Técnicas nucleares para el desarrollo de materiales avanzados. Celina Horak, Jefa, Sección de Productos Radioisotópicos y Tecnología de la Radiación, OIEA. Difunde Cuerpo Socorro Argentino "Tcnl D José María Rojas Argerich"
Desde
el uso de nanocompuestos enriquecidos con aceites esenciales para el envasado
activo de alimentos hasta el injerto de polímeros superabsorbentes mediante
radiación, los materiales avanzados en cuyo procesamiento interviene la
radiación desempeñan una función cada vez más importante en la reducción de los
desechos alimentarios, el perfeccionamiento del rendimiento agrícola y la
mejora de la asistencia médica, entre muchas otras aplicaciones.
Además de ser livianos y de fácil fabricación, los materiales
avanzados modificados mediante técnicas nucleares ofrecen mejor rendimiento y
mayor durabilidad. Las tecnologías de la radiación, entre ellas, los
aceleradores, han consolidado su lugar, y contribuyen al desarrollo sostenible
gracias a sus tantas aplicaciones.
Los materiales de alto rendimiento producidos mediante radiación se encuentran por doquier y en todo tipo de productos. Los podemos encontrar en objetos cotidianos que ahora son más resistentes y seguros, y algunos de estos materiales incluso contribuyen a que podamos tener un estilo de vida más sostenible.
Usos de los materiales avanzados
Hay
varios procesos asistidos por radiación que ya cuentan con una aplicación
consolidada en la industria, ya sea para crear materiales avanzados o mejorar
la producción de materiales de alto rendimiento. Ejemplo de ello son los
plásticos o los cauchos, que mejoran sus prestaciones al exponerlos a la
radiación; eso permite fabricar tubos de plástico resistentes al calor y a la
presión que se utilizarán en los sistemas de circulación de agua y de líquidos
térmicos de los edificios.
“Los
materiales de alto rendimiento producidos mediante radiación se encuentran por
doquier y en todo tipo de productos”, dice la Sra. Celina Horak, Jefa de la
Sección de Productos Radioisotópicos y Tecnología de la Radiación del OIEA.
“Los podemos encontrar en objetos cotidianos que ahora son más resistentes y
seguros, y algunos de esos materiales incluso permiten que podamos tener un
estilo de vida más sostenible”.
También se aplican tratamientos con radiaciones para secar o
endurecer pinturas, tintas y revestimientos sin disolventes, y para mejorar la
robustez, la resistencia a la temperatura y la impermeabilidad de materiales de
embalaje de origen biológico y biodegradables. En varios países, se están
utilizando cerámicas porosas con nanopartículas de plata generadas in
situ para purificar el agua en comunidades rurales.
Los beneficios de los materiales avanzados en
el contexto del cambio climático
Satisfacer
la creciente demanda de energía a la vez que se aborda el cambio climático
requiere seguir avanzando en la producción, el almacenamiento y el reciclado de
energía renovable. “Las tecnologías de la radiación son particularmente
adecuadas para la fabricación de membranas específicas y de los materiales
compuestos a granel que se utilizarán en la tecnología de pila de combustible,
lo que tiene como objetivo producir energía renovable de una forma más
eficiente”, dice el Sr. Xavier Coqueret, profesor de la Universidad de
Reims Champagne-Ardenne. Indica, además, que el pretratamiento mediante
radiación puede utilizarse para mejorar la biomasa lignocelulósica o para la
conversión de la energía de la luz solar con paneles fotovoltaicos avanzados.
Abordar la carga global de los residuos plásticos, otra cuestión
ambiental, requiere, según comenta el Sr. Coqueret, métodos eficientes de
reciclado mediante radiación que permiten diseñar plásticos avanzados y productos
de materiales compuestos que, con otros métodos convencionales, no serían
reutilizables.
El efecto de la radiación en los materiales
avanzados
Los
materiales resistentes, sólidos y duraderos son vitales en la industria en
general, pero son especialmente importantes en el sector nuclear, donde la
seguridad tecnológica de los reactores y la viabilidad de las operaciones del
ciclo del combustible nuclear dependen de los materiales utilizados. En el caso
de los materiales de los reactores nucleares, los dos mayores desafíos son el
calor, del que se ocupan los sistemas de refrigeración, y la radiación.
“Los
materiales estructurales que se utilizan dentro de los reactores nucleares
están expuestos a daños causados por los neutrones rápidos que desplazan a los
átomos y crean hidrógeno o helio en estado gaseoso. En última instancia, esto
podría causar dilatación, crear vacíos y dar lugar a otros varios cambios
estructurales y mecánicos que limitan la vida útil final del servicio”, dice el
Sr. Ian Swainson, físico nuclear del OIEA. “Es vital, por lo tanto,
someter a los materiales a pruebas de radiación, y los aceleradores pueden
ampliar la disponibilidad de estas pruebas”.
Las
partículas cargadas pierden la mayoría de su energía hacia el final de su
recorrido por los materiales, lo que causa un daño importante, aunque
localizado. Por esta razón, los investigadores tienen previsto evaluar
materiales que puedan utilizarse en futuros reactores nucleares mediante
partículas cargadas en aceleradores de haces de iones.
“Poner
los materiales a prueba con un acelerador es más rápido que con un reactor”,
dice el Sr. Swainson, quien explica que lo que con un reactor de pruebas
de alto flujo llevaría un año podría hacerse en un día con un acelerador. Por
lo general, las muestras no adquieren radioactividad, y las zonas afectadas se
pueden seccionar y examinar detenidamente con técnicas de microscopia.
En
2016, el Sr. Swainson ayudó a organizar un proyecto coordinado de
investigación del OIEA de 5 años de duración en el que se distribuyeron
muestras de un mismo material a instalaciones con múltiples aceleradores para
que las irradiasen en condiciones idénticas, y también se remitieron al reactor
de investigación rápido BOR-60 de la Federación de Rusia para comparar los resultados.
El análisis tras la irradiación contribuirá a mejorar la reproducibilidad entre
las instalaciones de aceleradores de distintos emplazamientos y aportará
información sobre la eficiencia con la que los aceleradores permiten descartar
los materiales de bajo rendimiento.
En agosto de 2022, el OIEA celebrará la Segunda Conferencia Internacional sobre las Aplicaciones de la Ciencia y la Tecnología de la Radiación (ICARST-2022), cuyo objetivo es explorar estas cuestiones y destacar las aplicaciones y los progresos en materia de radiación ionizante. Entre otros temas, la Conferencia centrará la atención en los avances y las limitaciones tecnológicas y económicas existentes en esferas específicas de los materiales avanzados, y contribuirá a examinar los logros alcanzados en los procesos de radiación de uso consolidado para la mejora del rendimiento de los materiales.
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