¿Qué tan radiactivo es el uranio?

El uranio natural se compone de$\approx 0.7\ \%$ $^{235}_{92}\mathrm U$, donde está el resto$^{238}_{92}\mathrm U$. El combustible fresco del reactor consiste en$3.5\ \% {-}4.5\ \%$ $^{235}_{92}\mathrm U$. Ambos isótopos de uranio tienen una actividad específica muy baja y su radiactividad de ninguna manera, en condiciones normales, causará una dosis más alta que$20\ \mathrm{mSv}$, que es la dosis límite anual para las personas que trabajan con materiales radiactivos (en la UE). El uranio es, sin embargo, químicamente tóxico (como lo son todos los metales pesados). Por lo tanto, no debe consumirse ni manipularse con las manos descubiertas. La baja actividad específica$\mathrm{\frac{Bq}{g}}$puede explicarse con la gran vida media de los isótopos. Esto se ilustra mejor con la fórmula para calcular la actividad específica

$$A=\frac{N_\mathrm{A}\log(2)}{T_{\frac{1}{2}}m}.$$ Por lo tanto, una gran vida media$T_{\frac{1}{2}}$da como resultado una actividad muy pequeña$A$por masa$m$.

Es una cuestión completamente diferente si el uranio ha sido irradiado. En este caso, comenzaría a construir productos de fisión y actínidos menores, algunos de los cuales son altamente radiactivos. Su manipulación requiere equipo especial. Como regla general, cuanto mayor sea el tiempo de irradiación (por ejemplo, en el núcleo de un reactor) y más denso será el flujo de neutrones$\frac{n}{\mathrm{cm^2\ s}}$mayor es la radiotoxicidad.

En resumen, el combustible de uranio fresco y el uranio natural tienen una actividad específica muy pequeña. De todos modos, no recomiendo jugar con este tipo de materiales porque son químicamente tóxicos y nunca se sabe si el material ha sido irradiado. Tanto en la radiactividad como en la medicina, todo es una cuestión de dosis.

Observación: Tengo algunas preguntas sobre la forma de dosis equivalente de uranio. Aquí hay una estimación simple (altamente conservadora).

Supongamos que tuviéramos 1 kg de uranio natural. El uranio natural tiene una actividad específica de$\approx 2.6 \cdot 10^7\ \mathrm{\frac{Bq}{kg}}$. Aquí Bq significa una caída por segundo y mide la actividad de la fuente. Supongamos además que emite SOLAMENTE gammas en$^{137}\mathrm{Cs}$energía de descomposición de$0.662\ \mathrm{MeV}$. Suponga también que uno absorbió de alguna manera todo lo que emite el trozo de uranio. Reemplazar eso en fórmulas da

$$1\ \mathrm{kg}\times 2.6 \cdot 10^7 \ \frac{\mathrm{Bq}}{\mathrm{kg}} \times 0.667\ \mathrm{MeV}\times 1.6\times10^{-13}\ \mathrm{\frac{J}{MeV}}\times 3600\ \mathrm{\frac{s}{h}}= 9.9\times10^{-3}\ \mathrm{\frac{Sv}{h}}$$ Esta tasa de dosis estimada de$9.9\times10^{-3}\ \mathrm{\frac{Sv}{h}}$o$9.9 \space \mathrm{\frac{mSv}{h}}$es más alto que$0.4\ \mathrm{\frac{\mu Sv}{h}}$por un factor de$1000$, que es el límite superior para la tasa de dosis de radiación de fondo en Europa. En EEUU el límite anual asciende al doble de ese valor. Entonces, durante un año, uno acumularía $$9.9\times10^{-3} \mathrm{\frac{Sv}{h}} \cdot 365 \mathrm{\space days} \cdot 24 \mathrm{\space hours} = 87 \mathrm{\space Sv}$$ que es una dosis letal.

Por supuesto, el uranio no emite sólo$\gamma$radiación y no puedes absorberla toda, a menos que te la comas, algo que desaconsejé. Además, solo pasaría una cantidad limitada de tiempo cerca del material. Por lo tanto, la dosis que obtendrías de 1 kg de uranio será mucho menor de lo que calculé. Puedes jugar con otras energías, tipos de radiación y tiempos de exposición. Elegí$\gamma$porque tiene la mayor profundidad de penetración y viaja libremente en el aire. Mientras,$\beta$y$\alpha$viajan solo distancias cortas en el aire y normalmente son detenidos por la piel o la ropa. Por lo tanto,$\gamma$es una estimación bastante conservadora. Si el uranio emitiera sólo$\alpha$radiación y la absorbiste todo el resultado será$27$veces más grande.

Otra ventaja es el alto número atómico del uranio, que lo convierte en un excelente absorbente gamma. Por lo tanto, un porcentaje significativo de los rayos gamma será absorbido por la propia fuente.

Además, como la mayoría de los elementos pesados ​​radiactivos, los isótopos de urnaio emitirían partículas alfa de alta energía (energías de alrededor de 5 MeV) y solo gammas de baja energía. Con la línea gamma más enérgica perteneciente a$^{235}_{92}\mathrm U$tener energía de$0.16 \mathrm{\space MeV}$. Los rayos gamma de baja energía son fáciles de absorber y tienen un factor de riesgo biológico más bajo. Como ocurre con todos los emisores alfa, el componente más peligroso es inhalar o ingerir la fuente radiactiva.

Dado que la fuerza de la fuente está determinada por la actividad específica, que tiene unidades de$\mathrm{\frac{Bq}{mass}}$, uno puede usar la masa para escalar a diferentes cantidades de material radiactivo. Un gramo en las condiciones anteriores produciría

$$9.9\times10^{-3} \mathrm{\frac{Sv}{h}}\cdot 10^{-3}=9.9\times10^{-6} \mathrm{\frac{Sv}{h}}$$ Si se supusiera una fuente puntual, la dosis a distancia$R$se puede encontrar usando la ley del inverso del cuadrado. $$\mathrm{Dose \space at \space (R=0) \space}\cdot \frac{1}{4\pi\mathrm{R}^2}$$

Valores reales: Fuente puntual de 1 gramo de uranio natural a una distancia de 1 metro rendimientos

$$\mathrm{2 \cdot 10^{-12} \space\frac{Sv}{h}},$$ que es mucho más bajo que el fondo natural. Para estos cálculos se utilizaron los factores de conversión ICRP 72.

Corrección: Usé condiciones iniciales incorrectas, estaba hablando de actividad total, pero solo tomaba la parte gamma de la fuente. Por lo tanto, he corregido el cálculo.

¿No te atreverías a tocar ningún elemento radiactivo? Entonces, ¿no comerías, digamos, un plátano? Eres radiactivo, al igual que casi todo lo que comes, el suelo donde vives y el aire que respiras. La radiactividad está en todas partes.

La mayor parte de la radiactividad en los seres humanos proviene del potasio-40 y un poco del carbono radiactivo. El potasio-40 es más radiactivo que el U-238.

Por supuesto, esto es principalmente un golpe a su "No tocaría nada radiactivo". La comprensión popular de la radiactividad es peligrosamente mala, razón por la cual la gente le teme más al combustible nuclear que, digamos, a los desechos de una central eléctrica de carbón o de su propio horno de leña.

Los principales riesgos que tiene al manipular algo como una pastilla de U-238 son:

• Se puede ingerir. El uranio es uno de los más peligrosos aquí, porque produce fácilmente virutas que pueden moverse en el aire y quemarse con bastante facilidad. La desintegración del U-238 emite principalmente radiación alfa, que es relativamente inofensiva para los humanos, siempre que se mantenga en el exterior . No hace falta decir que se convierte en un problema mucho mayor cuando se adhiere a los pulmones y entra en la sangre (aunque eso ya plantea problemas adicionales debido a que es un metal pesado; es altamente tóxico independientemente de su radiactividad).
• Está muy concentrado : estás sosteniendo una gran losa de material radiactivo. El potasio en un plátano es altamente radiactivo, pero hay tan poco que no representa un peligro real.

Mientras mantenga los guantes puestos y aísle el aire (como en el video), estará bien, especialmente si es algo que cavó del suelo: el peligro de una fuente radiactiva es inversamente proporcional a la vida útil de esa fuente; el uranio necesariamente debe tener muy poca radiactividad, ya que ha existido tanto como la Tierra y todavía hay mucho para todos.

Sin embargo, no juegues con esas fuentes de radioterapia (advertencia: no son muy bonitas con un montón de "¿cómo pueden ser tan estúpidos?"). Si decide leer sobre ese incidente, tenga en cuenta que incluso con la fuente de radiactividad mucho más peligrosa, los problemas de salud graves (incluidas la amputación y la muerte, lamentablemente) fueron el resultado de una exposición prolongada (muchas horas) y/o ingestión.

No hace falta decir que esto no debe tomarse como un consejo para seguir adelante y jugar con cosas altamente radiactivas. Es peligroso, al igual que, digamos, el mercurio es peligroso . Puede matarte . Todas las instalaciones que manejan materia altamente radiactiva tienen medidas estrictas para prevenir accidentes y medir la exposición, y los guantes que ve en el video no son los típicos guantes de limpieza del hogar. Diferentes materiales radiactivos pueden tener peligros muy diferentes, dependiendo de su tiempo medio y las características de emisión.

Como con todos los riesgos de seguridad, la respuesta es "¡Depende!". Un trozo de uranio natural que no ha sido enriquecido o expuesto al interior de un reactor no es muy radiactivo y puede manejarlo con pocas precauciones. Puede sostenerlo en la mano con seguridad, pero lo trataría de la misma manera que trataría a todos los metales pesados ​​que tienen un cierto nivel de toxicidad química. Debe preocuparse por la toxicidad si se expone a través de los pulmones o a compuestos: https://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/search2/r?dbs+hsdb:@term+@na+@ rel+uranio,+radiactivo

Si está pensando en mecanizar el metal o en el procesamiento químico, le sugiero que tome precauciones y controles serios, como con cualquier otra sustancia que tenga el más mínimo potencial peligroso.

La radiación es principalmente radiación alfa y beta de baja energía que no puede atravesar la piel para dañar las células vivas... a menos que ya esté en el cuerpo, ya sea por inhalación o por absorción química... las mismas precauciones que para el envenenamiento químico. problema.

Pero aquí está el verdadero problema: ¿cómo sabes que estás tratando con una pieza nueva de uranio que acaba de salir de la tierra y que no ha sido expuesta a neutrones? ¿Cómo sabe que no contiene otros contaminantes radiactivos que se habrían desintegrado durante mucho tiempo en un entorno geológico natural pero que pueden estar presentes en cualquier cantidad si el material pasó por una instalación de procesamiento que maneja materiales calientes? ¿Confías en el amable traficante de uranio de la vuelta de la esquina que te lo vendió? ¿En serio? ¿Qué le importa tu salud? No confiaría en eso a menos que el material haya sido debidamente probado por alguien en quien se pueda confiar yTengo una forma independiente de verificar esa confianza, es decir, al menos quiero tener un monitor de gamma/neutrones calibrado y un sistema para marcar todos los materiales que pasan por mi posesión de manera confiable. Eso no tiene precio.

Hay dos lados en esta pregunta.

Ingenuamente, la respuesta sería "bah, no mucho" porque no es terriblemente activo y ni la radiación alfa ni la beta son realmente peligrosas. El primero (que ocurre al principio de la cadena de descomposición) es absorbido incluso por unos pocos centímetros de aire, y el segundo (que aparece más adelante en la cadena de descomposición) no puede penetrar la capa de callos de la piel. El callo es tejido muerto de cualquier manera, por lo que la radiación realmente no le hace nada.

Sin embargo, el uranio es directamente tóxico (nefrotóxico y hepatotóxico, y causa efectos neurológicos) y finalmente se descompone en un elemento neurotóxico acumulativo (plomo). La toxicidad es generalmente mucho más severa que la radiactividad. El polvo de uranio se puede inhalar muy bien si no se toman precauciones (algo común en la producción de fertilizantes).

Pero lo que es peor, su cuerpo absorbe felizmente el uranio como "calcio" y lo coloca en su matriz ósea.
Ahora, recordará que acabo de decir que los radiadores alfa y beta son bastante inofensivos. Los radiadores alfa y beta dentro de su cuerpo y especialmente cerca de tejidos altamente activos (como ciertos órganos, pero también... la médula ósea) son extremadamente dañinos.

Además, si observa la cadena de descomposición, notará que aparecen bastantes elementos, algunos de los cuales (radón) son gases que no puede oler ni ver, pero que sin embargo inhala y absorbe. Polonio... ¿recuerdas qué sustancia usó la KGB para asesinar a Alexander Litvinenko?

Por lo tanto, desde un punto de vista biológico, la respuesta debe ser: " muy ". Ciertamente, puede manejar el uranio de manera segura con simples guantes de goma y detrás de una succión (o con una máscara para respirar), pero de lo contrario, jugar con él no es una idea tan terriblemente buena.

Todos los nucleidos de uranio son radiactivos. Así, también el uranio natural es radiactivo; se compone principalmente de los nucleidos U-238 y U-235 y también contiene U-234 en equilibrio radiactivo con U-238.

Debido a las vidas medias muy largas del U-238 ($t_{1/2}=4.468\times10^9\ \mathrm a$) y U-235 ($t_{1/2}=7.04\times10^8\ \mathrm a$), sin embargo, la actividad específica del uranio natural es relativamente baja.

La actividad específica total en el uranio natural recién purificado es de aproximadamente$2.5\times10^7\ \mathrm{Bq/kg}$(es decir, no sólo$15\ \mathrm{Bq/kg}$. La actividad específica de nucleido en$1\ \mathrm{kg}$El uranio natural recién purificado se da en la siguiente tabla.

$$\textbf{Activity in 1 kg natural uranium}\\ \begin{array}{ll} \hline \text{Nuclide} & \text{Activity}\ a\ \text{in Bq}\\ \hline \text{U-238} & 1.2\times10^7\\ \text{U-235} & 5.8\times10^5\\ \text{U-234} & 1.2\times10^7\\ \hline \end{array}$$

Durante la purificación química de la muestra de uranio, se eliminan los diversos nucleidos hijos. Sin embargo, debido a la desintegración radiactiva del uranio, se generan nuevos nucleidos hijos de los nucleidos de uranio. Por ejemplo, después de un tiempo de espera de un año, la actividad específica total del uranio natural y sus productos secundarios se ha duplicado aproximadamente a$5.0\times10^7\ \mathrm{Bq/kg}$. La actividad específica de nucleido en$1\ \mathrm{kg}$uranio natural después de un año se da en la siguiente tabla (solo nucleidos con actividad por encima de$1\ \mathrm{Bq}$son exhibidos).

$$\textbf{Activity in 1 kg natural uranium including daughter nuclides after 1 a}\\ \begin{array}{ll} \hline \text{Nuclide} & \text{Activity}\ a\ \text{in Bq}\\ \hline \text{U-238} & 1.2\times10^7\\ \text{U-235} & 5.8\times10^5\\ \text{U-234} & 1.2\times10^7\\ \text{Pa-231} & 1.2\times10^1\\ \text{Pa-234} & 2.0\times10^4\\ \text{Pa-234m} & 1.2\times10^7\\ \text{Th-230} & 1.1\times10^2\\ \text{Th-231} & 5.8\times10^5\\ \text{Th-234} & 1.2\times10^7\\ \hline \end{array}$$

La tasa de dosis debida a la exposición externa causada por un$1\ \mathrm{kg}$muestra de uranio natural depende de la geometría. Suponiendo una geometría de fuente puntual simple en una distancia de trabajo típica de$0.5\ \mathrm m$, la tasa de dosis efectiva solo de los nucleidos de uranio puede estimarse como$8.0\times10^{-5}\ \mathrm{mSv/h}$. Si también se tienen en cuenta los nucleidos hijos generados después de un año, la tasa de dosis efectiva total aumenta a$2.9\times10^{-4}\ \mathrm{mSv/h}=0.29\ \mathrm{\mu Sv/h}$, que podría medirse fácilmente además de la tasa de dosis de fondo ambiental promedio de aproximadamente$0.1\ \mathrm{\mu Sv/h}$. Por lo tanto, la mayor parte de la exposición externa causada por el uranio natural se debe a los nucleidos hijos y no a los propios nucleidos de uranio.

A$1\ \mathrm{kg}$muestra de uranio natural, sin embargo, no es una fuente puntual. Por ejemplo, suponiendo una geometría esférica, la esfera tendría un diámetro de aproximadamente$4.7\ \mathrm{cm}$. Debido a la alta densidad del uranio, la mayor parte de la radiación emitida por la muestra de uranio es absorbida por el propio material. En una distancia de trabajo típica de$0.5\ \mathrm m$a tal esfera, la tasa de dosis efectiva de nucleidos de uranio puede estimarse como$8.5\times10^{-7}\ \mathrm{mSv/h}$. Si también se tienen en cuenta los nucleidos hijos generados después de un año, la tasa de dosis efectiva total es$2.8\times10^{-5}\ \mathrm{mSv/h}$. Por lo tanto, la tasa de dosis para una muestra real es significativamente menor que la tasa de dosis para una fuente puntual. Este efecto se llama autoabsorción. (Este efecto es especialmente notable cuando se mide la tasa de dosis en elementos combustibles nuevos de un reactor de agua a presión, que consisten en dióxido de uranio en barras de combustible con una longitud activa típica de aproximadamente$4\ \mathrm m$pero un diámetro de menos de$1\ \mathrm{cm}$. Debido a la autoabsorción, la tasa de dosis es mucho más baja cuando se mira desde arriba o desde abajo en comparación con los lados).

Suponiendo un tiempo de trabajo de$2\,000\ \mathrm h$por año, trabajar con tales muestras daría como resultado una dosis efectiva de$0.056\ \mathrm{mSv}$por año. Esta dosis está muy por debajo del límite de dosis habitual para los trabajadores de radiación de$20\ \mathrm{mSv}$por año.

En comparación con la dosis de exposición externa, la dosis de exposición interna causada por la incorporación de material radiactivo puede ser más importante ya que las distancias de los tejidos relevantes a la fuente son obviamente mucho más cortas y la autoabsorción por el material radiactivo no es relevante. Especialmente la radiación alfa puede ser muy importante para la exposición interna, aunque no es relevante para la exposición externa en absoluto.

Obviamente, la ingesta de un$1\ \mathrm{kg}$esfera de uranio no es realista. Sin embargo, la ingestión de$1\ \mathrm g$de uranio en forma de polvo de dióxido de uranio podría considerarse, por ejemplo, si los trabajadores sin protección a menudo se contaminan las manos y luego tocan la comida. La dosis efectiva comprometida resultante (administrada durante 50 años) después de la ingestión de$1\ \mathrm g$de uranio natural, incluidos los nucleidos hijos generados después de un año (con una actividad total de$5.0\times10^4\ \mathrm{Bq}$) puede estimarse como$0.090\ \mathrm{mSv}$(usando nuevos coeficientes de dosis tomados de la Publicación 137 de ICRP ). Por lo tanto, cuando se trabaja con uranio, la contaminación puede ser un problema más importante que la exposición externa.

La dosis efectiva comprometida por la ingestión de dióxido de uranio sigue siendo relativamente baja. La razón principal es la baja absorción de compuestos de uranio relativamente insolubles desde el tracto gastrointestinal a la sangre. Sólo una fracción de aproximadamente$0.2\ \%$de los nucleidos de uranio se supone que se absorben después de la ingestión.

Se obtienen resultados diferentes para la inhalación, cuando tales compuestos de uranio insolubles se depositan en los pulmones. Asumiendo la inhalación de$100\ \mathrm{mg}$de uranio natural en forma de aerosoles de partículas de dióxido de uranio con un diámetro efectivo de$1\ \mathrm{\mu m}$incluidos los nucleidos hijos generados después de un año (con una actividad total de$5.0\times10^3\ \mathrm{Bq}$), la dosis efectiva comprometida resultante (administrada a lo largo de 50 años) puede estimarse como$20\ \mathrm{mSv}$. Este valor corresponde al límite de dosis anual para trabajadores expuestos a radiación. Por lo tanto, el problema más importante cuando se trabaja con uranio (o emisores alfa relativamente insolubles similares) es la inhalación de contaminación en el aire.