya se está produciendo durante la irradiación). Esto se debe a razones muy similares a las que provocan el endurecimiento por radiación: desarrollo de grupos de defectos, dislocaciones, huecos y precipitados. Las variaciones en estos parámetros hacen que sea difícil predecir la cantidad exacta de fragilización [11], pero los valores generalizados para la medición muestran una consistencia predecible.
La fluencia térmica en los materiales irradiados es insignificante, en comparación con la fluencia por irradiación, que puede superar los 10 −6 seg −1 . [12] El mecanismo no es una difusión mejorada, como sería intuitivo a partir de la temperatura elevada, sino más bien la interacción entre la tensión y la microestructura en desarrollo. La tensión induce la nucleación de bucles y causa una absorción preferencial de intersticiales en las dislocaciones, lo que da lugar a una hinchazón. [13] La hinchazón, en combinación con la fragilización y el endurecimiento, puede tener efectos desastrosos en cualquier material nuclear sometido a una presión sustancial.
El crecimiento en materiales irradiados se produce por la diferencia de anisotropía de difusión (DAD). Este fenómeno se produce con frecuencia en el circonio, el grafito y el magnesio debido a sus propiedades naturales.
La conductividad térmica y eléctrica dependen del transporte de energía a través de los electrones y la red de un material. Los defectos en la red y la sustitución de átomos por transmutación alteran estas vías, lo que conduce a una reducción de 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 de los detalles del daño por radiación y, por lo tanto, sigue siendo difícil de predecir.
Los daños por radiación pueden afectar a los polímeros que se encuentran en reactores nucleares, dispositivos médicos, envases electrónicos y piezas aeroespaciales, así como a los polímeros que se someten a esterilización o irradiación para su uso en las industrias alimentaria y farmacéutica. [14] [15] La radiación ionizante también se puede utilizar para fortalecer y modificar intencionalmente las propiedades de los polímeros. [16] La investigación en esta área se ha centrado en las tres fuentes de radiación más comunes utilizadas para estas aplicaciones, incluidas la radiación gamma, la radiación por haz de electrones y la radiación de rayos X. [17]
Los mecanismos de daño por radiación son diferentes para polímeros y metales, ya que las dislocaciones y los límites de grano no tienen una importancia real en un polímero. En cambio, los polímeros se deforman a través del movimiento y reordenamiento de las cadenas, que interactúan a través de fuerzas de Van der Waals y enlaces de hidrógeno. En presencia de alta energía, como la radiación ionizante, los enlaces covalentes que conectan las propias cadenas de polímero pueden superar sus fuerzas de atracción para formar un par de radicales libres . Estos radicales luego participan en una serie de reacciones de polimerización que caen bajo la clasificación de la química de la radiación . La reticulación describe el proceso a través del cual los radicales centrados en el carbono en diferentes cadenas se combinan para formar una red de enlaces cruzados . Por el contrario, la escisión de la cadena ocurre cuando un radical centrado en el carbono en la cadena principal del polímero reacciona con otro radical libre, típicamente del oxígeno en la atmósfera, causando una ruptura en la cadena principal. Los radicales libres también pueden experimentar reacciones que injertan nuevos grupos funcionales en la cadena principal, o laminan dos láminas de polímero sin un adhesivo. [17]
Existe información contradictoria sobre los efectos esperados de la radiación ionizante para la mayoría de los polímeros, ya que las condiciones de radiación son muy influyentes. Por ejemplo, la tasa de dosis determina la velocidad con la que se forman los radicales libres y si son capaces de difundirse a través del material para recombinarse o participar en reacciones químicas. [18] La relación entre la reticulación y la escisión de la cadena también se ve afectada por la temperatura, el entorno, la presencia de oxígeno frente a gases inertes, la fuente de radiación (que cambia la profundidad de penetración) y si el polímero se ha disuelto en una solución acuosa. [15]
La reticulación y la escisión de la cadena tienen efectos divergentes sobre las propiedades mecánicas. Los polímeros irradiados suelen sufrir ambos tipos de reacciones simultáneamente, pero no necesariamente en la misma medida. [19] Las reticulaciones fortalecen el polímero al evitar el deslizamiento de la cadena, lo que conduce efectivamente a un comportamiento termoendurecible . Las reticulaciones y la ramificación conducen a un mayor peso molecular y polidispersidad. [18] Por lo tanto, estos polímeros generalmente tendrán mayor rigidez, resistencia a la tracción y límite elástico, [20] y menor solubilidad. [14] Se sabe bien que el polietileno experimenta propiedades mecánicas mejoradas como resultado de la reticulación, incluida una mayor resistencia a la tracción y una menor elongación a la rotura. [16] Por lo tanto, tiene "varias aplicaciones ventajosas en áreas tan diversas como pernos de roca para minería, refuerzo de hormigón, fabricación de cuerdas ligeras de alta resistencia y telas de alto rendimiento". [14]
Por el contrario, las reacciones de escisión de cadena debilitarán el material al disminuir el peso molecular promedio de las cadenas, de modo que la resistencia a la tracción y a la flexión disminuyen y la solubilidad aumenta. [14] La escisión de cadena ocurre principalmente en las regiones amorfas del polímero. Puede aumentar la cristalinidad en estas regiones al facilitar que las cadenas cortas se vuelvan a ensamblar. Por lo tanto, se ha observado que la cristalinidad aumenta con la dosis, [18] lo que conduce a un material más frágil en la macroescala. Además, "los productos gaseosos, como el CO 2 , pueden quedar atrapados en el polímero, y esto puede conducir a un agrietamiento y resquebrajamiento posteriores debido a las tensiones locales acumuladas". [14] Un ejemplo de este fenómeno son los materiales impresos en 3D, que a menudo son porosos como resultado de su configuración de impresión. [20] El oxígeno puede difundirse en los poros y reaccionar con los radicales libres supervivientes, lo que conduce a la fragilización . [20] Algunos materiales continúan debilitándose con el envejecimiento, a medida que reaccionan los radicales libres restantes. [15]
La resistencia de estos polímeros al daño por radiación se puede mejorar injertando o copolimerizando grupos aromáticos, que mejoran la estabilidad y disminuyen la reactividad, y añadiendo antioxidantes y nanomateriales , que actúan como eliminadores de radicales libres. [19] Además, los polímeros de mayor peso molecular serán más resistentes a la radiación. [18]
La exposición a la radiación provoca cambios químicos en los gases. Los menos susceptibles a sufrir daños son los gases nobles , en los que la principal preocupación es la transmutación nuclear con las consiguientes reacciones químicas de los productos de la reacción nuclear.
La radiación ionizante de alta intensidad en el aire puede producir un resplandor visible en el aire ionizado de un color azulado-violáceo característico. El resplandor se puede observar, por ejemplo, durante accidentes críticos , alrededor de nubes con forma de hongo poco después de una explosión nuclear o dentro de un reactor nuclear dañado, como durante el desastre de Chernóbil .
Se pueden producir cantidades significativas de ozono . Incluso pequeñas cantidades de ozono pueden provocar con el tiempo el agrietamiento por ozono de muchos polímeros, además del daño causado por la propia radiación.
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, los 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 nuevamente para formar moléculas originales o iniciar una cadena de reacciones de polimerización por radicales libres con otras moléculas, produciendo compuestos con un 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 las superficies aislantes del detector y distorsionando su respuesta. Los gases que contienen extintores de hidrocarburos, por ejemplo, argón - metano , suelen ser 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 elastómeros de silicona y especialmente en 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 altamente tolerantes a altos flujos de radiación. El oxígeno se agrega como gas noble con dióxido de carbono tiene una transparencia demasiado alta para los 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 un componente del gas para detectores de alta velocidad; sin embargo, los radicales de flúor producidos durante la operación limitan la elección de materiales para las cámaras y electrodos (por ejemplo, se requieren electrodos de oro, ya que los radicales de flúor atacan a 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 . [21]
Al igual que los gases, los líquidos carecen de una estructura interna fija, por lo que los efectos de la radiación se limitan principalmente a la radiólisis , que altera la composición química de los líquidos. Al igual que en el caso de los gases, uno de los mecanismos principales es la formación de radicales libres .
Todos los líquidos están sujetos a daños por radiación, con algunas excepciones exóticas; por ejemplo, el sodio fundido, donde no hay enlaces químicos que se puedan romper, y el fluoruro de hidrógeno líquido , que produce hidrógeno gaseoso y flúor, que reaccionan espontáneamente para convertirse en fluoruro de hidrógeno.
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 están compuestos principalmente de agua, la mayoría del daño es causado por las especies reactivas de oxígeno , 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 conduzca al cáncer ).
En los sistemas de refrigeración de los reactores nucleares, la formación de oxígeno libre promovería la corrosión y se contrarresta mediante la adición de hidrógeno al agua de refrigeración. [22] 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 presurizada es menos propenso a la acumulación de especies oxidativas. La química del refrigerante del reactor de agua hirviendo es más compleja, ya que el entorno puede ser oxidante. La mayor parte de la actividad radiolítica ocurre 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 neutrones rápidos y 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 estable a unos 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 de oxígeno, estas tienden a estar presentes en forma de aniones nitrato . En entornos reductores, se puede formar amoniaco . Sin embargo, los iones de amoniaco también pueden oxidarse posteriormente a nitratos. Otras especies presentes en el agua refrigerante son los productos de corrosión oxidados (por ejemplo, cromatos ) y productos de fisión (por ejemplo, aniones pertecnetato y peryodato , cationes uranilo y neptunilo). [23] La absorción de neutrones en 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 se encuentra bajo investigación. [24]
La magnitud de los efectos de la radiación sobre el agua depende del tipo y la energía de la radiación, es decir, de su transferencia de energía lineal . Un agua libre de gases sometida a rayos gamma de baja 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 radiólisis. En presencia de oxígeno disuelto, siempre se produce radiólisis. El hidrógeno disuelto suprime por completo la radiólisis por radiación de baja LET, mientras que la radiólisis sigue produciéndose con
La presencia de especies reactivas de oxígeno tiene un fuerte efecto disruptivo sobre los compuestos orgánicos disueltos. Esto se aprovecha en la remediación de aguas subterráneas mediante el tratamiento con haz de electrones . [25]
Dos enfoques principales para reducir el daño por radiación son la reducción de la cantidad de energía depositada en el material sensible (por ejemplo, mediante protección, distancia de la fuente u orientación espacial) o la modificación del material para que sea menos sensible al daño por radiación (por ejemplo, añadiendo antioxidantes, estabilizadores o eligiendo un material más adecuado). Además del endurecimiento del dispositivo electrónico mencionado anteriormente, se puede obtener cierto grado de protección mediante protección, normalmente con la interposición de materiales de alta densidad (en particular plomo, donde el espacio es crítico, u hormigón donde hay espacio disponible) entre la fuente de radiación y las áreas a proteger. 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 se puede aplicar una terapia de quelación para acelerar la eliminación de materiales radiactivos formados a partir de metales pesados del cuerpo mediante procesos naturales.
Las contramedidas sólidas para el daño por radiación consisten en tres enfoques. En primer lugar, saturar la matriz con solutos de gran tamaño. Esto actúa para atrapar la hinchazón que se produce como resultado del movimiento de fluencia y dislocación. También actúan para ayudar a prevenir la difusión, que restringe la capacidad del material para sufrir segregación inducida por radiación. [26] 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 reducir la segregación inducida por radiación también, al prevenir el movimiento de dislocación y la formación y movimiento de intersticiales. [27] Finalmente, al diseñar límites de grano lo más pequeños posible, se puede impedir el movimiento de dislocación, lo que evita la fragilización y el endurecimiento que resultan en la falla del material. [28]
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 efecto 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 la obtención de imágenes médicas y la radioterapia .
La mayoría de los efectos adversos para la salud de la exposición a la radiación pueden agruparse en dos categorías generales:
