El uso de la energía nucleoeléctrica en aplicaciones no eléctricas
La energía nuclear genera en torno al 10 % de la electricidad mundial y, después de la energía hidroeléctrica, es la segunda mayor fuente mundial de electricidad con bajas emisiones de carbono, según la Agencia Internacional de Energía (AIE). La energía nuclear se puede utilizar también para descarbonizar las aplicaciones no eléctricas.
¿Qué son las aplicaciones no eléctricas?
Más allá de la generación de electricidad, hay muchas aplicaciones que se pueden servir de la energía nucleoeléctrica. Por ejemplo las que necesitan calor, como la desalación de agua de mar, la producción de hidrógeno, la calefacción urbana y el calor para uso industrial (fabricación de vidrio y de cemento, producción metalúrgica), el refinado y la producción de gas de síntesis. Conforme la comunidad mundial se esfuerza por alcanzar los objetivos climáticos, ampliar el papel de la energía nuclear en estas aplicaciones podría ser clave para una transición exitosa hacia una energía limpia.
¿De qué manera la energía nuclear puede reemplazar al carbón en la transición a una energía limpia?
El calor producido por las centrales nucleares se utiliza para crear vapor, que impulsa las turbinas generadoras de electricidad. Las instalaciones nucleares actuales alcanzan temperaturas de funcionamiento que rondan los 300 ºC, mientras que los procesos de calefacción urbana y desalación de agua de mar necesitan unos 150 ºC. Tal y como están diseñadas, las centrales nucleares convierten actualmente en electricidad un tercio del calor producido, por razones tecnológicas principalmente relacionadas con el rendimiento y las propiedades de los materiales. El calor restante se suele liberar al medio ambiente.
En su lugar, ese calor se podría emplear con fines de calefacción o refrigeración, o como fuente de energía para producir agua dulce, hidrógeno u otros productos, como petróleo o combustible sintético, que las actuales centrales nucleares podrían producir en un proceso conocido como cogeneración.
La cogeneración nuclear es la producción simultánea de electricidad y calor o un producto derivado del calor. Cuando el calor se utiliza para la cogeneración, la eficiencia térmica puede mejorar hasta un 80 %.
Energía nucleoeléctrica y producción de hidrógeno
El hidrógeno puede reemplazar a los combustibles fósiles en numerosos sectores y permitir así unas posibles emisiones cero o casi cero en procesos químicos e industriales, en sistemas de energía limpia y en el transporte. Actualmente, el hidrógeno se produce mediante reformado de metano con vapor, un proceso con alto consumo energético que emite unos 830 millones de toneladas de CO2 al año, el equivalente a la suma de las emisiones de CO2 del Reino Unido e Indonesia, según la AIE. Hay varios métodos que permiten utilizar la energía nuclear, como fuente de electricidad y calor, para producir hidrógeno de manera eficiente y con unas emisiones de CO2 escasas o nulas.
Energía nucleoeléctrica y calefacción urbana
La calefacción urbana depende de una planta energética centralizada para distribuir el calor hasta los edificios residenciales y comerciales. En la calefacción urbana mediante energía nuclear, el vapor producido por una central nuclear sirve para calentar redes de calefacción regionales. Esta práctica se ha puesto en marcha en diversos países: Bulgaria, China, Eslovaquia, Hungría, República Checa, Rumania, Rusia, Suiza y Ucrania.
Akademik Lomonosov, la primera central nuclear flotante del mundo que comenzó a explotarse comercialmente en mayo de 2020, abastece calor a la región de Chukotka, en el extremo más nororiental de Rusia. Desde 1983, la central nuclear de Beznau, en Suiza, proporciona calor a municipios, así como a consumidores privados y del sector industrial y agrícola, que en total suman unas 20 000 personas. La principal red de calefacción se extiende a lo largo de 31 km y, desde ella, el calor se transfiere a redes secundarias con una longitud total de 99 km.
En China se está ampliando el proyecto de calefacción mediante energía nuclear de Haiyang. La red de calefacción que utiliza el vapor de los dos reactores de Haiyang comenzó a funcionar al final de 2020, y se prevé que la primera fase del proyecto evite el uso de 23 200 toneladas de carbón por año y la emisión de 60 000 toneladas de CO2. Este proyecto es un ejemplo de cómo la energía nuclear puede desempeñar un papel en la descarbonización de la calefacción residencial, así como del valor añadido de explotar una central nuclear en modalidad de cogeneración. De aquí a finales de 2021, proporcionará calor a toda la ciudad costera de Haiyang, situada en la provincia de Shandong y con una población aproximada de 670 000 habitantes.
Energía nucleoeléctrica y desalación
La desalación de agua de mar puede ayudar a satisfacer la creciente demanda de agua potable y aliviar al mismo tiempo la escasez de agua en muchas zonas costeras áridas o semiáridas. Las plantas de desalación precisan energía en forma de calor para la destilación o energía eléctrica/mecánica que impulse las bombas para la presurización de agua de mar en todas las membranas, a fin de separar la sal de las aguas salinas. Actualmente, la mayor parte de esta energía proviene de combustibles fósiles. La desalación nuclear es una alternativa con bajas emisiones de carbono que utiliza el calor y la electricidad de un reactor nuclear. Las técnicas de desalación pueden sumarse a distintos tipos de centrales nucleares para producir simultáneamente agua y electricidad.
La viabilidad de las plantas integradas de desalación nuclear ha quedado demostrada con la experiencia de más de 150 años-reactor, sobre todo en la India, el Japón y Kazajstán. El reactor nuclear de Aktau, situado a orillas del mar Caspio en Kazajstán, produjo hasta 135 MW(e) de electricidad y 80 000 m3/día de agua potable durante 27 años, hasta que entró en régimen de parada en 1999. En el Japón, varias instalaciones de desalación vinculadas a reactores nucleares producen unos 14 000 m3/día de agua potable. En 2002, se estableció en la central nuclear de Madras, en la India sudoriental, una planta de demostración acoplada a reactores nucleares de potencia gemelos de 170 MW(e). Se trata de la mayor planta de desalación nuclear basada en una tecnología híbrida (térmica y osmótica) que utiliza agua marina y vapor de baja presión de una central nuclear [1].
Iniciativas relacionadas con aplicaciones no eléctricas
Aunque hoy en día se utiliza solo un 1 %, aproximadamente, de la energía nuclear para aplicaciones no eléctricas, hay iniciativas por todo el mundo desde el Reino Unido y Francia hasta Rusia, el Japón y otros países destinadas a allanar el camino para que el nivel de adopción sea mayor. Esto incluye la iniciativa H2-@-Scale, puesta en marcha por los Estados Unidos en 2016, que examina las perspectivas de la producción de hidrógeno mediante energía nucleoeléctrica. En el Canadá, los Laboratorios Nucleares Canadienses (LNC) tienen previsto poner en marcha el Parque de Demostración, Innovación e Investigación sobre Energía Limpia (CEDIR), que servirá como emplazamiento para someter a prueba aplicaciones de cogeneración mediante reactores modulares pequeños (SMR).
En China está previsto que a finales de 2021 comience a funcionar un SMR de alta temperatura refrigerado por gas. Ese reactor está diseñado para apoyar la generación de electricidad, la cogeneración, el calor industrial y la producción de hidrógeno. En julio de 2021, el Japón puso nuevamente en marcha su reactor experimental de alta temperatura (HTTR). El calor producido por el HTTR tiene aplicaciones en la generación de electricidad, la desalación de agua de mar y la producción de hidrógeno mediante un proceso termoquímico.
En el rango comprendido entre 250 ºC y 550 ºC, más de 100 gigavatios térmicos (GW(t)) corresponden al mercado de calefacción europeo, y la energía nuclear tiene la oportunidad de abastecerlo. Polonia depende al 100 % de combustible fósil para la producción de calor. Sin embargo, en su estrategia nacional de desarrollo figura el despliegue de un programa nuclear para la producción de calor.
Sin embargo, existen otras muchas aplicaciones de las radiaciones nucleares en otros campos, como: agricultura, 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 conservación, de forma que al exponer los alimentos a una dosis de radiación 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 producir en el mismo hospital pues su vida media es muy corta, pero la mayoría se producen en centros nucleares o laboratorios nucleares 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 señales 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
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 determinación de la edad en formaciones geológicas y arqueológicas, se utiliza la técnica del carbono-14, que consiste en determinar la cantidad de dichos 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 electricidad 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 generar 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 radioisótopo 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 químicas, 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 la 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 radioisótopos. Uno de ellos se basa en la desintegración del potasio a argón. La parte más importante de la 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) [2].
[1] htpps://www.iaea.org/es/ El uso de la energía nucleoeléctrica más allá de la generación de electricidad: las aplicaciones no eléctricas | OIEA (iaea.org)
[2] https://www.foronuclear.org/actualidad/a-fondo/cuantas-aplicaciones-tiene-la-tecnologia-nuclear/
