Técnicas nucleares para el desarrollo de materiales avanzados

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 desempe?an 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.

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.

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 dise?ar plásticos avanzados y productos de materiales compuestos que, con otros métodos convencionales, no serían reutilizables.

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 da?os 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 da?o 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 a?o 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 a?os 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.