Usos y aplicaciones

2. Las radiaciones ionizantes en medicina

    2.1 Introducción

    2.2 Diagnóstico 
    2.3 Radioterapia

3. Aplicaciones de los radisótopos en la industria 
    3.1 Aplicaciones basadas en la acción de la materia sobre la radiación

    3.2 Aplicaciones basadas en la acción de la radiación sobre la materia

    3.3 Aplicaciones basadas en el empleo como trazadores
4. Aplicaciones de los radisótopos en la agricultura 
    4.1 Fertilidad del suelo, irrigación y productos agrícolas 
    4.2 Mutación inducida 
    4.3 Lucha contra los insectos 
    4.4 Zootecnia

    4.5 Conservación de alimentos
5 Aplicaciones de los radisótopos en investigación
6 La fabricación de los elementos combustibles: primera parte del ciclo del combustible nuclear 
    6.1 Combustibles nucleares 
    6.2 Ciclo del combustible nuclear

    6.3 Minerales de uranio. Prospección y minería

    6.4 Yacimientos y recursos mundiales de uranio

    6.5 Concepto de concentrado de uranio. Fabricación en España

    6.6 Importancia del uranio enriquecido

    6.7 Métodos de enriquecimiento isotópico

    6.8 Suministro de enriquecimiento isotópico

    6.9 Fabricación de elementos combustibles

7 Centrales nucleoeléctricas

    7.1 La fisión nuclear 
    7.2 La reacción en cadena 
    7.3 Centrales nucleares 
    7.4 Fusión nuclear
8 Instalaciones nucleares y radiactivas en España

1. Fabricación de radionucleidos

Muchos de los radisótopos empleados en aplicaciones industriales y médicas se producen, por bombardeo neutrónico, en reactores nucleares. Con tal fin, se introduce una cantidad de material radiactivo en el núcleo del reactor, donde existe una gran cantidad de neutrones libres, y mediante una reacción nuclear de captura neutrónica se producen los isótopos radiactivos del material irradiado. Así por ejemplo, si se introduce cobalto natural ( ⁵⁹Co) en el interior de un reactor, tiene lugar la reacción:

obteniéndose el radionucleido ⁶⁰Co, de gran utilización en la industria y en medicina.

Otra fuente de obtención de radionucleidos es en el reproceso del combustible gastado de los reactores nucleares. Este proceso consiste en la disolución química del combustible gastado y la separación del uranio y del plutonio de los productos de fisión, que son radiactivos y pueden ser utilizados en diversas aplicaciones. En el caso del combustible utilizado en las centrales nucleares, todas las operaciones del reproceso han de efectuarse por control remoto, en recintos provistos de blindaje biológico, debido a la elevada radiactividad del combustible gastado. Estas operaciones se efectúan en instalaciones muy complejas y de un alto costo. España no dispone de plantas de reproceso de combustible. Sólo algunos países (Francia, Alemania, Japón, etc.) disponen de estas costosas instalaciones.

Además de los reactores nucleares, también se utilizan, para producir radionucleidos, los aceleradores de partículas. Desde hace varios años, se emplean estos aparatos en la producción de radionucleidos para uso médico. Su introducción se debió al hecho de haber encontrado aplicaciones a unos cuantos radionucleidos cuya utilización presenta ventajas respecto a los productos obtenidos en los reactores. Estas ventajas son un periodo más corto de semidesintegración y una menor energía de la radiación gamma emitida, todo lo cual implica un menor riesgo de irradiación para el paciente y para el personal sanitario que lo ha de aplicar.

No obstante, los radionucleidos producidos actualmente en reactores nucleares siguen dominando el mercado de las aplicaciones médicas y constituyen la única fuente de radionucleidos para uso industrial.

2. Las radiaciones ionizantes en medicina

2.1 Introducción

La aplicación de las radiaciones ionizantes en medicina ha dado lugar a especialidades médicas basadas en la tecnología. Desde su descubrimiento, el crecimiento y desarrollo de las radiaciones ionizantes ha sido paralelo al avance de la medicina. Su extensión ha permitido un mejor conocimiento tanto de la anatomía normal y patológica, como en muchos casos de la fisiología normal y anormal de los seres vivos. La investigación en radiaciones ionizantes no sólo contempla mejorar la tarea cotidiana de interpretar imágenes, diagnosticar y tratar enfermedades, sino también busca nuevos conocimientos en medicina para su propia causa, del mismo modo que también lo hacen otras técnicas no radiológicas.

El uso de las radiaciones ionizantes da lugar a unos efectos biológicos sobre la materia viva. En realidad, de todos los agentes físicos y químicos presentes en nuestro entorno, los efectos de las radiaciones ionizantes son ciertamente los mejor conocidos y los datos sobre los que se basa la evaluación de los mismos se remontan prácticamente a la época de su descubrimiento.

No obstante, se considera que su aplicación en medicina es beneficiosa, aunque si no se opera debidamente, las dosis recibidas son a menudo innecesariamente elevadas, cuando de hecho, pueden reducirse considerablemente sin pérdida alguna de eficacia.

Después de las fuentes de radiación natural, la exposición médica es, la mayor fuente de exposición creada por el hombre.

Para poder valorar posteriormente el impacto que las fuentes de radiaciones ionizantes aplicadas en medicina producen sobre los seres vivos, tanto a nivel individual como colectivo, parece oportuno repasar, aunque sea muy someramente, qué tipo de fuentes se emplean, así como la gama de energías y dosis que se manejan.

La medicina designa la exposición de los individuos sometidos a examen o a tratamientos médicos con ayuda de radiaciones.

• Exámenes o tratamientos (diagnóstico y terapia) directamente relacionados con las enfermedades.

• Investigación médica.

• Exámenes realizados con fines médicos legales o a efectos de seguros.

Se desprende pues, que la mayor aplicación de las radiaciones ionizantes en medicina se encuentra en el campo del diagnóstico. Para ello se emplean fundamentalmente rayos X de baja energía y, en aquellos órganos o estructuras del cuerpo humano donde la imagen obtenida mediante ellos no ha aportado suficiente información se ha recurrido al uso, y cada vez con mayor éxito, de otras fuentes de radiación, como son los radionucleidos.

2.2 Diagnóstico

Radiodiagnóstico

Desde el descubrimiento por Wilhelm Roëntgen, en el año 1895, de los rayos-X hasta nuestros días, la medicina ha llegado a perfeccionar el método de aplicación de estas radiaciones mediante el desarrollo de equipos capaces de obtener imágenes de gran precisión, a la vez que someten al paciente a las dosis mínimas posibles.

Los métodos de grafía y escopia se aplican prácticamente a todas las partes del cuerpo humano. Con ellos son posibles reconocimientos médicos a nivel de esqueleto, tórax, abdomen, sistema nervioso, tubo digestivo, vías biliares, aparato urinario, vasos, corazón, exámenes especiales, etc.

Sin duda, los equipos más extendidos son las unidades básicas de grafía y las exploraciones más realizadas hasta los últimos años han sido las de tórax. Sin embargo, esta práctica está descendiendo notablemente debido, entre otros factores, al descenso de la tuberculosis en nuestra sociedad y a la existencia de mejores métodos para la detección prematura del cáncer de pulmón. Además, aplicando el criterio de que las exposiciones a radiaciones ionizantes deben limitarse a motivos sintomáticos, cada vez menos países incluyen en las exploraciones médicas anuales, este tipo de chequeo.

Merece mención especial la mamografía, técnica que comenzó a utilizarse a partir de los años 50. En la actualidad, gracias a los equipos existentes al efecto (mamógrafos) y los métodos empleados, se considera que dicha exploración es el método más sensible para la detección precoz del cáncer de mama.

También dentro de las técnicas de grafía hay que citar los equipos específicos que se aplican en el campo de la estomatología y de la odontología. Se trata de pequeños generadores de rayos X que operan, según los siguientes procedimientos:

• Radiografía con película intraoral.

• Radiografía panorámica con tubo de rayos X intraoral.

• Pantomografía.

De momento, el mayor hito en la revolución de la tecnología radiológica, se dio en la década de los años 70 con la aparición de la Tomografía Computerizada (CT). La CT obtiene imágenes de secciones de un órgano representando claramente el aspecto del mismo incluidos tejidos blandos. Por tanto, proporciona un rango dinámico más amplio que la radiografía convencional, con una superior discriminación de tejidos. Esta práctica ha sustituido en muchos casos a la cirugía exploratoria. Además, permite estancias más reducidas de los pacientes en lo que respeta a la fase preoperatoria. En diversas localizaciones tumorales se ha convertido en una herramienta indispensable y cada vez es mayor su necesidad en la planificación de tratamientos con radioterapia. 
 

Aplicaciones diagnósticas con radionucleidos

Los radionucleidos son empleados para el estudio de diversas patologías, tumores, metástasis, estudios médicos, etc.

Hoy su aplicación ha dado lugar a una especialidad diferenciada llamada medicina nuclear, que en el campo del diagnóstico, permite:

• El examen funcional preciso de diferentes órganos.

• La visualización rápida y no traumática mediante gammagrafías.

• El estudio dinámico de los fenómenos rápidos (ej. circulación cardíaca, cerebral, etc.)

Pueden utilizarse radionucleidos puros o bien sustancias portadoras muy diversas, –dependiendo del órgano a explorar–, marcadas con radionucleidos. El “marcaje” amplía la gama de posibilidades diagnósticas puesto que la sustancia portadora puede ser de índole muy diversa (proteínas, hormonas, compuestos orgánicos), con lo que se permite estudiar una gran variedad de funciones biológicas.

Actualmente se utilizan emisores gamma de baja energía y de periodos de semidesintegración cortos, lo cual facilita su rápida eliminación. El radionucleido más utilizado es el ^99mTc aunque también se utiliza ⁶⁷Ga, ²⁰¹Tl, ¹³¹I, ¹²⁵I, ¹²³I ¹¹¹In, etc. Estas sustancias se administran vía parenteral o endovenosa.

Para su detección, se emplea un cristal de centelleo, que se acopla a una serie de tubos fotomultiplicadores con el fin de transformar la señal luminosa en eléctrica.

En cuanto a exploraciones “in vitro”, los radionucleidos poseen un amplio campo de aplicaciones clínicas y de investigación. El radioinmunoensayo o radioinmunoanálisis (RIA, como se le tiende a llamar), es un conjunto de técnicas de gran interés en la clínica humana. Permite análisis tanto cualitativos como cuantitativos, así como la detección en sangre de hormonas peptídicas, esteroideas, drogas, antígenos tumorales, etc. Se manejan emisores beta y gamma de baja y media energía, fundamentalmente ¹²⁵I, ³H, ¹⁴C, ³²P, ⁵⁷Co, etc. y cuando se trata de trabajos de investigación, la diversidad de isótopos es mucho mayor.

A diferencia de los usados en las técnicas de diagnóstico “in vitro”, su periodo de semidesintegración es más largo (días e incluso años). Pero, en cualquiera de los casos, las fuentes se presentan abiertas, es decir, en forma no encapsulada, de manera que todo aquello con lo que entra en contacto, es impregnado de partículas radiactivas. El uso de material radiactivo trae consigo la producción inevitable de residuos radiactivos. La tabla 1 muestra los isótopos más empleados en medicina nuclear.

Tabla 1

Principales radionucleidos utilizados en medicina nuclear

(1) Como radionucleido: gammagrafía tiroidea, estudios cerebrales, ... . Como radiofármaco: estudios de hígado y bazo. Detección de hemorragias digestivas,. Estudios óseos, cardíacos, pulmonares, renales, de vasos linfáticos, ...

2.3 Radioterapia

Introducción

Si bien radioterapia significa, etimológicamente, tratamiento con radiaciones en su sentido más amplio, en la realidad se aplica este nombre a una especialidad médica, que se ocupa del tratamiento de determinadas enfermedades, fundamentalmente oncológicas, por medio de radiaciones ionizantes.

Desde las simples aplicaciones de una fuente de radio en la piel, de principios del siglo XX, hasta los sofisticados tratamientos que se realizan ahora, han mediado incesantes e intensas investigaciones médicas, biológicas, físicas y técnicas que permiten conocer con mucha precisión los medios de que se dispone y los resultados que se espera obtener de ellos.

La radioterapia es un procedimiento que compite en igualdad de condiciones con la quimioterapia, la cirugía y la inmunología en el tratamiento de tumores malignos.

Los tumores malignos tienen las características siguientes:

• Son agrupaciones de células, que crecen de forma incontrolada, infiltrando y destruyendo los tejidos sanos donde se insertan.

• Pueden formar metástasis a distancia, es decir, tumores semejantes al primario en zonas alejadas de él, por desplazamiento de células tumorales a través de vía hemática y/o linfática.

• Pueden recidivar después de un tratamiento y la probabilidad de que esto ocurra depende del número de células viables o capaces de proliferar que quedan sin destruir durante el tratamiento.

Las radiaciones ionizantes destruyen las células tumorales pero también pueden destruir las células sanas donde aquéllas se asientan o las circundan. La meta de la radioterapia es llevar la máxima dosis de radiación posible a las células tumorales, con un mínimo de dosis a los tejidos circundantes. Ello requiere un conocimiento amplio de los procesos de interacción de las radiaciones con la materia viva y la respuesta de ésta a las radiaciones ionizantes, y a la vez la posibilidad de barajar distintas técnicas de irradiación, que permitan administrar la dosis con un reparto adecuado en el espacio y en el tiempo.

Clasificación de la radioterapia

Las distintas formas de hacer radioterapia se pueden agrupar de acuerdo a distintos parámetros.

• Por la fuente de radiación empleada.

• Equipos de radiación: terapia de contacto RX, terapia convencional, aceleradores de electrones circulares y lineales, aceleradores de otras partículas y ciclotrones.

• Fuentes radiactivas: terapia superficial ( ⁹⁰Sr), curiterapia ( ²²⁶Ra, ¹⁹²Ir, ¹³⁷Cs), telegammaterapia ( ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co).

• Por la energía de las radiaciones utilizadas: a) baja energía ( RX de menos de 100 kV,  radioterapia superficial o de contacto), b) energía media (desde 100 kV hasta 400 kV, siendo la radioterapia convencional) y c) alta energía ( telegammaterapia de ⁶⁰Co y ¹³⁷Cs, terapia con fotones y electrones procedentes de aceleradores, terapia con haces de partículas de alta transferencia lineal de energía).

• Por la calidad y características de las radiaciones.

  En este apartado se pueden separar dos clases fundamentales, la irradiación con partículas: electrones (e - ), protones (p), neutrones (n) y la irradiación con haces de radiación electromagnética: fotones, gamma o rayos X.

• Por la distancia entre la fuente y los tejidos irradiados,

  se puede clasificar la radioterapia en tres grupos: a) terapia de contacto, donde la fuente está en contacto directo con los tejidos o incluso dentro de ellos, pudiendo ser la curiterapia intracavitaria, donde las fuentes radiactivas (⁶⁰Co, ²²⁶Ra, ¹³⁷Cs y ¹⁹²Ir) se introducen en cavidades naturales como útero, vagina, recto, etc y se colocan en contacto con la mucosas que descubren estas cavidades y la curiterapia intersticial, donde las fuentes radiactivas en forma de agujas, horquillas, hilos, etc, se introducen en los mismos tejidos; b) terapia superficial, donde la fuente siempre externa, bien sea un equipo de rayos X o un isótopo radiactivo como el ⁹⁰Sr, se pone en contacto con la piel en la zona lesionada, c) Plesioterapia o terapia de distancia corta. Es una radioterapia que se hace generalmente con equipos de rayos X y que la distancia entre la fuente y la piel está comprendida entre 10 cm y 50 cm y d) la teleterapia, que se puede llevar a cabo con haces de radiación electromagnética (gamma o con rayos X de frenado) o haces de partículas, e^- ,n, p, ... para distancia fuente-piel (DFO) mayor de 50 cm. La DFP más frecuente está comprendida entre 80 y 100 cm. aunque actualmente se realizan técnicas especiales de grandes campos, como la irradiación de medio cuerpo o cuerpo total, que precisan distancias mayores, tales como 2,3 ó 4 m. Actualmente se está empezando a utilizar en clínica una técnica especial, que podría incluirse en la plesio o teleterapia, la terapia intraoperatoria, que se hace generalmente con haces de e^- de los aceleradores y consiste en la introducción del haz o del colimador en el mismo tumor, que se abre al exterior mediante un acto quirúrgico realizado en la misma sala de tratamiento de los aceleradores.

Como se puede deducir de lo que precede, existe una gran variedad de técnicas radioterápicas, que exigen tratamiento completamente distinto, tanto en instalaciones como en dosimetría y utilización.

Técnicas de radioterapia

Siempre con el fin de buscar un resultado óptimo de la radioterapia, pasamos a describir las distintas técnicas y ver qué ofrece cada una de ellas.

De todas las clases de radioterapia enumeradas en el apartado anterior, se

pueden extraer dos que dan lugar a procedimientos esencialmente distintos, que son la braquiterapia o curiterapia y la teleterapia.

Braquiterapia o curiterapia

Braquiterapia es la expresión sajona y su origen está en el griego braqui que significa próximo. Curiterapia es nombre de origen francés y es un homenaje a los esposos Curie. Mediante la curiterapia que consiste, como ya se ha dicho, en la inclusión de fuentes radiactivas en las cavidades, o la inserción en los tejidos, se consigue en buena medida la irradiación intensa de un volumen reducido consiguiendo minimizar la irradiación de los tejidos sanos próximos al tumor.

La terapia superficial que consiste en colocar una fuente en contacto o muy próxima a la piel, se hace fundamentalmente con ⁹⁰Sr en equilibrio radiactivo con ⁹⁰Y. Se aprovecha para terapia la emisión beta de 0,546 MeV del ⁹⁰Sr y de 2,25 MeV del ⁹⁰Y. También existen equipos de rayos-X de terapia de contacto que funcionan con tensión inferior a 50 kV. Esta terapia se emplea para lesiones cutáneas de volumen reducido. Las lesiones cutáneas de volumen mayor se tratan con haces de electrones producidos en aceleradores.

La curiterapia endocavitaria utiliza el ¹³⁷Cs, el ⁶⁰Co y el ¹⁹²Ir, como fuentes radiactivas, generalmente en forma de tubos. Entre ellos, el más frecuente es el ¹³⁷Cs; sus características, de energía: 0,66 MeV, periodo de semi-desintegración: 30 años y su tasa de dosis equivalente (fotónica) por unidad de actividad  y a un metro de distancia, es aproximadamente de 10^-4 (mSv/h)/MBq. El ²²⁶Ra, que fue el único elemento que se usó originalmente, actualmente se encuentra retirado del uso clínico, porque presenta problemas entre los que resalta la posibilidad de producir contaminación por ²²²Rn.

Esta clase de terapia se emplea, fundamentalmente en tumores ginecológicos. Se aplicaba sola o en combinación con teleterapia. También se usa para otras localizaciones como fosas nasales, cavidad oral, recto, pero su uso es mucho menos frecuente.

La curiterapia intersticial emplea el ¹⁹²Ir como radionucleido más frecuente, en forma de hilos y horquillas. El ¹⁹²Ir tiene una emisión gamma de 0,318 MeV, un periodo de semi-desintegración de 75 días y  su tasa de dosis equivalente (fotónica) por unidad de actividad y a un metro de distancia, es aproximadamente de 1,6·10^-4 (mSv/h)/MBq. Su aplicación es relativamente sencilla y la maleabilidad de las fuentes permite acoplarse a la anatomía. Cualquier localización accesible puede ser tratada con radioterapia intersticial, pero las más frecuentes son lengua, regiones ganglionares cervicales, labio, mucosa de la cavidad bucal, mama, etc. Al igual que la curiterapia intracavitaria, se puede usar sola o en combinación con la teleterapia.

Merece mención también la curiterapia con implantes permanentes. Se hace generalmente con ¹²⁵I y ¹⁹⁸Au. Consiste en la colocación de semillas de la fuente radiactiva en la zona o tejido que se pretende irradiar y dejarlas allí de forma permanente. La dosimetría de estas aplicaciones no resulta fácil por la dificultad de reproducir la geometría de la aplicación y la posibilidad de que se muevan.

La dosimetría en todas las aplicaciones de la curiterapia, que consiste en conocer la distribución de la dosis de radiación depositada alrededor de las fuentes, requiere el conocimiento exacto de la situación de las fuentes radiactivas en el espacio, con referencia a puntos anatómicos concretos.

La curiterapia presenta un problema de protección fundamental, que es el riesgo que se deriva del manejo de fuentes radiactivas de varios centenas de MBq. Actualmente este riesgo se ha disminuido mucho con el empleo de técnicas diferidas de aplicación, que consiste en hacer los implantes en dos

tiempos: en el primero, el que más tiempo lleva, se colocan los aplicadores

no radiactivos, se hacen los controles necesarios con radiografías y, una vez comprobada la correcta colocación de los aplicadores, se colocan las fuentes en un segundo tiempo que es mucho más rápido. También existen sistemas automáticos de carga diferida que reducen el riesgo de exposición de los manipuladores casi a cero.

Plesioterapia

Es terapia con rayos-X en la que la DFP está comprendida entre 5 y 50 cm. Es una transición entre la curiterapia y la teleterapia y hoy casi no se emplea.

Teleterapia

Cuando los tumores que se quieren irradiar no están asequibles a las aplicaciones de curiterapia, porque se encuentren a varios centímetros de profundidad por debajo de la piel, hay que acudir a la teleterapia, que es, por otro lado, la técnica más generalizada. La teleterapia consiste en la irradiación de un volumen de tejidos situado a una determinada profundidad por debajo de la piel, mediante la incidencia de uno o varios haces de radiación.

Las características de la teleterapia en relación con la curiterapia son las siguientes:

• La distribución de dosis en el espacio no es tan concentrada, pero puede hacerse mucho más homogénea que en la curiterapia.

• La distribución de dosis en el tiempo también tiene un esquema completamente distinto que en curiterapia, mientras que en ésta se da una dosis deforma continua a lo largo de unas cuantas horas o días, a una tasa no demasiado alta -de unos 50 cGy/hora-, en teleterapia se proporciona una dosis a una tasa bastante más alta, de unos 100 ó 200 cGy/min., pero se distribuye a lo largo de un ritmo de una a tres sesiones de duración de uno a cinco minutos, durante varias semanas.

Esta clase de fraccionamiento favorece la recuperación biológica de los tejidos, así como la oxigenación de células tumorales hipóxicas, proceso que tiene lugar en los periodos intersesiones.

Los volúmenes irradiados con teleterapia son, en general, mayores que los que se irradian con curiterapia. La irradiación con teleterapia cubre volúmenes que van desde unos cuantos cm³ hasta la irradiación del cuerpo completo.

La distribución de dosis dentro de los tejidos, para los tratamientos de teleterapia, es una función de la clase de radiación X, gamma o e^- , n, p, etc.; de la energía de la radiación; de la distancia fuente-tejido; del tamaño de los campos empleados; de las características del equipo que produce la
radiación, y de la técnica empleada, entre otros.

Los haces de radiación de teleterapia se atenúan cuando entran en los tejidos, dando el máximo en la piel, o a unos milímetros o centímetros por debajo de ella a medida que la energía de la radiación crece.

Las ventajas de la radiación de alta energía frente a la de energía media son evidentes, pero también hay límites en la alta energía. Durante los años 60 se desarrollaron aceleradores de electrones circulares y lineales que producían haces de fotones de 40 MeV y de electrones de 30 MeV; hoy se ha demostrado que estas energías tan altas no proporcionan ventajas frente a los haces de 10 a 20 MeV de fotones y, a cambio, los equipos son más sofisticados y mucho más costosos; por tanto, en la actualidad, no se fabrican aceleradores de más de 20 ó 25 MeV de fotones. También han dejado de fabricarse los betatrones para usos médicos ya, que se ha demostrado que los aceleradores lineales son más versátiles.

Equipos de radiación.

Unidades de telegammaterapia

La parte fundamental de estos equipos es la fuente radiactiva que, generalmente, es de ⁶⁰Co, aunque también los hay con fuentes de ¹³⁷Cs.

El ⁶⁰Co emite dos fotones gamma de 1,17 MeV y 1,33 MeV; tiene un periodo de semi-desintegración de 5,3 años y produce una tasa de dosis equivalente (fotónica) por unidad de actividad y a un metro de distancia, de 3,7·10^-4 (mSv/h)/MBq. La fuente de ⁶⁰Co es un disco con diámetro variable de 0,75 a 2,5 cm y un espesor de 0,5 a 2 mm. Va encerrada en una cápsula de acero inoxidable que tiene una doble función: por un lado absorbe la radiación beta y, por otro, impide la formación de óxido de ⁶⁰Co.

Las fuentes de 60 Co de teleterapia tienen una actividad muy alta, que puede llegar hasta 4·10¹⁴ Bq (400 TBq o aproximadamente 10⁴ Ci).

Acelerador circular
Betatrón

El Betatrón es un dispositivo circular en el que se aceleran electrones que proceden de un filamento incandescente. Esta estructura circular, en la que previamente se ha practicado el vacío, está situada entre los polos de un electroimán que crea campos magnéticos alternantes. Los electrones giran en órbitas fijas, en las que van siendo acelerados hasta altas energías; cuando se ha alcanzado la energía necesaria, los electrones son desviados de su órbita hacia una ventana de salida del haz, o bien se les hace chocar con un blanco de tungsteno y se produce un haz de rayos-X. Pueden conseguir haces de fotones de hasta 45 MeV. Estos equipos, que se difundieron durante los años sesenta, ahora han sido desplazados por los aceleradores lineales.

Aceleradores lineales

En estos equipos la aceleración de los electrones se hace en un recorrido rectilíneo a lo largo de un tubo de vacío que se llama “guía de onda”, ya que en él se ha generado una onda electromagnética de muy alta frecuencia (unos 3.000 MHz), que es la encargada de “empujar” los electrones. Igual que en los betatrones, se pueden obtener haces de electrones o de rayos-X. Estos equipos pueden producir haces de distintas calidades, cuyos valores extremos son 4 MeV y 25 MeV para fotones y 4 MeV y 20 MeV para electrones.

Salas de tratamiento en teleterapia

Todos los equipos de teleterapia van instalados en recintos blindados (búnkers) cuyas paredes de hormigón pueden tener hasta 2 m de espesor, y las puertas de acceso a las salas son blindadas con plomo, como en el caso de las unidades de ⁶⁰Co y aceleradores de hasta 6 MeV, o con plomo más parafina en aceleradores de más 6 MeV. El plomo tiene como misión proteger de la radiación fotónica. La parafina es para reducir la posible dosis de neutrones que se producen en los aceleradores de más de 10 MeV.

Las instalaciones de teleterapia constan de:

• Sala de tratamiento. Recinto donde va instalado el equipo y se colocan los enfermos para ser irradiados.

• Sala de control remoto. Recinto exterior a la sala de tratamiento desde donde se maneja el equipo de tratamiento.

• Sala de máquinas, en el caso de los aceleradores.

3 Aplicaciones de los radisótopos en la industria

Dentro del campo de la industria, las aplicaciones de los radisótopos son variadas y numerosas y debido a las ventajas que presentan en todos los procesos industriales, se han convertido en una importante herramienta de trabajo.

Las aplicaciones de los radisótopos en la industria se basan en la interacción de la radiación con la materia y su comportamiento en ésta, pudiendo establecerse una clasificación de dichas aplicaciones, de acuerdo con la propiedad en la que se basan, en tres grupos.

a) Acción de la materia sobre la radiación: Al penetrar la radiación a través de la materia experimenta fenómenos de absorción y dispersión. La medida de la radiación, suministra una información muy valiosa sobre el material en el que se produce la interacción de las radiaciones.

b) Acción de la radiación sobre la materia: El poder ionizante de las radiaciones altera las propiedades tanto físicas como químicas de los materiales. En este grupo de aplicaciones, se aprovechan las modificaciones que las radiaciones provocan en los materiales, sin importar lo que suceda con ellas.

c) Trazadores: El empleo de los radisótopos como trazadores se basa en la incorporación o identificación de los mismos con determinado material, para seguir el curso o comportamiento de éste mediante la detección de las radiaciones emitidas.

Otra clasificación que se establece de los radisótopos industriales es atendiendo a la presentación, encontrándonos:

a) Radisótopos no encapsulados: Los isótopos se pueden presentar en forma líquida, sólida, o gaseosa, contenidos en recipientes cerrados pero no sellados;
ej. frascos para los sólidos o líquidos y ampollas de vidrio para los gases.

b) Fuentes radiactivas encapsuladas: Aquí los isótopos se encuentran encerrados en cápsulas selladas de materiales resistentes. Igualmente se consideran como fuentes radiactivas encapsuladas aquéllas en las que el material radiactivo se encuentra sólidamente incorporado en materiales sólidos inactivos, de forma que esté protegido contra toda fuga.

3.1 Aplicaciones basadas en la acción de la materia sobre la radiación

Para este grupo de aplicaciones se suelen utilizar fuentes radiactivas, casi siempre encapsuladas, de pequeña o mediana actividad. En este grupo se incluyen aplicaciones tales como:

Gammagrafía

La gammagrafía o radiografía industrial es una técnica que se basa en la absorción diferencial que se produce cuando la radiación gamma atraviesa objetos con defectos y como se impresiona ésta en una placa fotográfica. Es ampliamente utilizada en la inspección de soldaduras.

Medidas de espesores y densidades

La técnica de medida de espesores y densidades mediante la utilización de fuentes radiactivas se basa en que la intensidad o densidad del flujo de radiación que se transmite o refleja, cuando la radiación atraviesa un material, depende de la densidad del aire y espesor de dicho material.

La tabla 2 muestra los isótopos más empleados en la industria para la medición de espesores y densidades.

Medidas de niveles
La medida y control de nivel mediante el empleo de fuentes de radiación se basa también en la absorción o retrodispersión de las radiaciones en la materia. Los procedimientos utilizados son muy variados y vienen caracterizados por las posiciones en que se coloca la fuente radiactiva y el detector.

De todos los procedimientos, el más relevante quizás sea el basado en la retrodispersión de la radiación, para medidas de nivel en pozos o depósitos subterráneos.

Este método no sólo encuentra aplicación práctica para medidas de nivel en líquidos, también se hace uso de él en: llenado de botellas de gas, envasado de productos, determinación del nivel de carga en altos hornos, etc. En general, este método es especialmente útil en los casos de líquidos a elevadas temperaturas, líquidos corrosivos, tanques o recipientes a presión y en todos aquellos casos donde sea imposible o indeseable la utilización de dispositivos de contacto.

Medidas de humedad

La determinación de la humedad mediante la utilización de fuentes radiactivas se basa en la moderación de neutrones rápidos al chocar con los átomos de hidrógeno del agua. Este método es de extendida aplicación en análisis de suelos y en construcción de carreteras. Las fuentes de neutrones

más utilizadas son: ²²⁶Ra/Be y ²⁴¹Am/Be.

3.2 Aplicaciones basadas en la acción de la radiación sobre la materia

Dentro de este campo de aplicaciones puede establecerse una subdivisión:

Aplicaciones basadas en la acción bactericida de la radiación. Utilizan elevadas actividades de emisores gamma. Como ejemplo de aplicación tenemos la esterilización de materiales y la conservación de alimentos. Como fuentes se utilizan  equipos de rayos X de tipo industrial o bien fuentes encapsuladas emisores gamma (⁶⁰Co o ¹³⁷Cs) con actividades entre 400 TBq (1 TBq = 10¹² Bq) y 25 PBq (1 PBq = 10¹⁵ Bq).

Aplicaciones basadas en la acción ionizante de la radiación. Utilizan actividades muy bajas de emisores alfa y beta. Las aplicaciones son: eliminación de electricidad estática, producción de materiales luminiscentes, detectores de humo, etc. El caso específico de los sistemas para la eliminación de la electricidad estática se basa en los fenómenos de ionización que provocan las radiaciones en el medio por el que se propagan. Este método es de utilidad en aquellos casos en los que la acumulación de electricidad estática provoca grandes inconvenientes en los procesos industriales: industria textil, de materiales plásticos, de papel, vidrio, etc. Asimismo, es de utilidad en aquellas industrias en las que se utilizan grandes volúmenes de material inflamable y en aquellas en las que pueden provocarse explosiones por salto de chispa eléctrica. En este caso se utilizan emisores alfa y beta: ³H, ⁸⁵Kr, ⁹⁰Sr y ²⁴¹Am

Tabla 2.

Isótopos más utilizados para la medición de espesores y densidades

Producción de materiales luminiscentes

Se basan en la propiedad de las partículas alfa y electrones de producir fenómenos de luminiscencia en algunos materiales. Los productos luminiscentes así obtenidos son de utilidad para señalización de aviones, barcos, ferrocarril, etc. Se utilizan emisores de partículas alfa o beta: ³H, ⁸⁵Kr, ⁹⁰Sr, etc.

Detectores de humo 

El método de detección consiste en colocar en el interior de una cámara de un detector de radiación, un emisor alfa o beta, que dé lugar a una corriente de ionización constante. La presencia de humo en la cámara provoca una disminución de la corriente de ionización, que se puede detectar con un aparato de medida adecuado. La fuente radiactiva más utilizada es ²⁴¹Am.

3.3 Aplicaciones basadas en el empleo como trazadores

La técnica consiste en incorporar radisótopos -generalmente no encapsulados- a un material para seguir y estudiar el curso o comportamiento de éste, mediante la detección de las radiaciones. Para ello

se pueden seguir dos métodos generales:

• Método físico: 1) El material radiactivo se incorpora al sistema; 2) se convierte en radiactivo el propio sistema. En ambos casos no hay reacción química entre el radionucleido y el sistema que se investiga.

• Método químico: el material radiactivo se incorpora al sistema mediante reacción química con éste.

Las posibilidades de aplicación son prácticamente ilimitadas:

• Transporte de fluidos: Ampliamente utilizado en la medida de caudales, tiempo de resistencia, modelos de circulación, control de transporte en oleoductos.

• Estudios de desgaste y fricción: Los estudios sobre desgaste de componentes y piezas metálicas de máquinas tales como: segmentos de pistones, álabes de turbogeneradores, palieres. También son utilizados para el estudio del comportamiento de lubricantes.

• Investigación de procesos químicos: Poderoso medio para el estudio de la cinética y de los mecanismos de las reacciones químicas.

• Contaminación ambiental: El marcado radiactivo es de gran utilidad a la hora de estudiar la dispersión de determinados contaminantes en la atmósfera y medio acuático.

• Detección y localización de fugas en tuberías y depósitos.

• Control de homogeneidad de mezclas, etc.

4 Aplicaciones de los radisótopos en la agricultura

Los isótopos y las radiaciones desempeñan un papel importante en la agricultura moderna. Ya en 1964 la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación junto con la OIEA www.iaea.org/worldatom , establecieron una Comisión Mixta para el Empleo de Radisótopos y Radiaciones en el Desarrollo de la Agricultura y la Alimentación.

La aplicación de los radisótopos o de las radiaciones en la agricultura tiene por objeto:

• Obtener cultivos alimentarios de elevado rendimiento y ricos en proteínas.

• Producir variedades vegetales resistentes a las enfermedades y a la

  intemperie.

• Utilizar con eficacia los recursos hídricos.

• Determinar la eficacia en la absorción de los abonos por las plantas y optimizar la fijación del nitrógeno.

• Combatir o erradicar las plagas de insectos.

• Evitar las mermas durante el almacenamiento de las cosechas.

• Mejorar la productividad y sanidad de los animales domésticos.

• Prolongar el periodo de conservación de los alimentos.

4.1 Fertilidad del suelo, irrigación y productos agrícolas 

El empleo eficaz de los abonos es de gran importancia, ya que éstos no solo son costosos, sino que el uso inadecuado o excesivo de los mismos puede perjudicar al medio ambiente. Es pues esencial que llegue a penetrar en las plantas la máxima cantidad posible de abono aplicado, a la vez que la proporción de abono que se pierde en la aplicación, sea la mínima posible.

Marcando los abonos con isótopos tales como el ³²P ó ¹⁵N, se puede determinar la cantidad de abono que absorbe la planta y la que se pierde en el medio ambiente.

4.2 Mutación inducida

Durante los últimos 50 ó 60 años, se han realizado en todo el mundo millares de experimentos sobre la mutación de genes vegetales, con el fin de conferirles propiedades especialmente ventajosas para la agricultura. Existen dos métodos principales para inducir artificialmente dichas mutaciones: el empleo de agentes químicos y las técnicas de irradiación. En realidad estos dos métodos son más bien complementarios, puesto que actúan de forma totalmente diferente el uno del otro. Ahora bien, en ciertos genes vegetales, especialmente en los de algunas plantas, como las frutales, las mutaciones se producen con mayor facilidad mediante la irradiación.

Entre las propiedades importantes que pueden lograrse se cuentan las siguientes:

• Aumento de la resistencia al encamado: Se reduce la altura de la planta y se consigue un tallo más firme aumentando la fertilidad del suelo.

• Maduración más temprana o más tardía: La maduración de cultivos importantes, tales como el trigo, el arroz o la cebada, puede adelantarse en cinco o diez días, con la ventaja de dejar así sitio a otros cultivos que tienen de esta forma más posibilidades de escapar a los peligros de las sequías, las heladas o las plagas.

• Mejoras de las características de las semillas: Mejora del valor nutritivo (contenido en proteínas o en grasas).
  
• Aumento de la resistencia a las enfermedades: Este aspecto es muy importante, ya que muchas cosechas quedan destruidas por las enfermedades.
  
• Mejora de las características agronómicas: Estas pueden consistir en una mayor capacidad para soportar los rigores del invierno, mayor tolerancia al calor y mejor adaptabilidad a condiciones de suelo adversas.
  
• Mejora del rendimiento: Hasta ahora, se ha podido aumentar el rendimiento de alrededor un centenar de variedades de cultivo en proporciones entre el 3 y 10%. En alguno de los casos, el aumento puede ser de hasta el 45%.

4.3 Lucha contra los insectos

Si bien algunos insectos son importantes para mantener el equilibrio ecológico natural, otros destruyen valiosos cultivos alimentarios. Se ha estimado que, a escala mundial, las pérdidas de las cosechas ocasionadas por los insectos pueden ascender a más del 10% de la cosecha total.

La técnica de los insectos estériles (TIE) puede ser útil, en situaciones en las que éstos han adquirido resistencia a los insecticidas químicos. La técnica consiste en exponer insectos machos criados en laboratorio, en una fase apropiada de su desarrollo, a dosis de radiación ionizante suficientes para esterilizarlos. Los machos se aparean con las hembras, pero sin producir descendencia. Tras repetidas liberaciones de machos esterilizados, se reduce notablemente la plaga de insectos en un área determinada. Para aplicar con éxito la TIE deben realizarse, como primera medida, estudios ecológicos muy detallados. Deberá evaluarse el número aproximado de insectos, sus movimientos, hábitos, gama y distribución. Los estudios pueden durar meses, ya que es necesario marcar los insectos (normalmente

mediante radisótopos) y atraparlos nuevamente.

Como ya se ha mencionado, la marcación por radisótopos también se emplea en el estudio de la ecología de los insectos. Se pueden emplear isótopos radiactivos, o actividades en concentraciones de tan solo una diezmillonésima parte, con el fin de distinguir a un insecto para poder seguir sus movimientos en una amplia zona durante un periodo largo.

Los radionucleidos más usados para el marcado de insectos son el ³²P y el ⁵⁹Fe.

4.4 Zootecnia

Existen muchos animales de los que obtenemos carne, leche e incluso energía. Los radisótopos pueden desempeñar un papel importante en la estimación de las cantidades óptimas de alimentos y de agua que deben recibir estos animales. Asimismo, con el empleo de técnicas de radiación ionizante, se han podido combatir algunas enfermedades corrientes. También se vienen utilizando modernas técnicas de radioinmunoanálisis para controlar las hormonas que determinan el régimen reproductivo del animal.

4.5 Conservación de alimentos

La irradiación de alimentos es un medio físico de tratamiento comparable al efectuado por calor o congelación. El proceso consiste en exponer los alimentos -ya sea envasados o a granel- a rayos gamma, rayos X o electrones durante un tiempo determinado.

Tal como ya se ha indicado, las fuentes de rayos gamma más corrientes y aprobadas que se utilizan para el tratamiento de alimentos son el ⁶⁰Co y el ¹³⁷Cs.

Es importante señalar que la exposición de los alimentos a estas fuentes de radiación no induce radiactividad en los mismos, ni siquiera cuando se aplican dosis de radiación cien o mil veces más elevadas que la dosis necesaria para el tratamiento de los alimentos.

Para la irradiación de alimentos se emplean tres niveles de dosis de radiación:

1. Dosis baja (hasta 1 kGy), usada para inhibición de la germinación, desinfestación de insectos y retraso de la maduración.

2. Dosis media (de 1 a 10 kGy), usada para la prolongación del periodo de conservación, reducción de la carga microbiana y mejoras en las propiedades tecnológicas del alimento.

3. Dosis alta (de 10 a 50 K Gy), usada en la esterilización con propósitos comerciales y eliminación de virus.

Las condiciones previas que justifican la amplia utilización de los alimentos irradiados son:

a) Prueba de que el producto irradiado es apropiado para el consumo humano.

b) Viabilidad tecnológica. 

c) Competitividad del proceso desde el punto de vista económico.

5 Aplicaciones de los radisótopos en investigación

Los radisótopos constituyen la herramienta por excelencia en todas las ocasiones en que sea necesario colocar una etiqueta a una molécula cuyo destino final se tenga interés en conocer, sea en procesos físicos, químicos o biológicos. Por tanto, no es sorprendente el uso de los radisótopos en investigación.

En general la investigación emplea los radisótopos ensayando en laboratorio, a pequeña escala, el comportamiento de un proceso o actividad que posteriormente podrá aplicarse a gran escala.

6 La fabricación de los elementos combustibles: primera parte del ciclo del combustible nuclear

6.1 Combustibles nucleares

En una central nuclear se utiliza un combustible nuclear en el que se producen reacciones nucleares de fisión con una elevada producción de energía, la cual se transforma posteriormente en energía eléctrica.

Una de las razones argumentadas por las opiniones favorables a la obtención de energía mediante la utilización de la fusión nuclear en forma comercial, es la abundancia en la naturaleza de los elementos empleados como combustible nuclear. Estos elementos susceptibles de ser utilizados como combustible nuclear son el uranio y el torio. El plutonio, también puede emplearse como combustible, aunque debido a su relativamente corto periodo de desintegración, no existe en la naturaleza y sólo se obtiene en los reactores de fisión de las centrales nucleares.

El uranio (U), de número atómico 92, es el combustible nuclear por excelencia, con un contenido isotópico en su estado natural de 0,71% en átomos de ²³⁵U. Se encuentra en la naturaleza en una proporción de 800 veces más abundante que el oro, unas 40 veces más que la plata y tanto como el plomo o el cobalto.

El plutonio (Pu), de número atómico 94 también puede utilizarse como combustible nuclear, aunque no se encuentra en la Naturaleza, ya que los isótopos del plutonio ( ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴²Pu) tienen vidas medias inferiores a la de la Tierra. Su producción tiene lugar en reactores nucleares mediante las reacciones de captura de neutrones con el ²³⁸U.

El torio es más abundante que el uranio, pero al ser el ²³²Th el único isótopo disponible, su empleo en reactores nucleares es muy limitado.

Estos combustibles deberán prepararse para su empleo en reactores nucleares, mediante el proceso adecuado a cada tipo de reactor.

6.2 Ciclo del combustible nuclear

El ciclo del combustible nuclear comprende todas las etapas por las que debe pasar cualquier combustible de éste tipo para ser usado en reactores

nucleares, incluyendo aquellas que permiten manejar el combustible gastado y los residuos generados, eliminando o reduciendo al máximo cualquier interacción con el medio ambiente.

El ciclo del combustible de uranio, tiene dos fases claramente diferenciadas:

• La primera comienza con las actividades de minería del uranio, y finaliza con la introducción de los elementos de combustible en el reactor nuclear. Al combustible de esta fase se le denomina no gastado.

• La segunda fase comienza con la extracción de los elementos combustibles del reactor después de una estancia más o menos larga, que depende del tipo de reactor, y finaliza con la gestión del combustible gastado.

Las actividades de la primera fase son: minería, fabricación de concentrados de uranio, conversión a hexafluoruro de uranio (solamente cuando se use uranio enriquecido), enriquecimiento del uranio, fabricación de elementos combustibles y su transporte desde la fábrica hasta los reactores.

Las actividades de la segunda fase comprenden: para el caso del ciclo abierto, el almacenamiento temporal del combustible gastado y su gestión como residuo de alta actividad y, para el caso del ciclo cerrado actual, su transporte hasta la fábrica de reelaboración, el posterior transporte del uranio y plutonio recuperados hasta la fábrica de elementos combustibles, y la gestión de los residuos radiactivos generados. Para el caso de ciclo cerrado avanzado, se unen al ciclo cerrado actual, las técnicas de separación y transmutación.

Puesto que casi todos los reactores nucleares emplean uranio como combustible, en lo que sigue se describirán las fases del ciclo de este combustible, apuntando que para el resto (Pu y Th), las fases son las mismas, pero que los procedimientos varían, al ser distintos los constituyentes y sus propiedades.

6.3 Minerales de uranio. Prospección y minería

Los minerales de uranio son numerosos, pues se conocen alrededor de 150 variedades. Pueden encontrarse en forma primaria (pechblenda y uraninita); en forma oxidada (carnonita, autinita, torbenita, gumita); o en forma refractaria (euxenita, davidita, betafita, etc.).

La riqueza en uranio del mineral, o ley del mineral, es importante para decidir la explotación de un cierto yacimiento, ya que las leyes son muy bajas (menos del 1%), y solamente aquellos yacimientos en los que se estiman cantidades elevadas se consideran rentables.

El mineral más rico en uranio es la pechblenda. La prospección o búsqueda de yacimientos se realiza de muy diversas formas aunque, en general, la existencia de mineral se observa por la existencia del gas radón, producto de la cadena de desintegración del uranio.

6.4 Yacimientos y recursos mundiales de uranio

Los yacimientos de uranio se encuentran repartidos en zonas muy localizadas del globo terrestre. De todos ellos, los que tienen un gran volumen de reservas son los del continente africano, concretamente los de Sudáfrica, Namibia, Gabón y Níger. En Europa, con un volumen de reserva ciertamente menor, destacan los yacimientos de Francia, que son los dos de mayores reservas del continente, al que siguen los de España. En el continente americano destacan los de Canadá y Estados Unidos, junto con Brasil y Argentina; y en la zona del pacífico, destaca Australia como el país más importante con recursos de uranio.

En la actualidad, la minería en España se encuentra localizada en el yacimiento de Saélices el Chico (Salamanca). Las actividades de extracción de uranio son desarrolladas únicamente por la Empresa Nacional del Uranio ,

S.A. (ENUSA).

6.5 Concepto de concentrado de uranio. Fabricación en España

Para evitar tratar grandes cantidades de mineral en el proceso de fabricación

de combustible, se efectúa lo que se llama concentración del uranio. La fabricación de concentrados de uranio consiste en tomar el mineral de uranio (en forma de U₃ O₈ ), y mediante procesos físico-químicos, aumentar hasta valores superiores al 70% el contenido de uranio, obteniéndose lo que se conoce como “pastel amarillo” debido a su color. Para evitar el transporte de grandes cantidades de mineral, estas fábricas suelen colocarse lo más cerca posible de las minas.

La concentración se realiza en varias etapas, mediante diversos

procedimientos, aunque todos ellos necesitan operar sobre cifras de toneladas de mineral muy elevadas, como consecuencia de la pobreza en uranio de todos los minerales. A esta primera operación de concentración debe seguir una de refino, es decir, de eliminación de impurezas y de elaboración.

En España, próxima al yacimiento de uranio, se encuentra la planta de concentración de Ciudad Rodrigo (Salamanca), propiedad de ENUSA .

6.6 Importancia del uranio enriquecido

El uranio enriquecido, se obtiene del uranio natural aumentando la proporción de átomos de ²³⁵U, pasando de un 0,71% a un 3% por término medio. Este proceso se denomina enriquecimiento del uranio.

Por razones físicas, cuando se aumenta el contenido de átomos de ²³⁵U en un reactor térmico, la energía que se obtiene por tonelada de uranio es mayor que cuando se usa uranio natural. Además, para la misma potencia térmica, el tamaño del núcleo del reactor es menor en un reactor con uranio enriquecido, que en uno con uranio natural.

Estas conclusiones, matizadas con aspectos económicos, han dado lugar a que los reactores nucleares con uranio enriquecido sean más económicos y que el coste de kWh en ellos, sea menor.

Cada tipo de reactor suele usar un determinado combustible, siendo diferente su porcentaje de enriquecimiento. Así:

• Reactor de grafito-gas (GCR) utiliza: uranio natural.

• Reactor avanzado de gas (AGR) utiliza: uranio enriquecido (2%).

• Reactor de agua pesada (HWR) utiliza: uranio natural.

• Reactor de agua a presión (PWR) utiliza: uranio enriquecido

  (3,3%).

• Reactor de agua en ebullición (BWR) utiliza: uranio enriquecido

  (2,6%).

• Reactor rápido (FBR) utiliza: uranio empobrecido (U-238).

6.7 Métodos de enriquecimiento isotópico

La separación de los isótopos ²³⁵U y ²³⁸U es muy compleja, debido a las masas tan similares que poseen. No obstante, se han desarrollado varios métodos, algunos de los cuales se han usado desde la década de los cuarenta, y otros son de reciente desarrollo. Todos tienen en común que emplean el único compuesto gaseoso estable a temperatura cercana a la ambiente: el hexafluoruro de uranio (UF₆ ). Éste presenta algunos problemas en su empleo industrial al tener que trabajar con él a temperaturas superiores a la ambiental, ya que solidifica a 56 ºC, a la presión atmosférica; además reacciona con diversos materiales y aleaciones, y ávidamente con el agua.

En las plantas de enriquecimiento se obtiene un producto enriquecido con una proporción de átomos de ²³⁵U superior a la del uranio natural, así como un producto empobrecido llamado colas, con un contenido inferior al del uranio natural.

Los métodos de enriquecimiento más utilizados son la difusión gaseosa y la ultra-centrifugación.

El método de difusión gaseosa se basa en la distinta velocidad con que se difunden gases o vapores de distinto peso molecular a través de una membrana porosa. El gas que atraviesa primero la barrera será algo más rico en el isótopo ligero, mientras que el gas restante contendrá una mayor proporción del isótopo pesado. Como el enriquecimiento que se alcanza en una sola etapa de difusión es muy pequeño, el proceso a escala industrial consiste en hacer pasar el gas (UF₆ ) por diversas barreras o membranas porosas, y recoger al final un gas enriquecido en moléculas de ²³⁵U y un gas

empobrecido, colas. Este método requiere un alto consumo de energía eléctrica. Los países que usan esta tecnología: EE.UU.,  Francia, y China, . .

El proceso de centrifugación se basa en que si se centrifuga un gas o vapor que contiene especies moleculares de masa distinta, la fuerza centrífuga producirá una separación parcial, moviéndose las moléculas más pesadas hacia la periferia y tendiendo las más ligeras a permanecer próximas al centro. La característica principal del proceso de centrifugación es que el grado o factor de separación, depende de la diferencia de masas entre las moléculas isotópicas, mientras que en el proceso de difusión gaseosa, el factor determinante es la raíz cuadrada del cociente de dichas masas. Para un elemento pesado, como el uranio, este cociente es tan próximo a la unidad, que es preciso utilizar un gran número de etapas para obtener una separación isotópica apreciable por difusión gaseosa. Por otra parte, el hecho de que las masas de los isótopos de uranio difieran en 3 unidades, debería contribuir a que la centrifugación fuera un método muy efectivo. Sin embargo, las posibilidades de este método están limitadas por el límite de velocidad impuesto por la resistencia mecánica del material que constituye el interior de la centrifugadora y por el límite de longitud debido a la aparición de velocidades críticas. Este método requiere un menor consumo de electricidad. Los países que utlizan esta tecnología son: China, Alemania, Japón, Holanda, Inglaterra, Rusia y Pakistán,

6.8 Suministro de enriquecimiento isotópico

El abastecimiento de combustible enriquecido se ajusta a la situación internacional del mercado de ofertas, entre las cuales, el máximo ofertante de occidente son los Estados Unidos de América, mediante el servicio del DOE (Departamento de Energía). Este servicio consta de tres plantas de difusión gaseosa de gran capacidad.

La sociedad EURODIF , formada por Francia, Italia, Bélgica, España e Irán, posee una planta por difusión gaseosa en Tricastín (Francia).

6.9 Fabricación de elementos combustibles

La fabricación de elementos combustibles depende del tipo de reactor para el que vayan a ser usados. En general, para aquellos que usan el uranio enriquecido se sigue un proceso previo diferente a los que emplean uranio natural y por supuesto, las fases de montaje mecánico y la composición es distinta de unos a otros. En la tabla 3 se indican las características del combustible para los diferentes tipos de reactores.

Un elemento combustible de un reactor de agua pesada tiene forma cilíndrica, con varias barras de combustible de UO₂ . Las vainas son de zircaloy y está situado en un tubo a presión por donde circula el refrigerante

(agua pesada).

En los de grafito-gas, el combustible es uranio metálico en aleación con magnesio y núcleo de magnesio, además posee unas aletas externas.

Para reactores de agua ligera, bien a presión (PWR), bien en ebullición (BWR) que emplea uranio enriquecido, el proceso de fabricación consta de tres fases

• Proceso químico, de transformación de hexafluoruro de uranio sólido a óxido de uranio, UO₂ , en polvo.

• Proceso cerámico, en el que el polvo de UO₂ se transforma en pastillas cerámicas de alta densidad.

• Proceso mecánico, en el que se realiza la carga de las pastillas en los tubos de zircaloy, la fabricación de cabezales, rejillas y tapones, y el montaje de los componentes hasta dar lugar al elemento combustible final.

Tabla .3

Características del combustible de distintos tipos de reactores

7 Centrales nucleoeléctricas

7.1 La fisión nuclear

Si bombardeamos con neutrones los núcleos de átomos pesados, éstos pueden dividirse en varios fragmentos formados por núcleos de átomos más ligeros, apareciendo una emisión de neutrones y una gran cantidad de energía. A este proceso se le denomina “reacción de fisión”.

En el proceso de fisión, el núcleo excitado compuesto que se forma tras la absorción de un neutrón, se escinde en dos núcleos más ligeros, que se desprenden a gran velocidad. Los neutrones que aparecen, también lo hacen a una determinada velocidad.

A todos estos productos que se presentan en una reacción nuclear se les denomina fragmentos de fisión y aparecen casi instantáneamente.

Los productos que aparecen en la fisión son radiactivos, emisores de partículas beta y dan lugar a unas series radiactivas formadas por varios nucleidos.

La fisión en el ²³⁵U se produce en más de 40 formas distintas, lo que implica la existencia de más de 80 productos de fisión diferentes los cuales, mediante los núcleos que aparecen en las series radiactivas, dan lugar a la formación de aproximadamente 200 nucleidos radiactivos, la mayoría de los cuales no existen en la Naturaleza.

Para calcular la cantidad de energía liberada por la fisión de un núcleo atómico, basta con determinar la disminución neta de masa y aplicar luego la ecuación masa-energía de Einstein.

La fisión de un átomo de ²³⁵U da aproximadamente 2,5·10⁶ veces más energía que la combustión de un átomo de ¹²C (Carbono estable). La mayor parte de la energía de fisión (más del 80%) aparece como energía cinética de los fragmentos de la fisión, la cual se transforma en calor inmediatamente. Parte del 20% restante se presenta en forma de radiación

instantánea, procedente de los fragmentos de fisión excitados, y de las partículas beta y a los rayos emitidos por los productos de fisión radiactivos, energía que se va liberando gradualmente a medida que dichos productos se van desintegrando a lo largo del tiempo. Esta radiación se manifiesta en forma de calor.

La energía de la fisión se distribuye aproximadamente del modo siguiente:

• Energía cinética de los fragmentos de fisión ...... 82,4%

• Energía de la radiación gamma instantánea .........3,5%

• Energía cinética de los neutrones de fisión ..........2,5%

• Partículas beta de los productos de fisión............3,5%

• Rayos gamma de los productos de fisión ...........3,0%

• Neutrinos .........................................................5,0%

• Energía de fisión total ....................................100,0%

7.2 La reacción en cadena 

¿Qué ocurre cuando disponemos de una gran cantidad de núcleos de uranio para fisionar?

• Que los neutrones liberados en la fisión de cada núcleo se aprovechan para romper nuevos núcleos, produciendo otros neutrones, que a su vez vuelven a romper nuevos núcleos liberando nuevos neutrones, y así sucesivamente.

• Que al producirse muchas fisiones se dispone de una gran cantidad de calor que se podrá transformar en energía eléctrica.

El proceso descrito anteriormente se denomina “reacción en cadena”.

7.3 Centrales nucleares

El modo de funcionamiento (www.foronuclear.org ) de una central nuclear www.csn.es/plantillas  como en una central térmica, se transforma la energía calorífica de un combustible en energía mecánica, y ésta en eléctrica. El calor producido calienta el agua y la convierte en vapor directa e indirectamente. El vapor pasa por una turbina que acciona un alternador produciendo la energía eléctrica, atraviesa luego un condensador donde se convierte de nuevo en agua en estado líquido y, mediante bombas, este líquido se vuelve a hacer pasar por la parte caliente del reactor, convirtiéndose de nuevo en vapor.

En una central térmica convencional, el calor proviene de la combustión en la caldera de un combustible como carbón, petróleo o gas; sin embargo, en una central nuclear, el calor proviene de la reacción en cadena que tiene lugar en el “reactor nuclear”.

La regulación del calor que se produce en la fisión nuclear se realiza mediante determinados elementos de control denominados moderadores, que sirven para controlar adecuadamente la cantidad de neutrones emitidos en el proceso de fisión. La forma más utilizada para modificar la cantidad de neutrones es el sistema de las “barras de control”. Son unas barras constituidas por materiales absorbentes de neutrones (principalmente compuestos de boro y cadmio) que se introducen en el núcleo del reactor. Al introducir estas barras disminuye la velocidad de reacción y al sacarlas aumenta. Con este sistema se puede modificar la potencia del reactor.

El calor producido en el reactor se extrae mediante un refrigerante que circula alrededor del combustible y puede ser agua (ligera o pesada), gas (anhídrido carbónico o helio), y otros menos habituales como aire, vapor de agua, metales líquidos o sales fundidas.

El combustible utilizado en la mayoría de las centrales nucleares es el uranio. Este tiene dos isótopos el ²³⁸U y el ²³⁵U los cuales se dan en el uranio natural en proporciones del 99´3% y del 0´7% respectivamente.

Los tipos de reactores nucleares pueden clasificarse atendiendo a varios criterios:

• Según la velocidad de los neutrones. Reactores rápidos o reactores térmicos.

• Según el combustible utilizado. Reactores con uranio natural o con uranio enriquecido en ²³⁵U.

• Según el moderador. Reactores de agua ligera, agua pesada o grafito.

• Según el refrigerante utilizado. Agua ligera o pesada, gas, etc.

A continuación veremos los dos tipos de reactores nucleares que hay en operación en España.

Reactor de agua a presión (PWR)

Es el más utilizado en el mundo. Emplea como moderador y refrigerante el agua ligera. El circuito de refrigeración está sometido a presión para que el agua no pase a vapor. Este agua a presión lleva el calor del núcleo del reactor a un intercambiador de calor donde se genera el vapor que mueve la turbina. En este tipo de reactor existen dos tipos de circuitos, el primario y el secundario. Ambos son totalmente independientes.

El combustible utilizado es óxido de uranio ligeramente enriquecido que se presenta en pastillas de 1 cm. de diámetro. Estas pastillas se introducen en un tubo de aproximadamente el mismo diámetro y varios metros de longitud. Los tubos son de zircaloy (aleación de hierro, cromo, níquel, zirconio).

En España, las centrales pertenecientes a este tipo son:

• José Cabrera (Zorita)

• Almaraz I y II

• Ascó I y II

• Trillo

• Vandellós II

Reactor de agua en ebullición (BWR)

En este reactor, el moderador y el refrigerante también es el agua ligera. En este caso, el refrigerante no está sometido a tanta presión como en el caso anterior, con lo cual se encuentra en estado de vapor. Este vapor producido en el núcleo llega directamente a la turbina, sin que exista entre medias un intercambiador de calor.

El combustible en este caso es óxido de uranio enriquecido, introducido en el mismo tipo de elementos combustibles.

Las centrales españolas pertenecientes a este grupo son:

• Santa María de Garoña

• Cofrentes

7.4 Fusión nuclear

La fusión consiste en la unión de dos átomos ligeros para formar átomos más pesados con desprendimiento de energía en forma de energía cinética en los átomos y partículas formados.

Las primeras reacciones que se intentaron pretendían fundir los núcleos de dos de los isótopos del hidrógeno, concretamente el deuterio con el tritio, de tal forma que resultara un núcleo de helio y un neutrón libre. Esta reacción, que se ha comprobado tiene lugar en el interior del Sol, y a partir de ella esta estrella, como el resto de las que forman el universo, obtiene las inmensas cantidades de energía que la caracterizan.

La forma en la cual se produce la fusión de dos núcleos es la siguiente:
Es preciso acercar los núcleos hasta una situación en la cual se produce la reacción, apareciendo los productos de fusión y la liberación de energía. Para que estos núcleos puedan acercarse tanto, es necesario vencer las fuerzas de repulsión y por ello debemos calentar el medio hasta que éste alcance temperaturas del orden de 50.000 ºK. En estas condiciones el medio se transforma en un plasma (cargas libres con carga global nula y con propiedades especiales de conductividad, compresibilidad y deformabilidad). Este plasma es necesario confinarlo ya que las partículas que lo forman tienden a seguir caminos independientes, pudiendo incluso no realizarse la fusión de los núcleos.

Este confinamiento se puede realizar de dos formas: La llamada magnética y la inercial.

La fusión por confinamiento magnético utiliza campos electromagnéticos mediante los cuales las partículas del plasma se mueven ordenadas por el campo, lo cual hace que se produzca la reacción.

La fusión por confinamiento inercial consiste en producir el calentamiento y el confinamiento a la vez, usando como fuente de calor y como confinador el mismo dispositivo. Esto se suele realizar con láseres de alta potencia. Para que la fusión sea rentable energéticamente, la cantidad de energía producida por la reacción debe ser mayor que la empleada para calentar y para confinar.

8 Instalaciones nucleares y radiactivas en España

Las instalaciones industriales, hospitalarias o de investigación que utilizan materiales radiactivos en sus procesos se dividen en dos grandes grupos: instalaciones nucleares e instalaciones radiactivas.

La clasificación se establece de acuerdo a lo siguiente:

Instalaciones nucleares

Se clasifican en las cuatro categorías siguientes:

• a) Centrales nucleares.

• b) Reactores nucleares.

• c) Fábricas que utilicen combustible nuclear para producir sustancias nucleares y fábricas en las cuales se traten sustancias nucleares.

• d) Instalaciones de almacenamiento de sustancias nucleares.

Existen actualmente en España, siete centrales nucleares en operación con nueve reactores:

• Almaraz I y II. Dos reactores de agua a presión (PWR) de 930 MW, cada uno.

• Ascó I y II. Dos reactores de agua a presión (PWR) de 930 MW, cada uno.

• Cofrentes. Un reactor de agua en ebullición (BWR) de 990 MW.

• José Cabrera. Un reactor de agua a presión (PWR) de 160 MW.

• Santa María de Garoña. Un reactor de agua en ebullición (BWR) de 460MW.

• Trillo. Un reactor de agua a presión (PWR) de 1.041 MW.

• Vandellós II. Un reactor de agua a presión (PWR) de 982 MW.

Además hay la instalación nuclear de Vandellós I que se encuentra en fase de desmantelamiento. En España hay también 4 reactores experimentales, encontrándose todos ellos en diversas fases de desmantelamiento.

La potencia eléctrica instalada es de 7.353 MW., proporcionando aproximadamente el 33% de la demanda de energía eléctrica en España.

Fábrica de elementos combustibles.

El Cabril. Almacén de residuos radiactivos de baja y media actividad.

Instalaciones radiactivas

Se dividen en tres categorías

a) Primera categoría:

• Fábricas de producción de uranio, torio y sus compuestos.

• Fábricas de producción de elementos combustibles de uranio natural.

• Instalaciones industriales de irradiación.

b) Segunda categoría:

• Instalaciones donde se manipulan o almacenan nucleidos radiactivos de una actividad total definida para cada nucleido en el anexo I del RD 1836/1999.

  Instalaciones de rayos X cuya tensión de pico sea superior a 200 kV.
• Aceleradores de partículas e instalaciones donde se utilicen fuentes de neutrones.

c) Tercera categoría:

• Instalaciones donde se manipulen o almacenen nucleidos radiactivos

  de una actividad total, definida para cada nucleido (siempre valores menores que las de segunda categoría).

• Instalaciones de rayos X cuya tensión de pico sea inferior a 200 kV. Dentro de este grupo quedan incorporadas las instalaciones de radiodiagnóstico.

El proceso de autorización de las instalaciones radiactivas se basa en lo detallado en lo dispuesto en el artículo 36 del RD 1836/1999 . El caso específico de las instalaciones de radiodiagnóstico se trata en el RD 1891/1991 , encontrándose dichas instalaciones sometidas a un proceso de registro.

España cuenta con el siguiente parque de instalaciones radiactivas:

Primera categoría ..................................................1

• Irradiación Industrial ..............................1

Segunda categoría..............................................925

• Comercialización.................................44

• Investigación y docencia......................80

• Industria ...........................................549

• Medicina ..........................................252

Tercera categoría............................................1296

• Comercialización.................................21

• Investigación y docencia......................75

• Industria ...........................................182

• Medicina (1)........................................92

(1) Sin contar radiodiagnóstico. El inventario del número de instalaciones corresponde a finales del año 2000, en base a lo indicado en el "Informe del Consejo de Seguridad Nuclear al Congreso de Diputados y al Senado -Año 2000". En cuanto al número de instalaciones de radiodiagnóstico, en situación de registradas al finalizar el año 2001, resulta de 20.200.