Aprovechamiento

de la

Radiactividad

El hombre, desde que descubre el fenómeno de la radioactividad, la define y utiliza en un gran número de aplicaciones técnicas y científicas de gran relevancia en el desarrollo humano, desgraciadamente también para la guerra.  En este contexto, la ciencia y la tecnología han permitido al ser humano encontrar y desarrollar una utilidad de paz y práctica al fenómeno de la radiactividad. De este modo y desde hace mucho tiempo, las radiaciones ionizantes tienen aplicaciones en la mayoría de los campos de nuestra vida.

La tecnología nuclear, es aquella tecnología relacionada con las reacciones de los núcleos de ciertos elementos y gracias a ella, se ha podido realizar el aprovechamiento de la radioactividad.

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¿Cuáles son los principales usos de la radiactividad?

Los materiales radiactivos tienen diversos usos: obtención de energía eléctrica,  procesos médicos de diagnóstico y tratamiento de enfermedades, múltiples aplicaciones industriales, agricultura, arqueología, biología entre muchas otras más,  las cuales en su gran mayoría son desconocidas para la sociedad en general. Los actuales desarrollos de la tecnología nuclear, han llevado a que la radiactividad tenga aplicaciones y aprovechamientos fundamentales para la vida cotidiana civil.

1. Obtención de energía eléctrica

En el mundo el 15% de la energía eléctrica se produce en centrales nucleares y para el caso de España, este porcentaje aumenta al más del 20%. Para comprender la manera en que la radiactividad es aprovechada para la obtención de la energía eléctrica  vamos a responder las siguientes preguntas.

 

a. ¿Qué es la energía nuclear?

La energía nuclear es la energía que está en el núcleo del átomo, manteniendo unidos a los neutrones y los protones. Esta energía puede ser liberada del núcleo a través de dos formas: fusión nuclear y fisión nuclear.

En la fusión nuclear los núcleos de dos átomos se combinan o se fusionan entre sí para formar un núcleo más grande. En la fisión nuclear el núcleo de un átomo se divide o se separa para formar núcleos más pequeños. En ambas reacciones los átomos pierden una pequeña cantidad de masa, que se convierte en una gran cantidad de energía calorífica y de radiación.

Fusion nuclear Fision nuclear
FUSIÓN NUCLEAR FISIÓN NUCLEAR

b.  ¿Dónde se obtiene la energía eléctrica a partir de la energía nuclear?

La energía eléctrica se obtiene de la energía nuclear en unas instalaciones específicas denominadas centrales nucleares. En estas instalaciones se cuentan con los reactores nucleares, en los cuales se generan procesos de fisión nuclear, para liberar la energía del núcleo y obtener la energía calorífica.

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c. ¿Cómo se obtiene la energía eléctrica a partir de la energía nuclear?

Las fisiones nucleares que se provocan en el reactor nuclear (Fuente: https://www.csn.es/el-reactor) generan gran cantidad de energía calorífica (calor). Este calor se usa para calentar agua en un circuito cerrado hasta convertirla en vapor. El vapor que se encuentra a una alta temperatura va hacia una turbina eléctrica haciéndola girar; así parte de la energía calorífica se transforma en energía cinética. La turbina  se encuentra conectada a un generador eléctrico que transforma la energía mecánica de su giro en energía eléctrica

Reactor Nuclear

Reactor Nuclear

En el apartado Audiovisuales de la energía de la página web de Foro Nuclear encontrarás el video “¿Cómo funciona una central? (año 2010)”, con el cual podrás ampliar y mejorar tu comprensión de este tema.

d. ¿Y la relación de la radiactividad con la producción de energía eléctrica?

El material o combustible nuclear al cual se le aplican los procesos de fisión nuclear para la obtención de la energía calorífica son principalmente el isótopo de Plutonio “Pu-239” y el isótopo del Uranio “U-235”. Son usados preferentemente debido a dos razones: son elementos radiactivos con alta susceptibilidad a desarrollar procesos de fisión nuclear y presentan mayor eficiencia en cuanto a la generación de energía calorífica.

El Uranio es la principal materia prima para la producción de combustible nuclear, pero en su estado natural presenta muy bajas concentraciones del isótopo “U-235”, por lo cual para poder ser usado como combustible nuclear debe someterse a un proceso de enriquecimiento (https://www.csn.es/enriquecimiento) de este isótopo. El conjunto de operaciones que van desde la extracción del mineral de uranio en la mina hasta su carga como combustible en la central se denomina “primera parte del ciclo de combustible nuclear“.

El ciclo del combustible nuclear comprende todas las fases del proceso, desde la extracción del mineral de uranio para la fabricación del combustible nuclear hasta la gestión definitiva de los residuos radiactivos generados por las centrales nucleares. Dichas fases son: extracción del mineral de Uranio, enriquecimiento del isótopo “U-235”, fabricación de elementos combustibles, utilización de los elementos combustibles, recarga del combustible, almacenamiento en piscina del combustible nuclear gastado, almacenamiento temporal individualizado de combustible irradiado de una sola central, almacenamiento temporal centralizado de varias centrales nucleares, almacenamiento geológico profundo de residuos de alta radiactividad.

e. ¿Cuáles son las Ventajas de obtener energía eléctrica a través de la energía nuclear:

Entre los principales argumentos a favor de usar la energía nuclear para la obtención de energía eléctrica se encuentran:

  • Es una fuente energética que garantiza el abastecimiento eléctrico.
  • Se emite una baja cantidad de gases de efecto invernadero y de contaminantes asociados al uso de combustibles fósiles.
  • Se reduce la dependencia energética exterior de combustibles fósiles como el petróleo
  • Se produce energía eléctrica de forma constante y con precios predecibles

Para ello son condiciones en España:

  • Que las centrales nucleares se diseñan de manera robusta y segura y se encuentran entre las instalaciones mejor protegidas
  • Que se promueve el desarrollo de la tecnología nuclear y se optimiza la gestión de los residuos radiactivos.

f. ¿Cuáles son los argumentos en contra de la obtención de energía eléctrica a través de la energía nuclear?

Entre los principales argumentos en contra de usar la energía nuclear para la obtención de energía eléctrica están:

  • Se utiliza una fuente no renovable de energía.
  • La producción de residuos radiactivos
  • El riesgo asociado a la posibilidad de accidentes nucleares con sus consecuencias negativas para el medio ambiente y la salud humana
  • Los altos costos de la construcción de las centrales nucleares y de su mantenimiento.

2. Medicina

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La medicina nuclear consiste en el uso de sustancias radiactivas no selladas y de las propiedades de los núcleidos estables en el diagnóstico, el tratamiento, la investigación y la prevención de enfermedades.

Según la Sociedad Española de Medicina Nuclear e Imagen Molecular la medicina nuclear se define como la rama de la medicina que emplea los isótopos radioactivos, las radiaciones nucleares, las variaciones electromagnéticas de los componentes del núcleo y técnicas biofísicas afines para la prevención, diagnóstico, terapéutica e investigación médica.

En la práctica, la medicina nuclear implica la administración de cantidades traza de compuestos radiactivos al paciente, para proporcionar información sobre los estados de enfermedad o para su tratamiento.

La principal cualidad de la medicina nuclear reside en que es una técnica no invasiva con alta capacidad de proporcionar medidas muy sensibles de una amplia gama de procesos biológicos en el cuerpo, que complementan la información anatómica brindada por otras modalidades de imágenes médicas.

En el área terapéutica, la gran aportación de la medicina nuclear es el tratamiento selectivo y directo de tumores, mediante substancias que van directamente al órgano enfermo y destruyen las células cancerosas.

Los principales procedimientos radiológicos terapéuticos o de diagnóstico son:

  • Radiofármacos: Elementos radiactivos que permiten investigar en el cuerpo humano un proceso biológico o el funcionamiento de un órgano.
  • Gammagrafía: Obtención de imágenes de órganos utilizando una gammacámara que detecta la radiación gamma emitida por los radiofármacos. Permite obtener información sobre el funcionamiento de diversos órganos y diagnosticar un amplio rango de tumores.
  • Radioterapia:  Aplicación de radiaciones ionizantes para la destrucción de tejidos malignos y tumores.
  • Diagnóstico mediante radioisótopos: Se utilizan radioisótopos para escanear y obtener imágenes de órganos y para la terapia contra el cáncer.
  • Esterilización de equipos médicos: A través de su irradiación.
  • Conocimiento de procesos biológicos mediante trazadores: Se pueden determinar pequeñísimas concentraciones de enzimas, hormonas, drogas, venenos, etc, mediante la técnica de radioinmunoanálisis (RIA).
  • Estudio de los caracteres de las células tumorales, su localización y extensión tumoral: Permite planificar la dosis, frecuencia y cantidad de sesiones de irradiación que se debe realizar, de manera que se facilite una reducción progresiva del tumor y se permita la mejor reparación de los tejidos circundantes.

En la página web de International Atomic Nuclear Agency (Agencia internacional de la energía nuclear), te informarán sobre la manera en que la tecnología nuclear se usa en el cuidado y control del cáncer y en la salud y nutrición humana.

En la página web de The World Nuclear Association (Asociación nuclear mundial) encontrarás ejemplos de las aplicaciones de la radiactividad y la tecnología nuclear en medicina.

3. Hidrología

 

Hidrología

La hidrología isotópica es una técnica nuclear que utiliza isótopos estables y radiactivos existentes en el medio ambiente –tanto de origen natural como artificial- para caracterizar el comportamiento dinámico del agua en el ciclo hidrológico o en aquellos procesos de la ingeniería en los cuales se le utiliza.

Esta rama de la ciencia permite:  estimar el origen geográfico del movimiento del agua, comprender la disponibilidad de agua subterránea y superficial en climas actuales y futuros, identificar la fuente y monitorear los contaminantes del agua y evaluar la eficacia del manejo de los recursos hídricos.

Con respecto a las aguas subterráneas, las técnicas de hidrología isotópica permiten el seguimiento y la medición precisa de la magnitud de los recursos hídricos subterráneos, proporcionan respuestas a las preguntas sobre el origen, la edad y la distribución de las aguas subterráneas, así como las interconexiones entre suelo y las aguas superficiales y acuíferos sistemas de recarga.

Para las aguas superficiales la hidrología isotópica, puede dar información sobre las fugas a través de presas y canales de riego, la dinámica de los lagos y embalses, caudales, las descargas de los ríos y las tasas de sedimentación.

Las sondas de neutrones pueden medir la humedad del suelo con mucha precisión, lo que permite una mejor gestión de los terrenos afectados por la salinidad, en particular con respecto al riego.

En la página web de International Atomic Nuclear Agency (Agencia internacional de la energía nuclear), te informarán sobre la manera en que la tecnología nuclear se usa en los recursos hídricos y medio ambiente marino.

4. Agricultura y alimentación

La Organización para la Agricultura y la Alimentación de la ONU (FAO) trabaja con la Agencia Internacional de la Energía Nuclear en programas que permitan mejorar la sostenibilidad alimentaria con la asistencia de las biotecnologías nucleares y afines (http://www.world-nuclear.org/info/non-power-nuclear-applications/overview/the-many-uses-of-nuclear-technology/), de esta manera se usa la radiactividad y los radioisótopos en la lucha contra el hambre y sus causas.

Entre los principales resultados de la aplicación de la tecnología nuclear en la agricultura y la alimentación, se tienen:

  • El uso eficiente de los fertilizantes que reduce la contaminación ambiental y los costos agrícolas
  • El aumento de la variabilidad genética que permite generar nuevas líneas genéticas y desarrollar variedades más resistentes, productivas y comerciales
  • La mejora de la calidad y la duración de los alimentos mediante su irradiación directa, predeterminada y controlada
  • Un mejor aprovechamiento de los recursos hídricos en los sistemas de riego mediante sondas neutrónicas que miden la humedad.
  • Disminución de pérdidas de cosechas por ataques de insectos. Se usa la Técnica del Insecto Estéril, para esterilizar a los machos y reducir la población de las plagas.
  • Esterilización de envases de alimentos

 

En la página web de International Atomic Nuclear Agency (Agencia internacional de la energía nuclear), te informarán sobre la manera en que la tecnología nuclear se usa en la seguridad alimentaria y agricultura, y en la salud y producción animal.

5. Minería

 

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La radiactividad ayuda a la obtención de Oro, Platino, Aluminio, gas y petróleo. Una amplia gama de técnicas y tecnologías que emplean radioisótopos o fuentes de radiación ofrecen grandes ventajas a las industrias de la minería, ya sea para la exploración, la optimización de los procesos, la solución de problemas, la evaluación de los yacimientos mineros o para garantizar la protección del medio ambiente.

Los radiotrazadores y medidores nucleónicos se están aplicando cada vez más por las industrias mineras, metalúrgicas y de procesamiento de minerales para la extracción y exploración eficiente de los recursos naturales.

Haciendo uso de sondas nucleares (dispositivos que miden la radiación ionizante emitida por los materiales radiactivos) es posible determinar la composición química y las características físicas de los suelos. Esto permite conocer si un determinado estrato reúne las condiciones favorables para albergar ciertos minerales o combustibles como el petróleo y el carbón.

Los registros nucleares de pozos con neutrones y rayos gamma, se utilizan en las industrias del petróleo, gas y de Uranio. Estas industrias además están desarrollando e introduciendo nuevos radiotrazadores y medidores nucleónicos.

Los métodos de espectrometría nuclear se han utilizado con éxito durante más de 30 años en el campo y en entornos industriales:

  • mediciones de radiación gamma natural, para la exploración de minerales radiactivos.
  • técnicas como la transmisión de rayos gamma, la retrodispersión de rayos gamma, análisis por activación neutrónica (NAA) y sus variantes (gamma pronta NAA (PGNAA) y retraso gamma NAA (DGNAA)), así como fluorescencia de rayos X (XRF) se utilizan en diversas etapas en las industrias de minería y metalurgia.

6. Industria

En la industria el uso de radioisótopos y radiaciones de diversas formas, ha permitido el desarrollo y mejora de los procesos, las mediciones, la automatización y el control de calidad. Además, son muy numerosas las tipologías de Instalaciones radiactivas que funcionan con base en una fuente radiactiva, usando técnicas de gran precisión.

Los materiales radiactivos se utilizan en la radiografía industrial, ingeniería civil, análisis de materiales, dispositivos de medición, control de procesos en las fábricas y la comprobación de oleoductos y gasoductos en busca de fugas y debilidades. En la actualidad, casi todas las ramas de la industria utilizan radioisótopos y radiaciones de diversas maneras:

  • Se introducen sustancias radiactivas para investigar diversas variables de procesos industriales (caudales, filtraciones, fugas, etc), monitorear la tasa de desgaste del motor y la corrosión de los equipos de procesamiento. Estas sustancias son denominadas “Trazadores”.
  • Radiografías de la estructura interna de las piezas: Se trata de un método no destructivo que permite comprobar la calidad en soldaduras, piezas metálicas o cerámicas, etc, sin dañar o alterar la composición del material. Pueden ser gammagrafías (si se realizan con rayos gamma) o neutrografías (si se realizan con neutrones).
  • Para mejorar la calidad de determinados productos y para la esterilización de productos de “un sólo uso”, se pueden irradiar con fuentes intensas.
  • Reducción de la tasa de dosis radiactiva de los reactores nucleares, con la inyección de radionucleidos.
  • Se utilizan radioisótopos como dispositivos de imagen para inspeccionar las debilidades y los defectos de los productos terminados.
  • La industria ha utilizado radioisótopos para desarrollar indicadores muy sensibles para medir el grosor y la densidad de muchos materiales.

Los medidores que contienen  fuentes radiactivas (generalmente gamma), son de uso generalizado en todas las industrias en las que los niveles de gases, líquidos y sólidos deben comprobarse. Ayudan a:

  • Probar el contenido de humedad de los suelos durante la construcción de carreteras.
  • Medir el espesor de papel y plástico durante la fabricación.
  • Comprobar la altura de fluido cuando se llenan botellas en las fábricas.
  • Detectar explosivos.

Los materiales radiactivos también se utilizan en la industria para:

  • Inspeccionar los defectos de las piezas metálicas y soldaduras.
  • Medir, monitorear y controlar el espesor de la chapa, textiles, servilletas de papel, periódico. plástico, películas fotográficas y otros productos.
  • Calibrar instrumentos.
  • La fabricación de cerámica y cristalería.
  • Generar calor o energía para estaciones meteorológicas remotas, satélites espaciales.

Las industrias que utilizan materiales radiactivos incluyen:

  • La industria del automóvil
  • Fabricantes de aeronaves
  • Las empresas mineras y petroleras
  • Compañías de tuberías
  • Compañías de construcción

7. Arte y Arqueología

 

La aplicación de la tecnología nuclear en el arte ha contribuido mediante nuevas técnicas de restauración y conservación preventiva al patrimonio cultural mundial:

  • Conservación y restauración del patrimonio: Mediante la impregnación con un monómero (molécula pequeña) y su posterior irradiación gamma, es posible reducir la progresiva pérdida de fijación que sufre la obra al estar expuesta al medio ambiente, a la vez que se esterilizan y luego se eliminan los insectos, hongos y demás que dañan y contaminan las obras.
  • Determinación de la antigüedad: La técnica del carbono-14 permite la datación de obras de arte y de piezas arqueológicas e históricas.
  • Determinación del origen de piezas históricas y arqueológicas: Se obtiene información sobre los recursos y técnicas que se usaron en su fabricación, su autenticidad, estado de deterioro y cómo restaurarlo.
  • Autenticidad de las obras de arte, mediante análisis de los elementos microconstituyentes de la materia prima, que varían según el autor y las épocas.

Algunas de las aplicaciones de la  radiactividad en el arte y la conservación del patrimonio son:

  • Análisis de obras pictóricas e instrumentos: Permite detectar si ha habido reparaciones previas, alteraciones, falsificaciones, daño interno por insectos, alteraciones significativos en la composición estructural y aporta información sobre la densidad de los materiales.
  • Conservación de libros antiguos: En situaciones extremas y como último recurso disponible, se usa la radiación gamma para la recuperación, tratamiento, saneamiento y limpieza de libros.
  • Restauración de Esculturas.

8. Medio Ambiente

Además de las aplicaciones de la radiactividad en Hidrología (diríjase a nuestra aplicación de la radiactividad número 3) y en agricultura y alimentación (diríjase a nuestra aplicación de la radiactividad número 4), los isótopos radiactivos son muy útiles para la reducción de la contaminación ambiental, para la evaluación del cambio climático, en el análisis del estado de conservación de la naturaleza y en todo tipo de investigaciones relacionadas.

Los radioisótopos son utilizados como trazadores ambientales que permiten detectar y analizar los contaminantes. En las iniciativas de reducción de la contaminación, son usados para identificar:

  • las cantidades de las sustancias contaminantes y los lugares en que se presentan
  • las causas de la contaminación

Las técnicas nucleares como el Análisis por Activación Neutrónica y difracción de rayos X han contribuido en la solución de problemas de contaminación, como los causados por el dióxido de azufre, las descargas gaseosas a nivel del suelo, en derrames de petróleo, en desechos agrícolas, en contaminación de aguas y en la contaminación generada por las ciudades.

Las aplicaciones y tecnologías nucleares son herramientas que se utilizan para entender el cambio climático; también permiten que los países generen las medidas adecuadas de adaptación a las consecuencias de dicho cambio. Con respecto a las medidas de adaptación, han contribuido en:

  • mejorar el control de las inundaciones
  • desarrollar nuevas técnicas de riego en regiones cada vez más áridas
  • generar nuevas tecnologías para medir el impacto del cambio climático

9. Exploración Espacial

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La utilización de fuentes radiactivas y radiaciones ionizantes ha contribuido al desarrollo de la actual tecnología espacial.

Los radioisótopos han sido una importante fuente de energía en el espacio desde 1961.  Los reactores nucleares también han contribuido en los viajes espaciales, se han usado para la propulsión de los cohetes espaciales.

La gran cantidad de energía que emiten los radioisótopos, es transformada para generar corriente eléctrica que alimenta de energía eléctrica a: los instrumentos de las naves de exploración espacial y satélites; los equipos robóticos de misiones no tripuladas a planetas exteriores del sistema solar; los equipos eléctricos y electrónicos de medida y transmisión de datos a la tierra.

Las baterías eléctricas funcionan gracias a pequeñas fuentes radioactivas con plutonio 238, cobalto 60 o estroncio 90. Son de tamaño muy reducido y pueden funcionar sin ninguna operación de mantenimiento durante años.

La fuentes de energía de fisión nuclear para los viajes espaciales ha sido usada principalmente por Rusia, sin embargo, tanto Rusia como Estados Unidos están desarrollando nuevos y más poderosos diseños. La energía nuclear se ha usado como sustituta de los cohetes químicos en las últimas fases de lanzamiento de los cohetes espaciales.

El calor de desintegración del plutonio-238 ha impulsado muchos vehículos espaciales y ha contribuido al éxito de las misiones espaciales. Entre los vehículos espaciales se encuentran Apolo, Pioneer, Vikingo, Voyager, Galileo, Cassini, Rover Curiosity (el laboratorio científico de Marte) y entre las misiones espaciales están Rosetta con su sonda Philae y New Horizonts.

10. Cosmología

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El análisis de la abundancia relativa de determinados radioisótopos de origen natural es de vital importancia en la determinación de la edad de las rocas y otros materiales que son de interés para los geólogos, antropólogos y arqueólogos.

La semidesintegración de los isótopos y métodos y técnicas de análisis de radiaciones están permitiendo saber las edades de las estrellas, la datación de las rocas ígneas, de rocas más jóvenes y de objetos de origen humano, los cuales pueden ayudar a describir la historia humana de hace unos 60000 años.

Su aplicación en el campo de la investigación geológica en especial en lo relativo a técnicas geofísicas de medición de numerosos parámetros en sondeos, sísmica, dataciones de tiempo absoluto de rocas, investigación de aguas, hidrocarburos y otras muchas técnicas de comunicación de datos y análisis a distancia, ha hecho que la ciencia geológica diese un gran adelanto con la aparición de estas técnicas nucleares pudiéndose afirmar que el conocimiento hoy geológico del planeta no sería lo mismo.