Avances en espectrometría alfa y gamma para su aplicación en la evaluación del impacto radiactivo de una industria NORM

Resum

Es bien conocido que la peligrosidad de las radiaciones ionizantes ha hecho necesario el establecimiento de medidas que garanticen la protección tanto de los trabajadores expuestos como del público en general contra los riesgos resultantes de la exposición a las mismas. En esta dirección se han implementado distintas normativas a nivel mundial, y más concretamente en el ámbito europeo la normativa actualmente vigente es la Directiva 96/29/EURATOM, de la que emana la normativa española actual en forma de Reglamento sobre la protección sanitaria contra radiaciones ionizantes (Real Decreto 783/2001). Dicho Reglamento es de aplicación a todas las prácticas que den lugar a un riesgo derivado de las mismas, tanto si la procedencia de las radiaciones es de origen artificial como natural. Desde hace más de veinte años existe una clara conciencia en la comunidad científica sobre la necesidad de evaluar el impacto radiológico ocupacional y ambiental producido por las actividades realizadas en industrias convencionales no nucleares que se caracterizan bien por utilizar en sus procesos de producción materias primas enriquecidas en radionucleidos naturales o bien por producir productos comerciales, sub-productos o residuos enriquecidos en estos radionucleidos (industrias conocidas como industrias NORM, acrónimo de Naturally Occurring Radioactive Material). La regulación de este tipo de actividades se recoge en el reglamento vigente sobre Protección Sanitaria contra las radiaciones ionizantes de un título específico (titulo VII) Pues bien, dentro de los estudios que actualmente realiza el grupo de investigación Física Nuclear aplicada de la Universidad de Sevilla, centrados en la evaluación y control desde el punto de vista radiactivo y radiológico de las actividades realizadas por diversas industrias no nucleares ubicadas en el Sur de España ( proyecto I+D financiado por el Consejo de Seguridad Nuclear) se enmarca la investigación desarrollada en esta tesis. En particular, mostraremos el estudio radiológico que se ha realizado del proceso completo de producción que se aplica en una industria situada en el Polo Químico de Huelva y cuya materia prima está catalogada como material NORM. Más concretamente la práctica industrial se basa en la fabricación de pigmentos de dióxido de titanio (TiO2) a partir de un mineral conocido como ilmenita, que además obviamente de estar enriquecido en Ti, tiene la particularidad de presentar concentraciones elevadas de los radionucleidos pertenecientes a las series naturales del Uranio y el Torio Nuestro objetivo en este trabajo ha consistido en determinar y evaluar las concentraciones de actividades de diversos radionucleidos naturales en muestras representativas de las diversas etapas que conforman el proceso de producción de dicho pigmento, analizando a partir de los resultados obtenidos el comportamiento de estos radionucleidos y las rutas preferentes que éstos siguen dentro del proceso de producción. La información obtenida en este estudio radiométrico, constituye una base esencial e imprescindible para poder posteriormente realizar de forma rigurosa una evaluación del impacto radiológico producido por la actividad industrial analizada. El estudio radiométrico realizado dista mucho de poder ser considerado como un estudio rutinario o trivial. Dada la enorme heterogeneidad (tanto en composición como en estado físico) de los distintos tipos de muestras que se han analizado, ha sido imprescindible optimizar distintos procedimientos ya desarrollados en el seno de nuestro grupo de investigación, e incluso desarrollar nuevos métodos que nos permitan caracterizar (desde el punto de vista radiactivo) perfectamente, y con garantías, las distintas muestras estudiadas a lo largo del proceso industrial. Nuestro estudio se basará en la determinación en las muestras analizadas de las concentraciones de actividad de los isótopos de U, Th y Ra que forman parte de las series naturales del 238U y del 232Th. Para ello, haremos uso de dos técnicas radiométricas como son la espectrometría gamma y la espectrometría alfa. Adicionalmente también utilizaremos una técnica complementaria en momentos puntuales del desarrollo de este trabajo como es la fluorescencia de Rayos-X o TTPIXE con objeto de caracterizar la composición elemental de algunas de las muestras del proceso industrial, al ser imprescindible el conocimiento de esa composición para una apropiada aplicación de la técnica basada en la espectrometría gamma. Atendiendo a los objetivos establecidos, y considerando las técnicas experimentales aplicadas, hemos decidido dividir esta memoria en tres bloques de contenido bien diferenciado. Un primer bloque, que comprende a los capítulos 2 y 3, está dedicado a la espectrometría gamma donde se lleva a cabo una descripción de la técnica, sistemas experimentales y mejoras implementadas en nuestro grupo de investigación. Un segundo bloque, capítulos 4 y 5, se centra en la espectrometría alfa con una estructura de contenidos similar al bloque inicial, en el que se describen en detalle los distintos procesos de optimización llevados a cabo en el ámbito de la radioquímica de la que se ha hecho uso en esta tesis. El tercer y último bloque, que abarca los capítulos 6 y 7, se centra en la descripción del proceso de producción industrial bajo estudio así como en la descripción y análisis de los resultados obtenidos de aplicar tanto la espectrometría alfa y gamma en muestras procedentes de este contexto industrial. Como capítulo final, el capítulo 8, resumirá y recopilará las principales conclusiones obtenidas en nuestro estudio. De una forma algo más detallada, podemos indicar que el capítulo segundo presenta los conceptos teóricos asociados a la espectrometría gamma así como los distintos procesos de calibración que hay que aplicar a un detector de Ge Hiperpuro coaxial como los usados en esta tesis. Se comienza con la interacción gamma-materia, se describen las componentes que forman un espectro gamma y las calibraciones en energía, resolución y eficiencia de fotopico. Relacionada con esta última, se presenta la metodología seguida en procedimientos experimentales y semi-experimentales de calibración en eficiencia así como correcciones en ésta por suma en coincidencias mediante una doble vía: experiemental y teórica mediante un programa basado en la transferencia de eficiencias denominado EFFTRAN. También se describe la sistemática seguida, tanto experimental como semi-teórica, para obtener el factor de autoabsorción relativo en muestras reales partiendo de patrones preparados con diversos cocteles multi-gamma. En el capítulo 3, se ponen en práctica todos los conceptos y metodologías descritos en el capítulo previo que mejoran notablemente los resultados finales a la hora de calcular la concentración de actividad en muestras medioambientales. En una primera parte de este capítulo, se caracterizarán dos detectores coaxiales, un XtRa y un REGe llevando a cabo los procesos de calibración en energía y resolución. La parte de electrónica en este tipo de detectores se ha emplazado en el apéndice 1 para reducir el contenido teórico de este capítulo. Tras esto, se hace un estudio comparativo del fondo que presentan ambos sistemas concluyendo que el XtRa es un sistema de mucho menor fondo y más adecuado para la medida de la gran mayoría de muestras de esta tesis. A continuación se obtienen las curvas de calibración experimental en eficiencia para una batería de patrones en distintas geometrías cilíndricas: cajas petri y duquesas a distintas alturas, en distintas matrices: acuosas y sólidas inorgánicas, tratando de cubrir un amplio espectro de posibilidades en cuanto a geometrías de medida. Indicar que, es genérico en toda la tesis, el uso de incertidumbres tanto en tablas como en gráficos asociadas a valores con criterio 1-¿ salvo que, excepcionalmente se especifique lo contrario. El siguiente paso consiste en corregir por el efecto de suma en coincidencia de cascada aquellos valores de emisores gamma multienergéticos que sufren este efecto, re-obteniendo curvas en eficiencia de fotopico más realistas. Otro proceso de corrección implementado consiste en la corrección por el efecto de autoabsorción que se producen en muestras reales en relación a los patrones experimentales. En este sentido varias técnicas diferentes, tanto experimentales como semi-experimentales, son usadas e intercomparadas en la parte final de este capítulo que concluye con una muestra de los ejercicios de intercomparación en los que nuestro laboratorio ha tomado parte y se han ido aplicando las correcciones aquí implementadas y que corroboran la bondad de la metodología seguida en nuestro laboratorio de espectrometría gamma. Aquí se cierra el primer bloque dedicado a la espectrometría gamma en esta memoria. El capítulo 4 inicia la parte de espectrometría alfa, como técnica complementaria de la gamma, repasando las bases teóricas que subyacen en el uso de este tipo de espectrometría. Se describen brevemente los detectores de implantación iónica así como el sistema Alpha Analist del que dispone nuestro laboratorio y los distintos procesos de calibración a que es sometido este sistema. Posteriormente, en se describe en detalle el sistema de espectrometría alfa con sus ocho cámaras de detección equipadas con detectores de silicio de implantación iónica, para continuar describiendo brevemente el tercer sistema de medida usado, la fluorescencia de rayos X dispersiva en longitud de onda (WDXRF). Por último, en este capítulo se ha incluido un apartado sobre el cálculo de los límites de detección de las distintas técnicas que se han descrito, con el objetivo de facilitar de esta forma la elección de una u otra técnica dependiendo del previsible contenido radiactivo de la muestra sujeta a análisis. El tercer capítulo describe los métodos experimentales desarrollados para el análisis cuantitativo de las muestras en este trabajo con los sistemas descritos en el capítulo anterior. Así, y en el apartado de análisis mediante espectrometría gamma se describen los distintos procesos de calibración aplicados a los sistemas experimentales utilizados, poniendo especial énfasis en su calibración en eficiencias. Estas calibraciones en eficiencia han tenido en consideración obviamente la influencia de la geometría de medida, y, con gran detalle, la influencia de la autoabsorción que se produce en las propias muestras durante las medidas y que afectan de distinto grado a cada una de ellas. Para conseguirlo ha sido necesario recurrir a la preparación de una serie limitada de muestras patrón, y al desarrollo de un procedimiento para corregir por los efectos de autoabsorción que nos permitiera generalizar las medidas en nuestros sistemas gamma a otras matrices distintas a los patrones sin la necesidad de invertir tiempo, esfuerzo y material en la preparación de un patrón por cada muestra analizada. El procedimiento completo de calibración en eficiencias, y consecuentemente el procedimiento completo de determinación de concentraciones de actividad por espectrometría gamma ha sido validado mediante la participación en diferentes ejercicios de intercomparación, y la medida de muestras certificadas de la IAEA (Agencia Internacional de la Energía Atómica). El capítulo tercero finaliza, en relación a la espectrometría alfa, desarrollando los distintos procesos llevados a cabo para calibración del sistema de medida, así como describiendo los procedimientos radioquímicos utilizados en al aislamiento de los radionucleidos emisores alfa de interés para su correcta medida. El cuarto capítulo nos introduce en la descripción como industria NORM del proceso industrial de obtención de pigmentos de TiO2, particularizando obviamente éste al aplicado en la factoría situada en el Polo Químico de Huelva (¿Tioxide Europa S.L.¿). En este capítulo se muestra desde el uso e importancia de la fabricación de estos pigmentos y su presencia en nuestra vida cotidiana, hasta la descripción paso a paso de las transformaciones que experimenta la materia primera a lo largo del proceso industrial para la obtención del producto comercial deseado. La descripción detallada del proceso de producción sirve adicionalmente para indicar y remarcar en este capítulo los diversos puntos a lo largo del proceso en los que se han tomado muestras que serán caracterizadas radiométricamente con posterioridad. Finalmente, en el quinto capítulo se procede a la exposición, discusión y análisis de resultados obtenidos en los distintos muestreos realizados en la fábrica. En particular se discute y razona el comportamiento que presentan los radionucleidos naturales de interés (isótopos de U, isótopos de Th, isótopos de Ra y 40K) en las distintas etapas del proceso industrial, poniendo especial interés en la caracterización radiactiva de los materiales de entrada/salida del proceso, y se delimitan las rutas preferentes seguidas por los radionucleidos analizados a lo largo del proceso de producción. El interés particular en la caracterización de los materiales de salida se enmarca en el hecho de que para los residuos producidos a lo largo del proceso existen actualmente varios proyectos en vías de desarrollo por la propia industria, cuya finalidad es la de darle salida pretendiendo causar el menor impacto radiológico posible. Por último, y asociado a un muestreo centrado en la colección de un número limitado de muestras representativas del proceso, se ha analizado también la uniformidad temporal desde el punto de vista radiactivo del proceso industrial, en el sentido de comprobar que la distribución de los radionucleidos de interés por las distintas rutas que éstos pueden seguir dentro del proceso, se mantiene constante a lo largo del tiempo.