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Energía nuclear y las aplicaciones de la nanotecnología

Energía nuclear y las aplicaciones de la nanotecnología

 

El calentamiento global se ve influenciado por la liberación de gases de efecto invernadero, siendo el sector energético una fuente importante de los mismos. De acuerdo con la Agencia Internacional de Energía (IEA por sus siglas en inglés), en 2018 dos tercios de la producción de electricidad global provino de combustibles fósiles, que son los principales responsables de la emisión de dióxido de carbono, por lo que es necesario optar por otro tipo de energías (IEA, 2020; Knapp y Pevec, 2018; Lechter, 2019).

            En concreto, la energía nuclear es una opción viable ya que es capaz de generar una gran cantidad de energía con una baja liberación de gases (Pravalie y Bandoc, 2018). Para ello se recurre al proceso de fisión, donde una partícula sin carga llamada neutrón choca con un átomo de uranio,  dividiéndolo y liberando energía que se disipa en forma de radiación y calor, siendo este último utilizado para generar vapor e impulsar turbinas en la producción de electricidad (EIA, 2020; World Nuclear Association, 2021). Así, la energía nuclear es altamente energética y requiere de una pequeña cantidad de combustible. De hecho, 5 gramos de dióxido de uranio produce la energía equivalente a 640 kg de madera (Knapp y Pevec, 2018; Ricotti, 2013).

No obstante, las plantas nucleares necesitan de sistemas de seguridad que prevengan un sobrecalentamiento y un accidente que libere material radioactivo al ambiente. En el accidente nuclear de Fukushima 3 personas perdieron la vida y otras 21 fueron contaminadas con material radioactivo pero por debajo de los límites máximos de seguridad. Además, la Organización Mundial de la Salud reporta que en las poblaciones afectadas por la liberación de este material, existe un incremento de entre 4 y 7% de desarrollar algún tipo de cáncer, mientras que el 14.1% de las muertes globales por cáncer de pulmón se atribuyen a partículas PM2.5, las cuales, son emitidas durante la combustión de combustibles fósiles (Ricotti, 2013; Turner et al., 2020).

Otros argumentos que se suelen usar en contra de la energía nuclear son: Residuos nucleares cuyos niveles de radioactividad pueden mantenerse por miles de años, y que la energía nuclear es no renovable y una vez que se agoten las reservas de uranio, las plantas nucleares serán inútiles (Knapp y Pevec, 2018; Pravalie y Bandc, 2018). Para resolver esto, la nanotecnología se ha aplicado en varios rubros concernientes a la industria nuclear, principalmente enfocadas en la creación de materiales resistentes para el diseño y fabricación de reactores o para la contención y manejo seguro de los residuos nucleares.

Un ejemplo es la inclusión de nanopartículas en los sistemas de agua para conducir la energía térmica de una manera más apropiada y evitar el desperdicio de agua, ya que mucha energía térmica se disipa en la atmósfera en forma de vapor. También se ha planteado la inclusión de nanopartículas en los sistemas de seguridad de los reactores como un refrigerante en caso de un accidente o un mal funcionamiento (Malir., 2015).  

Otra aplicación consiste en evitar la generación de burbujas en los reactores de agua que disminuyen la eficiencia del proceso. Se ha descubierto que el recubrimiento de las varillas del combustible nuclear con nanopartículas de alúmina puede evitar la generación de burbujas y maximizar la eficiencia. (Mair, 2015). Por otro lado, se ha investigado que materiales como el óxido de Grafeno, son muy efectivos para la remoción de radionucleidos de medios líquidos, incluidos ácidos (Romanchuk et al, 2013). Otras estructuras utilizadas para el mismo propósito son los nanotubos de carbono y los fullerenos encapsulando distintos materiales.

Otra de las aplicaciones está en el combustible nuclear, pues en base en algunas investigaciones realizadas, se espera que el combustible obtenido de nanopartículas de óxido de uranio presente propiedades superiores a su contraparte convencional, y que probablemente en un futuro cercano, se vuelva uno de los temas más hablados en la ciencia de los materiales (Shi et al, 2012).

Así, se vuelve evidente que la energía nuclear puede ayudar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y que con la nanotecnología es posible ayudar a no generar tantos residuos y a tener plantas nucleares más seguras.

Referencias

[1] Energy Information Administration (EIA). (2020). Nuclear explained. https://www.eia.gov/energyexplained/nuclear/#:~:text=During%20nuclear%20fission%2C%20a%20neutron,itself%20over%20and%20over%20again.

[2] International Energy Agency (2020). Electricity Information: Overview. https://www.iea.org/reports/electricity-information-overview

 [3]        Knapp, V., Pevec, D. (2018). Promises and limitations of nuclear fission energy in combating climate change. Energy Policy, 120, 94-99.

[4]       Lechter, T. M. (2019). Why do we have global warming? Managing Global Warming, 3-15. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814104-5.00001-6

 [5]     Mair, L. O. (2015). Nuclear Power and Nanomaterials: Big Potential for Small Particles. Federation of American Scientist. https://fas.org/pir-pubs/nuclear-power-nanomaterials-big-potential-small-particles/ 

[6]     Pravalie, R. & Bandoc, G. (2018). Nuclear energy: Between global electricity demand, worldwide decarbonisation imperativeness, and planetary environmental implications. Journal of Environmental Management, 209, 81-92.

[7]         Ricotti, M. E. (2013). Nuclear energy: basis, present, future. EPJ Web of Conferences, 54. DOI: 10.1051/epjconf/20135401005 

[8]        Romanchuk, A. Y., Slesarev, A. S., Kalmykov, S. N., Kosynkin, D. V. & Tour, J. M. (2013). Graphene oxide for effective radionuclide removal. Physical Chemistry Chemical Physics. https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2013/CP/C2CP44593J#!divAbstract 

[9]      Shi, W. Q., Yuan, L. Y., Li, Z. J., Lan, J. H., Zhao, Y. L. & Chai, Z. F. (2012). Nanomaterials. Radiochimica Acta, 100, 727-736. DOI: 10.1524/ract.2012.1961

[10]        Turner, M. C., Andersen, Z. J., Baccarelli, A., Diver R., Gapstur, S. M., Pope, A., Prada, D., Samet, J., Thurston, G. & Cohen, A. (2020). Outdoor air pollution and cancer: An overview of the current evidence and public health recommendations. CA A Cancer Journal for Clinicians, 70.  DOI: 10.3322/caac.21632

[11]       World Nuclear Association. (2021). How does a nuclear reactor work? https://www.world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-does-a-nuclear-reactor-work.aspx

 

Acerca de los autores:

Jorge Jiménez Cisneros. Egresado de la Licenciatura en Nanotecnología e Ingeniería Molecular de la Universidad de las Américas Puebla (UDLAP). Cuenta con una publicación en The Handbook of Environmental Chemistry, bajo el título de: Nanotechnologies for Removal of Nonsteroidal Anti-inflammatory Drugs from Wastewater. Además, ha colaborado en el Laboratorio de Investigación de Electrocatálisis de la UDLAP.  Actualmente, participa en la Columna Científica de la Mesa Directiva de Nanotecnología e Ingeniería Molecular de la UDLAP. jorge.jimenezcs@udlap.mx

Victor Juventino San Martin Ovalle: Estudiante de la Universidad Tecnológica de Altamira de la carrera de Nanotecnología Área Materiales. Actualmente se encuentra cursando su TSU en la universidad y participa en la Columna Científica de la Mesa Directiva de Nanotecnología e Ingeniería Molecular de la UDLAP. 491810527@utaltamira.edu.mx

 

Por: Jorge Jiménez Cisneros. Egresado de la Licenciatura en Nanotecnología e Ingeniería Molecular de la Universidad de las Américas Puebla (UDLAP).

Victor Juventino San Martín Ovalle. Estudiante de la Universidad Tecnológica de Altamira de la carrera de Nanotecnología Área Materiales.

 

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