B. Aplicaciones industriales

Introducción

Las aplicaciones de las radiaciones ionizantes en el ámbito industrial son muy numerosas y variadas. Así, se aplican en industrias como la minería, la industria manufacturera y de reciclaje.

El uso de radiaciones ionizantes en industria es de gran importancia para el desarrollo y optimización de procesos, las mediciones "on-line", la automatización y control de calidad, la mejora de las propiedades de materiales y la esterilización.

Las principales cualidades de la radiación ionizante de utilidad para su aplicación en industria son:

Atraviesan/penetran la materia. La capacidad de las radiaciones ionizantes para atravesar la materia varía en función del tipo de radiación. Así pues, dependiendo de la aplicación que se quiera dar en la industria, se elegirá un tipo u otro de radiación. Las radiaciones más penetrantes son los neutrones, seguidos de los rayos gamma y los rayos X. Las radiaciones beta tienen menor capacidad de penetración que las anteriores, pero mayor que las partículas alfa, las cuales no son capaces de atravesar una hoja de papel o nuestra piel.
Facilidad y precisión de detección. Es posible medir cantidades insignificantes de radiación ionizante de manera rápida y precisa. Se puede detectar un átomo radiactivo en cien mil millones de átomos no radiactivos.
Aportan energía.
Estimulan la producción de radiaciones secundarias.

Las aplicaciones más significativas de las radiaciones ionizantes en la industria son:

- Medidores de espesor, densidad o nivel.

- Procesos de tratamiento como la polimerización y la esterilización.

- Ensayos no destructivos como la radiografía o la neutrografía.

- Trazadores, para medir por ejemplo el caudal o la velocidad de fluidos en tuberías.

- Prospección, para conocer características de los suelos.

A continuación encontrarás más información sobre estas aplicaciones industriales de las radiaciones ionizantes y ejemplos que te ayudarán a comprender mejor los conceptos.

Uso de las radiaciones ionizantes en medidores

Las ventajas que ofrecen los medidores que emplean radiaciones ionizantes son:

Las mediciones se realizan sin que tenga lugar contacto físico entre el sensor y el material medido.
La medición no es destructiva.
El material medido puede estar en movimiento.
Para mantener la estabilidad de la fuente de radiación ionizante utilizada se requiere poco mantenimiento.
Existe una buena relación coste-beneficio.

En la tabla se muestran los distintos aparatos existentes, las características que miden en los materiales y las industrias concretas en las que se utiliza cada uno de ellos.

La radiación al interaccionar con la materia experimenta fenómenos de absorción y dispersión que suponen la pérdida total o parcial de su energía. La energía que se pierde es proporcional al espesor y la densidad del material que atraviesan. Así pues, la medida de la energía (radiación) que llega al detector tras atravesar el material, nos permite conocer algunas características de dicho material como la densidad, la humedad o el espesor.

Uso de radiaciones ionizantes en diferentes tipos de medidores.

Procesos de tratamiento: polimerización y esterilización

La energía depositada por la radiación en el medio produce modificaciones debido a su acción bactericida e ionizante. El poder ionizante de las radiaciones altera las propiedades tanto físicas como químicas de los materiales.

Polimerización

Los polímeros son compuestos orgánicos cuya estructura está formada por la repetición de pequeñas unidades (monómeros). La reacción química por la que se producen los polímeros se conoce con el nombre de polimerización. Cada polímero típico consta de mil o más monómeros, que son como los ladrillos de un edificio.

Hay muchos polímeros naturales en el mundo, que van desde el ADN de nuestro cuerpo a la goma de mascar. Los plásticos forman uno de los grupos más comunes de polímeros hechos por el hombre, pero también son polímeros la celulosa, el algodón y la lana.

Estos materiales sintéticos (los plásticos) entraron por primera vez en escena a mediados del siglo XIX, y se encuentran hoy en una amplia gama de aplicaciones.

La iniciación de una polimerización puede ser inducida por calor, por agentes químicos o por radiación (ultravioleta o radiación ionizante). La iniciación por calor o radiación se produce mediante un mecanismo de reacción vía radicales libres.

Con la polimerización se consiguen materiales con mayor resistencia al calor y a la oxidación, con mejores propiedades de corte y con mayor estabilidad mecánica.

Los neumáticos, equipos electrónicos, tuberías plásticas (agua) o plásticos aislantes, son sólo algunos ejemplos de materiales que se obtienen con esta tecnología.

Esterilización

Esta aplicación se basa en la acción bactericida de la radiación, es decir su capacidad para matar microorganismos patógenos.

La radiación ionizante permite esterilizar materiales tan diversos como alimentos, sangre, materiales plásticos.

Las fuentes de radiación que pueden utilizarse en esta aplicación son los rayos gamma y los aceleradores de partículas. Hay más de 650 aceleradores y 150 plantas de cobalto en el mundo. Para que os hagáis una idea de la importancia de la esterilización, la utilización de los productos médicos de un solo uso aumenta un 6,1% al año en Europa y un 6,2 % en Estados Unidos de América.

Historia resumida de la esterilización por radiación

1895: Röentgen descubre los rayos X.

1896: Se demuestra que los rayos X destruyen los microorganismos.

1930: Se demuestra la relación exponencial entre Dosis y Muerte.

1956: Ethicon, empresa pionera en esterilización con electrones (Suturas).

1960: Planta de demostración de Cobalto (Gamma) en Wantagh (R.U.).

1964: Ethicon establece una planta comercial de Cobalto para esterilización.

1975: Se inaugura la planta de electrones más grande del mundo para esterilización de productos médicos en Long Island.

Materiales que pueden esterilizarse con radiación ionizante

Es necesario asegurar que la dosis de radiación que se administra al material que se quiere esterilizar es lo suficientemente alta como para eliminar los microorganismos que pueda haber. Para ello, se utiliza el término SAL (Nivel de garantía de esterilización) que es la probabilidad de encontrar un microorganismo viable en el producto, tras su esterilización. Así las dosis de radiación que hay que administrar tienen que garantizar que el SAL es de 10^-6 (es decir que la probabilidad de encontrar un microorganismo en el material esterilizado sea de una en un millón). La dosis que garantiza este SAL es de 25.000 Gy.

Esquema de cómo se lleva a cabo la esterilización de material con radiaciones ionizantes.

Ensayos no destructivos

Estos ensayos se utilizan en industria para detectar defectos o detalles internos de la muestra o material, por ejemplo, para verificar las uniones de soldadura en tuberías.

Los ensayos no destructivos se basan en el siguiente principio: Los materiales cuando son irradiados absorben parte de la energía de radiación de manera proporcional al espesor y densidad del material. Así, cuanto más denso y espeso sea el material, más energía absorberá y por tanto menos energía llegará a la placa fotográfica dando una señal más clara (en una escala del blanco al negro). Por el contrario cuando el color de la placa fotográfica es negro (o muy oscuro) indica que el material que ha atravesado la radiación es de poco grosor o densidad, lo que sería indicativo de que el material está desgastado y por tanto puede romperse.

Dependiendo del tipo de radiación utilizada en el ensayo no destructivo, se habla de radiografías (Rayos X), gammagrafías (Rayos gamma) o neutrografías (neutrones).

Imágenes de algunos de los equipos utilizados en los ensayos no destructivos

Los ensayos no destructivos permiten ver el interior de muchos objetos o materiales, por lo que son técnicas muy valiosas para comprobar las soldaduras en tuberías (gaseoductos y oleoductos), el control de calidad de piezas metálicas fundidas o piezas cerámicas, o para detectar huecos o materiales de baja densidad dentro de materiales de elevada densidad (combustibles sólidos, circuitos impresos).

En la imagen se muestran tres radiografías hechas a tuberías. En la imagen de la izquierda puede observarse justo en el centro de la tubería una línea negra (más oscura que el resto), que indicaría que en esa zona la tubería está desgastada y podría romperse. En la imagen de la derecha se observan unos puntos muy oscuros, que indicarían muy poco espesor de material en esa zona.

Neutrografías de distintos materiales y equipos.

Los ensayos no destructivos también se utilizan en temas de seguridad y vigilancia. Todos los detectores de seguridad de aeropuertos, correos, edificios oficiales, etc. utilizan los rayos X para escanear bultos o personas.

Uso de los isótopos radiactivos como trazadores

La técnica se basa en la incorporación de isótopos radiactivos (radionucleidos) a determinados materiales, con el objetivo de seguir el curso o conocer el comportamiento de éstos mediante la detección de las radiaciones emitidas.

Los isótopos radiactivos utilizados como trazadores tienen la ventaja de que se pueden incorporar a cualquier proceso, sin alterarlo. Además se pueden detectar a distancia y en concentraciones mínimas.

Los trazadores radiactivos se utilizan para la medición de caudales y/o velocidades de fluidos en tuberías, para detectar filtraciones, fugas u obstrucciones en tuberías subterráneas,y para el estudio de desgaste y corrosión de piezas.

Los isótopos radiactivos más utilizados son: Yodo-131 (vida media de 8,05 días), Oro-198 (vida media de 2,7 días), Bromo-82 (vida media de 36 horas), Tritio (vida media de 12,2 días) y Cromo-51 (vida media de 27,8 días). Fundamentalmente se usan isótopos que emiten radiación gamma.

Cuenta la historia que la primera utilización práctica de un elemento radiactivo como trazador ocurrió en 1911, en una pensión de Manchester, Inglaterra. Uno de los huéspedes, llamado George de Hevesy, trabajaba como ayudante en un laboratorio en que se experimentaba con los radioisótopos, recientemente descubiertos. Cada noche, al servirse la comida que preparaba la dueña de la pensión, al parecer con esmero, a de Hevesy le asaltaba la sospecha de que le estaban dando sobras de los días anteriores. Conociendo las propiedades de los radioisótopos, se le ocurrió agregar una pequeña cantidad de un elemento radiactivo a los restos de su comida. Al día siguiente llevó a la pensión un electroscopio, instrumento capaz de detectar la radiación. Cuando el menú se repitió, acercó el electroscopio al plato y comprobó que la comida emitía radiación. Entusiasmado, intentó explicarle su descubrimiento científico a la dueña quien desgraciadamente fue poco receptiva a las palabras entusiastas y... de Hevesy tuvo que buscarse inmediatamente otra pensión. George de Hevesy continuó trabajando en el tema y en 1943 obtuvo el premio Nobel de Medicina por sus aportes al campo del uso de radioisótopos como trazadores.

Prospección

La prospección es la exploración del subsuelo basada en el examen de los caracteres del terreno y encaminada a descubrir yacimientos minerales, petrolíferos, aguas subterráneas o simplemente a conocer mejor ciertas características del terreno.

La prospección utilizando sondas neutrón-gamma permite conocer la porosidad de las rocas. Por métodos de dispersión de rayos gamma podemos conocer la densidad de los materiales del suelo o la cantidad de hidrógeno en las rocas.

Sondas neutrón-gamma

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