Desde el descubrimiento de la tecnología nuclear, muchas han sido y siguen siendo sus posibles aplicaciones. Entre ellas, la más conocida es la producción de electricidad. Sin embargo, existen otras muchas aplicaciones en otros campos, muchas veces desconocidas para el público: industria, hidrología, agricultura y alimentación, medicina, arte, aplicaciones científicas, exploración espacial y cosmología.
Las diversas aplicaciones de la energía nuclear son fundamentales en la vida cotidiana. Además, en el futuro, serán más importantes gracias a las investigaciones que aumentan sus posibilidades de aplicación y justifican su utilización.
Industria
La utilización de los isótopos y radiaciones en la industria moderna es de gran importancia para el desarrollo y mejora de los procesos, para las mediciones, la automatización y el control de calidad. En la actualidad, casi todas las ramas de la industria utilizan radioisótopos y radiaciones de diversas formas:
- Trazadores: Sustancias radiactivas que se introducen en un determinado proceso industrial, para luego detectar la trayectoria de los mismos gracias a su emisión radiactiva. Esto permite investigar diversas variables del proceso (caudales, filtraciones, fugas, etc), de forma que se obtiene información para prolongar la vida de los equipos industriales.
- Radiografías de la estructura interna de las piezas: Es una aplicación de control de calidad. Se realizan con rayos gamma o neutrones por lo que reciben el nombre de gammagrafías o neutrografías, respectivamente. Se trata de un método no destructivo que permite comprobar la calidad en soldaduras, piezas metálicas o cerámicas, etc, sin dañar o altera la composición del material.
- Mejorar la calidad de determinados productos: Consiste en irradiar con fuentes intensas para mejorar la calidad de determinados productos. Ejemplo: Polimerización por radiación se utiliza para la fabricación de plásticos y para la esterilización de productos de "un sólo uso".
- Inyección de cinc (Zn-64) en el refrigerante de los reactores nucleares: Reduce la tasa de dosis radiactiva y en muchos casos mitiga la iniciación del agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Hidrología
Del total de los recursos hídricos de la Tierra, sólo el 2,5% es agua dulce, el resto es salada. La clave para la gestión sostenible de los recursos hídricos consiste en poseer los conocimientos necesarios para tomar las decisiones apropiadas.
La hidrología isotópica es una técnica nuclear que se utiliza tanto isótopos estables como radiactivos para seguir los movimientos del agua en el ciclo hidrológico. Los isótopos pueden utilizarse para investigar las fuentes de agua subterráneas y determinar su origen, su forma de recarga, si existe riesgo de intrusión o contaminación por agua salada y si es posible utilizarlas de manera sostenible.
Tanto el hidrógeno como el oxígeno, que son los elementos constitutivos del agua, contienen principalmente isótopos ligeros. En las fases de evaporación y condensación, la concentración de isótopos de oxígeno e hidrógeno en una molécula de agua sufren pequeños cambios. En los océanos es donde se genera la mayor parte del vapor de agua en la atmósfera, por lo que cuando se produce, los isótopos más pesados se condensan primero y caen en forma de lluvia antes que los más ligeros. Por consiguiente, mientras más alejada de la costa sea la precipitación, menor será la cantidad de isótopos pesados que contenga. Los isótopos de oxígeno e hidrógeno, los isótopos contaminantes, como trazas metálicas o compuestos químicos, son tan singulares como una huella dactilar por lo que ofrecen pistas sobre sus orígenes.
Minería
A través de la utilización de sondas nucleares se puede determinar la física y la química de los suelos, lo que permite conocer si un estrato reúne las condiciones favorables para albergar minerales o combustibles. La diagrafía de pozos de sondeo y la datación isotópica son algunas de sus aplicaciones.
Agricultura y alimentación
- Mejorar la calidad de los alimentos: Como por ejemplo, la irradiación directa de los alimentos para reducir las pérdidas posteriores a la recolección y aumentar su periodo de consrvación, de forma que al exponer los alimentos a una dosis de radiacción gamma predeterminada y controlada aprovechando la energía de las radiaciones para la eliminación de insectos, gérmenes patógenos y retrasa la maduración de frutas. Esta técnica, aceptada y recomendada por FAO, OMS y OIEA, consume menos energía que los métodos convencionales y puede reemplazar o reducir radicalmente el uso de aditivos y fumigantes en alimentos. A los alimentos irradiados también se les conoce como alimentos ionizados o tratados con radiación ionizante y no se han de confundir con los alimentos radiactivos, pues no emiten radiactividad.
- Control de plagas: La técnica es la esterilización de insectos (considerados una plaga) criados en ciertas instalaciones, mediante la irradiación antes de la incubación y la posterior diseminación de estos insectos estériles en zonas infectadas. Al no producir descendencia, la población de la plaga va reduciéndose hasta llegar a la erradicación.
- Sondas neutrónicas: Se utilizan para medir la humedad y son ideales para el máximo aprovechamiento de recursos hídricos que son limitados. En algunos casos se ha podido ahorrar hasta un 40% de agua.
Medicina
Las técnicas en medicina nuclear son quizá, junto con la producción de energía nuclear, las más conocidas y ampliamente aceptadas. En el mundo occidental industrializado, las técnicas de diagnóstico y tratamiento se han vuelto tan corrientes, fiables y precisas que aproximadamente uno de cada tres pacientes es sometido a alguna forma de procedimiento radiológico terapéutico o de diagnóstico.
- Radiofármacos: Compuesto químico, en su mayoría orgánicos, radiactivo que se administra al paciente para investigar en el cuerpo humano un proceso biológico o el funcionamiento de un órgano. Actualmente, se usan más de 300 radiofármacos diferentes para el diagnóstico. Algunos se deben producri en el mismo hospital pues su vida media es muy corta, pero la mayoría se producen en centros nucleares o laboratorios nucleres específicos.
- Gammagrafía: Una vez administrado al paciente el radiofármaco, por su especial afinidad, se fija en el órgano que se desea estudiar, emitiendo radiación gamma que es detectada por un equipo denominado gammacámara cuyo detector se sitúa sobre el órgano a explorar. Estas señaes son transformadas pro medio de un ordenador adjunto al equipo, lo que permite la representación espacial del órgano. El diagnóstico por imágenes nucleares permite obtener información única sobre el funcionamiento de diversos órganos como el corazón, la tiroides, los riñones, el hígado y el cerebro y también permite diagnosticar un amplio rango de tumores.
- Radioterapia: Es la especialidad médica que utiliza la aplicación de radiaciones ionizantes con fines curativos para la destrucción de tejidos malignos y tumores. Esta terapia puede utilizarse sola o asociada a otros medios terapéuticos como la cirugía o la quimioterapia. Ejemplo: Cobaltoterapia, es la forma de terapia que usa fuentes de Cobalto-60.
- Diagnóstico mediante radioisótopos: Se utilizan radioisótopos, como por ejemplo, Carbono-11, Circonio-89 y Flúor-18 para el escaneo PET, Cripton-81m para obtener imágenes de funcionamiento del pulmón, Estroncio-89 para la terapia contra el cáncer óseo, yodo-131 para la terapia contra el cáncer de tiroides, etc.
- Esterilización de equipos médicos: Mediante la irradiación de los mismos. Es un proceso altamente eficaz y de bajo coste.
- Conocimiento de procesos biológicos mediante trazadores: La información proporcionada por las moléculas marcadas en las distintas etapas del ciclo celular y el auxilio prestado por las técnicas de separación analítica han hecho que se puedan determinar pequeñísimas concentraciones de enzimas, hormonas, drogas, venenos, etc, mediante la técnica de radioinmunoanálisis (RIA), que hace uso de la especificidad de las reacciones antígeno-anticuerpo.
- Estudio de los caracteres de las células tumorales, su localización y extensión tumoral: Permite planificar el tipo de irradiación, el cálculo de la dosis total, la forma de administración y su posible fraccionamiento con intervalos de descanso para facilitar la reducción progresiva del tumor, favoreciendo así la eliminación de células muertas y permitiendo la mejor reparación de los tejidos circundantes.
Arte
Como ejemplos de la aplicación de la tecnología nuclear al arte tenemos:
- Conservación del patrimonio: El problema que presenta una obra artística en deterioro es doble, por un lado, la progresiva pérdida de fijación que sufre la obra al estar expuesta al medio ambiente y, por otro, la contaminación con insectos xilófagos (se alimentan de madera), hongos, etc. Mediante la impregnación con un monómero (molécula pequeña) y su posterior irradiación gamma, es posible producir la consolidación de la pieza por polimerización (agrupación química de compuestos), a la vez que se eliminan los insectos contaminantes de la obra por esterilización.
- Determinación de la antigüedad: Para la datación de obras de arte, de igual manera que para la determianción de la edad en formaciones geológicas y arqueológicas, se utiliza la técnica del carbono-14, que consiste en determinar la cantidad de dicho isótopos contenida en un cuerpo orgánico. La radiactividad existente, debida a la presencia de carbono-14, disminuye a la mitad cada 5.730 años, por lo que, al medir con precisión su actividad (y su cantidad), se puede inferir la edad de la muestra.
- Autenticidad de las obras de arte: Mediante análisis no destructivos puede obtenerse información sobre "huellas digitales" de las obras, esto es, elementos microconstituyentes de la materia prima que varían según el autor y las épocas.
Medio Ambiente
Se utiliza para la detección y el análisis de diversos contaminantes. Una de las técnicas más conocidas recibe el nombre de Análisis por Activación Neutrónica y consiste en la irradiación de una muestra de tal forma que, a posteriori, se obtienen los espectros gamma que ella emite. El procesamiento con ayuda computacional de esta información permite identificar los elementos presentes en la muestra y la concentración de los mismos.
Técnicas nucleares se han aplicado con éxito a diversos 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.
Exploración Espacial
Una de las principales aplicaciones es la navegación espacial en la que se utiliza pilas nucleares. Consiste en que los generadores isotópicos de electicidad son instrumentos que contienen un radionucleaido encapsulado herméticamente cuyas radiaciones son absorbidas en las paredes de la cápsula. Ésta es el equivalente a una fuente de calor, ya que la cápsula transforma la energía de las radiaciones. A esta fuente se acopla un circuito eléctrico para genrar una corriente eléctrica que alimenta los instrumentos. La fuente será de larga duración si el periodo de semidesintegración del radioisótopo es largo.
Los viajes no tripulados a planetas exteriores del sistema solar de la Tierra se han realizado mediante misiones provistas de equipos robóticos alimentados con la electricidad producida por el radisótopo plutonio-238 que tiene un período de semidesintegración de 87,74 años y que no es fisionable como otros isótopos del plutonio por lo que sólo se puede obtener del combustible irradiado de uranio.
La Agencia Espacial Europea estudia la sustitución del plutonio-238 por otro isótopo que genere electricidad para atender las necesidades de los equipos eléctricos y electrónicos de medida y transmisión de datos a la Tierra. Uno de los isótopos considerados es el americio-241, empleado comúnmente en los detectores contra incendios, también emisor alfa cuyo calor de desintegración es semejante al del plutonio-238, pero que tiene un período de semidesintegración de 432,2 años, por lo que podrá utilizarse para misiones más largas, aunque se requerirá una mayor cantidad para conseguir la misma energía.
Cosmología
La cosmología moderna abraza desde el comienzo de la formación de las rocas hasta la época actual. Las medidas actuales de las edades de las estrellas se basan en sus masas, composiciones químcias, temperaturas y su comparación de cómo varían con el tiempo según el tipo particular de estrella.
En el caso de las rocas el método más seguido de datación es el basado en al comparación uranio-plomo. Los zircones son silicatos que se presentan en rocas ígneas que a veces incorporan pequeñas cantidades de uranio en sus estructuras cristalinas. Este uranio contiene uranio-238 (periodo 4.500 millones de años) y uranio-235 (periodo 704 millones de años). Ambos decaen hasta una forma estable de plomo.
Para rocas más jóvenes y objetos de origen humano, se emplean otros radisótopos. Uno de ellos se basa en la desintegración del potasio a argón. La parte más importante de las historia humana, unos 60.000 años, está escrita en los isótopos de carbono, el carbono-12 estable y el carbono-14 (periodo 5.730 años).Aunque la tecnología nuclear se utiliza principalmente para la producción de energía eléctrica en las centrales nucleares ésta no es la única utilidad que se le puede dar.
Este tipo de energía aparece en muchos otros aspectos de nuestra vida cotidiana y en el campo científico.
Trabajando con diferentes isótopos de un mismo elemento, se puede utilizar la tecnología nuclear para otras aplicaciones en diversos campos:
Aplicaciones industriales de la tecnología nuclear
La tecnología nuclear adquiere una gran importancia en el sector industrial concretamente se utiliza en el desarrollo y mejora de los procesos, para las mediciones, la automatización y el control de calidad.
Se utiliza como requisito previo para la completa automatización de las líneas de producción de alta velocidad, y se aplica a la investigación de procesos, la mezcla, el mantenimiento y el estudio del desgaste y corrosión de instalaciones y maquinaria.
La tecnología nuclear también se utiliza en la fabricación de plásticos y en la esterilización de productos de un solo uso.
Aplicaciones médicas de la tecnología nuclear
Uno de cada tres pacientes que acuden a un hospital en un país industrializado, recibe los beneficios de algún tipo de procedimiento de medicina nuclear. Se emplean radiofármacos, técnicas como la radioterapia para el tratamiento de tumores malignos, la tele terapia para el tratamiento oncológico o la biología radiológica que permite esterilizar productos médicos.
Aplicaciones en agricultura de la tecnología nuclear
La aplicación de los isótopos a la agricultura ha permitido aumentar la producción agrícola de los países menos desarrollados.
La tecnología nuclear resulta de gran utilidad en el control de plagas de insectos, en el máximo aprovechamiento de los recursos hídricos, en la mejora de las variedades de cultivo o en el establecimiento de las condiciones necesarias para optimizar la eficacia de los fertilizantes y el agua.
Aplicación de la tecnología nuclear a la alimentación
En cuanto a la alimentación, las técnicas nucleares juegan un papel fundamental en la conservación de alimentos.
La aplicación de los isótopos permite aumentar considerablemente la conservación de los alimentos. En la actualidad, más de 35 países permiten la irradiación de algunos alimentos.
Aplicaciones medioambientales de la tecnología nuclear
La aplicación de isótopos permite determinar las cantidades exactas de las sustancias contaminantes y lugares en que se presentan así como sus causas. Además, el tratamiento con haces de electrones permite reducir las consecuencias medioambientales y sanitarias del empleo a gran escala de combustibles fósiles, y contribuye de manera más efectiva que otras técnicas a resolver problemas como “el efecto invernadero” y la lluvia ácida.
Otras aplicaciones de la tecnología nuclear
Como la datación, que emplea las propiedades de fijación del carbono-14 a los huesos, maderas o residuos orgánicos, determinando su edad cronológica, y los usos en Geofísica y Geoquímica, que aprovechan la existencia de materiales radiactivos naturales para la fijación de las fechas de los depósitos de rocas, carbón o petróleo.
Otras aplicaciones de la tecnología nuclear se producen en disciplinas como la hidrología, la minería o la industria espacial.