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Fuentes radiactivas y tecnologías alternativas en aplicaciones industriales

Este capítulo hace referencia a las aplicaciones industriales que utilizan fuentes radiactivas o tecnologías alternativas que no sean para las aplicaciones de esterilización, que se describen en el Capítulo 5. Son la radiografía industrial, los medidores industriales, el registro de pozos, los sistemas de calibración y los generadores termoeléctricos de radioisótopos (radioisotope thermoelectric generators, RTG). En particular, este capítulo no analiza la modificación de materiales, que utiliza la radiación de fuentes radiactivas, rayos X o haces de electrones (e-beams) para alterar las propiedades de los materiales para diversas aplicaciones comerciales, siendo la principal aplicación la reticulación de cadenas de polímeros para productos como el aislamiento de cables, los neumáticos de automóviles y los guantes de látex.¹ Esto se debe a que solo una pequeña fracción (estimada en menos del 10 por ciento) del suministro mundial de cobalto-60 se utiliza para esta aplicación² y, por lo tanto, no es un factor determinante en las decisiones de adopción de tecnologías alternativas.

6.1 RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL

La radiografía industrial se utiliza desde hace más de 50 años y es una herramienta esencial de los ensayos no destructivos (nondestructive testing, NDT) para la evaluación de la seguridad y los controles de calidad en muchas industrias. Según un representante de la industria que informó al comité, se venden más de 10,000 fuentes de radiografía al año en todo el mundo, de las cuales alrededor de 4,000 se venden en el mercado estadounidense. En Estados Unidos hay más de 1,000 licenciatarios de cámaras de radiografía.³

La radiografía industrial se basa en la transmisión y absorción/atenuación de energía electromagnética de longitud de onda corta (fotones de rayos gamma y rayos X) para visualizar estructuras como soldaduras y piezas de fundición para detectar defectos internos o porosidad; tuberías de gas y petróleo para detectar obstrucciones, corrosión y grosor de las paredes de las tuberías; estructuras industriales para garantizar que no haya grietas ni obstrucciones; y piezas de aviones y automóviles para detectar defectos. Una cámara de radiografía gamma o un tubo de rayos X dirige un haz de rayos gamma o de rayos X hacia el elemento que se está probando, y un detector (de película o electrónico) que está alineado con el haz en el otro lado del elemento registra los rayos gamma o los rayos X que atraviesan el material. El número de fotones que atraviesan el material es proporcional a su grosor y densidad. Como el material es más fino o menos denso donde hay una grieta o un defecto, pasan más fotones por esa zona. El detector crea una imagen a partir de los rayos que la atraviesan, llamada radiografía, que muestra las

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¹ Ver Organismo Internacional de Energía Atómica, Modificación material, en https://www.iaea.org/topics/material-modification.

² Ian Downie, Nordion, presentación al comité el 13 de octubre de 2020.

³ Mike Fuller y Mark Shilton, QSA Global, Inc, presentación al comité el 13 de octubre de 2020.

grietas o defectos. La radiografía también muestra diferencias en la densidad del material. La presencia de una inclusión metálica en una muestra de plástico, por ejemplo, se identifica con la radiografía tanto si el material tiene un grosor diferente en ese punto como si no. Además, una grieta o un defecto dentro de un material puede no dar lugar a una diferencia de grosor medible en el material, pero puede producir una diferencia en la absorbancia y la dispersión de fotones en relación con el material intacto que se revela con la radiografía. Es esencial que la fuente emita una energía que pueda penetrar en el material examinado y dar lugar a una imagen que tenga el contraste y la definición adecuados, ya sea en una película procesada o en una imagen digital.

Algunas radiografías se realizan en recintos o bóvedas blindadas para proteger al operador y al público de la exposición a la radiación. Lo más frecuente es que la radiografía se realice en ubicaciones remotas en el terreno, lo que requiere el transporte de la fuente y el detector/película hasta el lugar, normalmente en un camión móvil con cámara oscura. Por ejemplo, para inspeccionar oleoductos o gasoductos nuevos, se coloca una película sensible sobre la soldadura alrededor del exterior de la tubería. La cámara de radiografía se coloca en el exterior o en el interior (mediante un robot oruga) de la tubería, y una fuente radiactiva se desplaza hasta la posición de la soldadura. Cuando está en posición, la fuente radiactiva se expone a distancia y se produce una imagen radiográfica de la soldadura en la película, que luego se revela y examina en busca de signos de defectos. Otros ejemplos en los que se lleva a cabo la radiografía industrial sobre el terreno son las refinerías de petróleo, las plantas químicas, las plataformas en alta mar, las barcazas, los tanques de almacenamiento, los recipientes a presión, las tuberías, los puentes y los edificios.

6.1.1 Tecnologías radioisotópicas

La mayoría de las cámaras de radiografía utilizan iridio-192, pero una cantidad importante de dispositivos de radiografía utilizan cobalto-60 o selenio-75. El radioisótopo elegido depende del material a radiografiar y de su grosor. Los rayos gamma de mayor energía del cobalto-60 normalmente se utilizan para las secciones más gruesas de acero, de una a varias pulgadas. El iridio-192 se utiliza para el acero de hasta 2.5 cm de grosor, y el selenio-75 se utiliza para los metales más ligeros y finos. Normalmente, las fuentes de radiografía son fuentes de categoría 2 en el sistema del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). La Tabla 1.2 muestra la vida media y las emisiones radiactivas y energías de estos radioisótopos, y la Tabla 6.1 resume las características básicas de las cámaras de radiografía industrial en función del radioisótopo en particular.

Las cámaras de radiografía gamma están construidas con una carcasa de acero, normalmente soldada y cerrada, que encierra un escudo de uranio empobrecido, tungsteno o plomo. El uranio empobrecido (UE) se utiliza normalmente como blindaje para el iridio-192 debido a la alta densidad del UE y a su capacidad para blindar de forma segura las fuentes de alta actividad con las tasas de dosis externas que cumplen los requisitos reglamentarios. El tungsteno se utiliza normalmente para blindar las fuentes de selenio-75. La fuente se sujeta a un alambre corto o a un cable flexible corto, a menudo llamado "cola de cerdo" (ver la Figura 6.1), que coloca la fuente en la posición de blindaje y permite que la fuente se bloquee de forma segura en la posición de almacenamiento.

Una cámara de radiografía gamma puede ser de tipo proyector o direccional (ver la Figura 6.2a-c). En una cámara de tipo proyector, la fuente se proyecta fuera de la posición blindada de la cámara y se desplaza en un tubo guía hasta la posición deseada y luego se devuelve a la posición blindada al finalizar el tiempo de exposición. En una cámara de estilo direccional, la fuente no sale del dispositivo, sino que se desplaza fuera de su posición de almacenamiento blindada hasta un punto en el que la fuente puede exponer un objeto en una dirección limitada.

TABLA 6.1 Características básicas de las cámaras de radiografía industrial basadas en radioisótopos

^a De ASNT, 2019.

Las cámaras de radiografía convencionales tienen una envoltura física compacta para las fuentes de iridio-192 y selenio-75 que requieren menos blindaje y, por lo tanto, son más ligeras que las cámaras de fuente de cobalto-60. Las cámaras de radiografía tampoco requieren energía eléctrica, lo que las hace atractivas para varias industrias porque la mayoría de las inspecciones se realizan en ubicaciones remotas en el terreno al aire libre. Las cámaras de radiografía gamma pueden funcionar en condiciones climáticas y físicas difíciles. La mayoría de las cámaras de radiografía industrial están diseñadas para soportar condiciones normales y de accidente en el uso de acuerdo con la norma aplicable (ISO 3999) y durante el transporte en función de la orientación del OIEA (2018c). Según esta orientación, las cámaras deben cumplir con requisitos de prueba estrictos, como la prueba de caída desde 9-m y una prueba térmica de 800°C. Estos requisitos hacen que la cámara de radiografía gamma sea robusta y muy adecuada para su uso en aplicaciones de campo.

El tamaño pequeño de las cámaras de radiografía gamma convencionales (especialmente las que utilizan fuentes de iridio-192 y selenio-75) hace que sean fáciles de transportar y manejar en los lugares de trabajo (ver la Figura 6.3a-c) que presentan desafíos físicos como el trabajo en altura, condiciones de barro o polvo y temperaturas extremas. Se pueden maniobrar fácilmente alrededor de las instalaciones, y se pueden mover a través de tuberías de diámetro pequeño para hacer radiografías sin dificultad. Sin embargo, tienen desventajas de seguridad y protección porque las cámaras albergan un radionúclido de categoría 2 de alta actividad, y frecuentemente se transportan y a menudo se utilizan en lugares remotos sin medidas especiales de seguridad en algunos países. Cuando la cantidad de material radiactivo es considerable, como sucede con las fuentes de radiografía industrial, los accidentes podrían tener consecuencias graves o incluso mortales (Coeytaux et al., 2015; OIEA, 1998). Miles de estas cámaras están en uso o en transporte en todo el mundo en cualquier momento.

La radiografía gamma ha cambiado poco en los últimos 10 años; sin embargo, algunos cambios en el diseño de los equipos han mejorado la seguridad de su funcionamiento. La radiografía de área pequeña controlada (Small Controlled Area Radiography, SCAR) es un sistema de radiografía gamma direccional que utiliza una fuente radiactiva de baja actividad (selenio-75) dentro de un dispositivo de exposición compacto con colimación incorporada para mejorar la capacidad de inspección radiográfica con una dosis potencial de cuerpo entero mucho menor y para reducir la zona de exclusión de seguridad de la radiación a unos pocos metros de diámetro en lugar de hasta 100 m (ver la Figura 6.4a-b). También permite realizar otros trabajos en el lugar porque la dispersión de la radiación es menor. La SCAR se utiliza en lugares en los que el área para realizar radiografías es relativamente pequeña, como en las plataformas petrolíferas. La técnica SCAR es más popular en otros países que en los Estados Unidos. Esto probablemente se deba a que, históricamente, otros países han utilizado fuentes de menor actividad para realizar radiografías industriales que los Estados Unidos, ya que el límite de dosis anual para el trabajador es de 2 rem (20 milisievert [mSv]), frente al límite estadounidense de 5 rem (50 mSv). Las actividades de las fuentes utilizadas normalmente en los Estados Unidos son de 100 a 150 curie (Ci) (3.7-5.6 terabecquerel [TBq]) de iridio-192, mientras que las actividades de las fuentes utilizadas en la mayoría de los demás países están en el rango de 20 a 50 Ci (740 gigabecquerel [GBq] a 1.85 TBq) para limitar la exposición del personal.

6.1.2 Tecnologías alternativas

Si bien tanto los fotones de rayos X como los de rayos gamma pueden producir una calidad de imagen similar en una radiografía requerida por el código industrial, el equipo en sí es muy diferente. A diferencia de los radionucleidos, los dispositivos de rayos X generan un rango continuo de energías de fotones hasta un máximo determinado según el voltaje operativo. Los dispositivos de rayos X convencionales generalmente requieren una potencia de 220 V, que puede ser difícil de suministrar en el campo. También requieren un sistema de refrigeración y son demasiado grandes como para moverse a través y alrededor de tubos y otra infraestructura. La mayoría de los sistemas de rayos X son más adecuados para trabajos de instalación permanente y no se pueden usar de manera económica en la mayoría de los lugares de trabajo transitorios debido a su tamaño, peso y accesibilidad y a sus requisitos de energía eléctrica y, generalmente, requieren el uso de andamios costosos. En comparación, los tubos guía de las fuentes que se utilizan en las cámaras de radiografía gamma se pueden introducir en áreas extremadamente pequeñas y limitadas para producir imágenes radiográficas.

Los sistemas de rayos X normalmente no son tan robustos como las cámaras de radiografía gamma industrial en entornos físicos desafiantes. El tubo de rayos X tiene más probabilidades de sufrir daños en un entorno de campo. Por lo tanto, si bien las fuentes de rayos X son adecuadas para su uso en una instalación fija, no han sido la opción preferida para la radiografía en sitios en el campo. Sin embargo, los avances en el diseño de los rayos X han llevado al desarrollo de fuentes de rayos X pulsados que funcionan con energía de baterías y tienen un tamaño físico cercano al de la carcasa de una fuente radiactiva (Light, 2008). Las unidades de rayos X pulsados han mejorado enormemente en cuanto a su portabilidad y resistencia a lo largo de los años y podrían ser una alternativa viable en algunos sitios remotos (Golden, 2014). Ofrecen algunas ventajas sobre la radiografía gamma tradicional, como

TABLA 6.2 Comparación de rendimiento entre pruebas ultrasónicas automatizadas (AUT) y radiografía gamma para diferentes tipos de defectos

FUENTE: Modificado de Mike Fuller y Mark Shilton, QSA Global, Inc., presentación al comité el 13 de octubre de 2020, para incluir rayos X.

menores tiempos de exposición y la necesidad de contar con áreas controladas más pequeñas. Sin embargo, la necesidad de reemplazar frecuentemente los tubos, y el costo elevado de su reemplazo, así como su necesidad de uso frecuente hacen que la radiografía gamma aún sea la opción más confiable y preferida.

Como se señaló en el Capítulo 4, RadiaBeam, una pequeña empresa receptora del Programa de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas (SBIR) de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear, desarrolló un micro-linac que la compañía investigó como un reemplazo potencial de las fuentes de iridio-192 para la radiografía industrial. Se consideró que el costo de fabricar estas máquinas era demasiado elevado y que no podía competir con el costo relativamente bajo de las fuentes de iridio-192. RadiaBeam se encuentra en las etapas de investigación iniciales para desarrollar un linac compacto de 1 MeV que funciona a batería que, si tiene éxito, produciría rayos X con más energía que un tubo de rayos X y, por lo tanto, tendría energías similares a las del iridio-192. Debido al bajo consumo de energía, esta tecnología no requeriría refrigeración por agua. Este concepto propuesto requiere un trabajo adicional considerable para crear un modelo de trabajo que pueda probarse en el campo. El representante de RadiaBeam que brindó información al comité reconoció que es poco probable que esta tecnología nueva pueda igualar el precio bajo de usar radioisótopos ya probados y fáciles de conseguir, a pesar de la necesidad de reemplazar de forma rutinaria las fuentes de iridio-192.⁴

Las pruebas ultrasónicas automatizadas (automated ultrasonic testing, AUT), una alternativa a la radiografía industrial, emiten ondas ultrasónicas hacia el interior de un material inspeccionado. Estas ondas reflejan o dispersan imperfecciones o defectos en el material, así como en las superficies externas del material. El detector mide las diferencias de tiempo en el regreso de estas ondas acústicas desde las imperfecciones y las superficies exteriores para determinar las formas y las ubicaciones de las imperfecciones. Los escaneos requieren un examen y una interpretación hábiles por parte de técnicos capacitados y certificados, y la interpretación de las imágenes puede ser subjetiva según la experiencia del operador (Moran et al., 2015). Si bien los métodos de radiografía con radioisótopos y rayos X pueden detectar un espectro amplio de imperfecciones que pueden surgir como resultado de la soldadura, las diferencias en la física hacen que cada método sea sensible a un tipo de imperfección en particular: la radiografía es adecuada para detectar imperfecciones volumétricas como la escoria y la porosidad, mientras que el ultrasonido es más adecuado para detectar imperfecciones planas, como grietas y falta de fusión. En la Tabla 6.2 se muestra una comparación de la respuesta de la medición entre la radiografía industrial que usa rayos gamma y las AUT.

En 2009, la Comisión Reguladora Nuclear de los EE. UU. (U.S. NRC) proporcionó fondos al Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) para realizar una revisión de la literatura (Moran et al., 2010) a fin de ayudar a comprender problemas relacionados con la intercambiabilidad de las AUT con la radiografía industrial. La revisión del PNNL se centró en el reemplazo de la radiografía con las AUT, específicamente durante la construcción de reactores de energía nuclear; sin embargo, es probable que los resultados se puedan extrapolar a otros usos actuales de la radiografía y las AUT. La revisión concluyó que las AUT eran viables para la radiografía en algunos casos; sin embargo, las técnicas para el uso de las AUT actualmente no están definidas de manera adecuada y sería necesario especificarlas o definir un estándar para su desempeño.

6.1.3 Consideraciones sobre la adopción de tecnologías alternativas

Las fuentes radiactivas continúan siendo el método preferido para los NDT industriales en operaciones en campos remotos porque las alternativas aún no son iguales o superiores en términos de su capacidad para detectar

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⁴ Salime Boucher, RadiaBeam Technologies, LLC, presentación al comité el 17 de diciembre de 2020.

fallas, proporcionan imágenes que no pueden interpretarse fácilmente y son más costosas y no tan robustas. Por estas razones, la adopción de alternativas como rayos X y AUT para los NDT industriales ha sido lenta.

Al igual que en las aplicaciones médicas, con los avances que se están realizando en los recursos informáticos y el software analítico sofisticado, la radiografía industrial está aumentando su uso de la radiografía digital para reemplazar las imágenes convencionales en película en algunas aplicaciones. La imagen se captura en placas de fósforo y se digitaliza, y luego se puede interpretar y guardar fácilmente. La imagen digitalizada se puede mejorar mediante software, lo que hace que sea más fácil de interpretar. Debido a que las placas de fósforo requieren menos energía para producir una imagen, se puede reducir el tiempo de exposición y el área de exclusión de la radiación. Además, permite el uso de fuentes radiactivas de menor actividad.

Actualmente, existen algunas desventajas en el uso de la radiografía digital en comparación con la película, como costos de capital iniciales más elevados, limitaciones en el uso de las placas de fósforo en ubicaciones en el campo, placas de fósforo que son planas y actualmente no se pueden doblar alrededor de tubos, y requisitos de capacitación adicionales. Sin embargo, a medida que estas se aborden, se espera que el uso de la radiografía digital aumente. Un documento oficial de 2017 emitido por SGS, una compañía líder en servicios de inspección de ensayos, muestra estimaciones de que el uso de la radiografía digital es aproximadamente el 10 por ciento de todas las radiografías y probablemente aumente en el futuro (Montes y Taylor, 2017).

Al igual que lo que sucede con la radiografía frente a las AUT, las tecnologías de aceleradores muy probablemente complementarán la radiografía, en lugar de sustituirla. Probablemente, las tecnologías más nuevas se utilicen junto con fuentes radiactivas, a menos que las regulaciones prohíban los radioisótopos o que haya dificultades con la disponibilidad de radioisótopos. A los diversos tipos y las diversas calidades de haces de iones y de electrones se aplican diferentes principios físicos, por lo que todos miden parámetros diferentes y todos son valiosos. El taller de 2019 sobre aceleradores organizado por el Departamento de Energía (DOE) (2019) concluyó que es necesario contar con mejoras adicionales de la tecnología fundamental para miniaturizar y estabilizar (es decir, aumentar la vida operativa y la resistencia) los haces de alta energía de iones y electrones y reducir el costo de generarlos.

Los países en desarrollo también están utilizando técnicas sin radioisótopos para NDT. En particular, el OIEA ha estado brindando asistencia técnica sobre una variedad de técnicas de radiación para NDT a los Estados miembro que solicitan dicha capacitación y orientación. Por ejemplo, en 2009, con la asistencia del OIEA, el Centro de Ensayos No Destructivos del Instituto de Energía Atómica de Vietnam comenzó a adoptar la radiografía digital para reemplazar la película de rayos X tradicional y, 10 años después, había puesto en funcionamiento 15 máquinas de radiografía digital (Marais, 2019).

El equipo de radiografía industrial es muy robusto y se puede utilizar durante décadas con una necesidad de mantenimiento mínimo. Esto hace que las compañías no reemplacen el equipo de trabajo y provoca el aplazamiento de los costos de capital que implica la compra de sistemas más sofisticados y costosos. El manejo de una cámara de radiografía industrial no es difícil de aprender ni de llevar a la práctica. Si bien solo se requieren alrededor de 160 horas de capacitación para recibir una certificación para manejar este dispositivo, los requisitos obligatorios incluyen los principios de la radiación y la radiografía, la capacitación en seguridad, la interpretación y el procesamiento de películas radiográficas, así como la capacitación en el trabajo como asistente de técnico en radiología.⁵ Debido a su facilidad de manejo y su costo operativo bajo, así como su capacidad para usarlo en ubicaciones remotas sin energía externa, muchos países en desarrollo continuarán usando el equipo gamma en lugar de los sistemas de rayos X.

El comité tiene conocimiento de que, en Francia, se está realizando un trabajo significativo para identificar tecnologías de reemplazo para las cámaras de radiografía gamma. Un grupo de trabajo colaborativo en Francia, coordinado por la Confédération Française Pour les Essais Non Destructifs y la Sociedad Francesa de Radioprotección ha estado investigando la mejora del rendimiento de la radiografía industrial en cuanto a la seguridad y posibles alternativas al uso de las fuentes gamma. En conferencias organizadas por el OIEA (Martin, 2013) y otros, ⁶ los presentadores reconocieron que aún faltan algunos años para reemplazar la radiografía gamma por las AUT u otras alternativas. Esto se debe a las limitaciones técnicas de la tecnología nueva y al tiempo necesario para llevar a cabo las validaciones y el desarrollo de estándares. Sin embargo, se reconoce que estas tecnologías nuevas seguirán siendo principalmente complementarias a la radiografía gamma.

Una razón por la que es probable que la radiografía industrial se siga utilizando extensamente en el futuro inmediato es que no se han desarrollado alternativas para algunas aplicaciones, por ejemplo, obtener una radiografía del perfil del cuerpo de una válvula para determinar si la válvula está completamente cerrada. Se seguirán desarrollando equipos

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⁵ Ver https://atslab.com/training/rt-certification.

⁶ Reunión ad hoc de los Estados interesados involucrados con alternativas tecnológicas a las fuentes radiactivas de alta actividad, OIEA. Viena, Austria, 23 al 24 de mayo de 2019.

y técnicas ultrasónicos avanzados; sin embargo, la mayoría de los usuarios todavía no están dispuestos a aceptar o interpretar los resultados, y muchos usuarios desean ver una imagen directa que no requiera interpretación.⁷ Contar con equipos de mayor nivel y un nivel más alto de calificaciones técnicas implica un costo mayor. Los usuarios no están dispuestos a pagar costos más elevados por tecnologías alternativas cuando los métodos básicos ya probados funcionan a un costo menor. En general, la radiografía con radioisótopos ofrece costos operativos considerablemente más bajos para lograr resultados de inspección buenos. Además, algunos métodos para los NDT pueden ser irrelevantes como método de inspección válido. La mayoría de los ingenieros de NDT sopesan los métodos de inspección para la detectabilidad de los defectos, el tipo de defecto en el material en cuestión, la accesibilidad y el aspecto económico del método que se utiliza.

6.2 MEDIDORES INDUSTRIALES

Los medidores industriales radiactivos fijos se han utilizado en toda la industria durante 70 años para medir el espesor, la densidad o el nivel de llenado de un producto mientras se está fabricando o procesando sin entrar en contacto con el material en sí. Los medidores del espesor se utilizan en el procesamiento para garantizar que la totalidad de un producto o material tenga el mismo espesor en todos lados, o para asegurarse de que el recubrimiento de un material sea uniforme. Los medidores de densidad se utilizan en la producción de cemento, petróleo y carreteras para garantizar que la densidad de un material sea constante. Los medidores del nivel de llenado verifican la cantidad de material dentro de un recipiente, proporcionan un monitoreo continuo durante la producción y se pueden encontrar en muchas industrias, incluidas las plantas de embotellado.

Los medidores industriales radiactivos fijos están montados de forma permanente en una ubicación específica. Normalmente, los objetos bajo escrutinio pasan por el medidor fijo que contiene la fuente radiactiva en una cinta transportadora, una tubería o un recipiente para su inspección. Se coloca un detector de radiación en el lado opuesto del objeto desde la fuente. Cuando la fuente radiactiva está expuesta, el medidor emite radiación, y parte de la radiación atravesará el sólido o líquido que se está probando. El resto de la radiación es absorbida por el objeto. Cualquier radiación que pueda atravesar completamente el objeto se medirá en el detector y se transformará en una señal eléctrica que permitirá realizar un análisis.

Los medidores de tubos giratorios evalúan las longitudes de los tubos de acero usados que están destinados a ser reutilizados. Esto permite la identificación de corrosión, erosión u otros defectos en el tubo antes de que se pueda colocar en un sistema que podría, si fallara incluso un solo tubo, causar problemas económicos, ambientales y de salud devastadores.

En los medidores de cintas transportadoras, hay instrumentos de medición de la tasa de flujo que miden la cantidad de sustancia que fluye a través de la sección transversal de un tubo por unidad de tiempo. La cantidad medida se genera como masa o volumen. Las aplicaciones típicas para la tasa de flujo miden gases, vapores y líquidos reactivos o viscosos en tuberías. También miden sólidos a granel en cintas transportadoras en muchas industrias, como la minería, los materiales de construcción, la generación de energía y la industria de la pulpa y el papel.

Los medidores para alto horno se utilizan en la fabricación del acero, y se utilizan fuentes de cobalto-60 para medir el desgaste del revestimiento refractario mediante el monitoreo del espesor del revestimiento de estos recipientes sellados. Estos medidores pueden proporcionar datos sobre los flujos de gas y materiales, lo cual es información útil para el control de precisión del alto horno.

En la minería, los minerales como el oro, el cobre y el zinc se liberan de la lechada de minería mediante el uso de un autoclave de diámetro grande con paredes del tanque gruesas. El medidor se usa dentro del autoclave para medir el nivel y el nivel de punto de la lechada y funciona en condiciones abrasivas y de temperatura y presión elevadas.

En la industria del petróleo y el gas, hay un proceso para eliminar el coque del crudo pesado que ocurre a temperaturas extremas, que alcanzan los 930°F. Para medir el nivel del coque en el tanque, se utilizan medidores industriales. Otras tecnologías de medición tienden a fallar o son extremadamente poco confiables.

La industria petroquímica utiliza medidores de nivel en diversos procesos para separar productos en tanques grandes con paredes gruesas del recipiente. Normalmente, los procesos de separación están expuestos a material sumamente abrasivo o corrosivo. Debido a estas condiciones, no es posible usar una técnica de medición invasiva dentro del tanque.

El dragado utiliza un medidor para medir la densidad y la tasa de flujo del material dragado y es un método bien establecido en la industria del dragado. Montado en la pared exterior de la tubería, el sistema de medición de la densidad proporciona lecturas estables en condiciones de vibración extrema. Los sistemas de medición de la densidad en las aplicaciones de dragado se utilizan para el control continuo de los procesos en las tuberías. Durante la medición, las propiedades del flujo del material no se ven afectadas por este método sin contacto.

En todas estas aplicaciones, el medidor de la densidad o el nivel es una tecnología bien establecida que proporciona resultados precisos y repetibles, una medición en tiempo real durante el funcionamiento y una gran

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⁷ David Tebo, de Team Inc., presentación al comité el 12 de junio de 2020.

estabilidad de la medición. Tampoco tiene ningún impacto en el material que se está midiendo, porque la medición se lleva a cabo sin contacto, con una instalación sencilla fuera del recipiente.

6.2.1 Fuentes radiactivas

Los radionucleidos primarios que se utilizan en los medidores industriales fijos son el cesio-137 y el cobalto-60. Las actividades oscilan entre 0.05 Ci y 5 Ci (1.85 a 185 GBq) para el cesio-137 y entre 0.25 Ci y 10 Ci (9.75 a 370 GBq) para el cobalto-60, y se clasifican en fuentes de Categoría 3 y Categoría 4 según el sistema de clasificación del OIEA.

Los medidores tienen una construcción simple y resistente que consiste en una carcasa de acero llena de plomo, tungsteno o acero como blindaje (ver la Figura 6.5). Las fuentes radiactivas utilizadas en el dispositivo cumplen con los requisitos de forma especial y los estándares de alto rendimiento de la norma ISO 2919 para las fuentes de medición. Los medidores se utilizan al girar la fuente hasta la posición expuesta para realizar la medición, y luego de regreso a la posición guardada y blindada al terminar la medición. Los dispositivos requieren poco mantenimiento y funcionan de manera confiable durante años con un soporte mínimo.

Los medidores normalmente se utilizan en entornos hostiles, como entornos a temperaturas y presiones altas, dentro y alrededor de materiales corrosivos y abrasivos, y en condiciones de vibración excesiva. Las instalaciones que requieren la realización de pruebas suelen ser recipientes grandes con paredes gruesas y, con frecuencia, están ubicadas en lugares de difícil acceso. Las fuentes de los medidores están montadas de forma permanente en el exterior del recipiente y requieren una gran cantidad de energía para penetrar las paredes.

6.2.2 Tecnologías alternativas

Como se mencionó anteriormente, los sistemas de medición radiométrica, es decir, los que utilizan fuentes radiactivas, normalmente se utilizan cuando existen condiciones extremas en el proceso, como altas temperaturas, altas presiones y entornos industriales corrosivos, porque las mediciones radiométricas no requieren el contacto con el material que se está midiendo. Cuando estos tipos de condiciones no están presentes, con frecuencia, la industria ha preferido utilizar técnicas alternativas sin radioisótopos. Estas técnicas (ver la Figura 6.6) utilizan un radar, un radar guiado, ultrasonidos y presión diferencial, y requieren acceso al material dentro del tanque o el tubo.

El radar se utiliza para mediciones de niveles. Estos sistemas de ondas de radio normalmente se montan en la parte superior de un tanque lleno con un líquido o sólido. El sistema envía una señal de radar hacia el producto y recibe como respuesta un reflejo de la señal. En base al tiempo que tarda en volver la señal, el sistema analiza el nivel de llenado actual del tanque. El radar tiene una precisión alta para la medición, y la temperatura o la presión no lo afectan.

La medición ultrasónica del nivel funciona mediante el montaje de un transductor ultrasónico en la parte superior de un contenedor que contiene líquido. El transductor envía un pulso ultrasónico que se refleja desde la superficie del líquido. Luego, el sensor calcula el nivel de llenado en base al tiempo transcurrido entre la señal transmitida y la recibida.

La medición de la presión diferencial puede medir el nivel, la densidad y la tasa de flujo. Funciona al medir las diferentes presiones en el interior y el exterior del recipiente. El diferencial se convierte en una señal electrónica y se analiza. Esta técnica puede cubrir una amplia gama de aplicaciones diferentes y puede detectar diferencias de unos pocos milibares.

6.2.3 Consideraciones sobre la adopción de tecnologías alternativas

La consideración más importante para la adopción de tecnologías alternativas para reemplazar los medidores que utilizan fuentes radiactivas es la capacidad de funcionar en entornos de procesos hostiles, donde el sistema de medición no está en contacto directo con el material que se está midiendo, como se mencionó anteriormente. Las mediciones por radiación son útiles para estas condiciones sin contacto. Un sistema de rayos X parecería ofrecer esa capacidad, y la mayoría de los fabricantes de medidores fabrican algunos sistemas de rayos X. Sin embargo, estos sistemas de rayos X aún no son tan resistentes como los sistemas de medición de fuentes radiactivas.

Además, muchos medidores con fuentes de Categoría 3 se utilizan en sistemas de control de procesos con condiciones extremas, como temperaturas y/o presiones altas, medios que son abrasivos o pegajosos, sitios donde se someten a una vibración o agitación excesivas y otros entornos operativos hostiles que actualmente las otras tecnologías no pueden resistir. Por estas razones, es poco probable que en un futuro cercano haya una alternativa que utilice cualquier otra tecnología para los medidores que utilizan fuentes de Categoría 3.

Si bien la presión diferencial (PD) se usa con bastante frecuencia, cuando esto es posible, las limitaciones en este caso pueden ser la temperatura, la acumulación, los medios pegajosos, los medios abrasivos o el cambio de la densidad del medio. Muy frecuentemente, los usuarios solicitan dos mediciones físicas principales independientes para que la presión diferencial y las mediciones radiométricas se puedan combinar para obtener redundancia en los resultados. En las aplicaciones mineras y petroquímicas, la PD podría usarse, pero no ha demostrado ser tan confiable como los medidores radiométricos debido que produce lecturas inexactas cuando la densidad del medio cambio y debido a la vida útil corta del sensor. Por lo tanto, no ha sido una alternativa viable.

Para las operaciones de dragado, se han utilizado sistemas ultrasónicos como reemplazo de los medidores radiométricos, pero estos requieren un gran esfuerzo para su instalación, son difíciles de calibrar y son muy sensibles a la vibración.

En la industria del petróleo y el gas y, especialmente, en los “coquizadores”, no existe una alternativa viable debido a las temperaturas extremadamente altas que se necesitan en estos recipientes.

Con todas estas tecnologías y aplicaciones no radioisotópicas, es posible que haya alguna mejora en el futuro cercano, pero los límites físicos son los factores limitantes, y estos tendrían que superarse para contar con alternativas viables.

En términos generales, con el aumento de la sensibilidad de los detectores, existe una tendencia a utilizar fuentes de menor actividad y, en muchos casos, las fuentes de Categoría 3 que se utilizan actualmente se pueden reemplazar con fuentes de Categoría 4. Debido a su mayor sensibilidad, las fuentes de Categoría 3 se pueden utilizar durante períodos de tiempo más prolongados incluso a medida que la fuente se desintegra hasta tener una actividad más baja, por lo que no es necesario reemplazarlas con tanta frecuencia, lo que retrasa, por consiguiente, la necesidad de eliminarlas. Como resultado, en el futuro cercano, muchas de estas aplicaciones utilizarán fuentes de Categoría 4 y, posteriormente, reducirán los riesgos de seguridad.

Para algunas aplicaciones, no existe una tecnología alternativa viable que pueda reemplazar actualmente el uso de medidores con fuentes radiactivas. Al igual que lo que sucede con la radiografía industrial, actualmente, el uso de tecnologías alternativas es complementario al uso de medidores con fuentes radiactivas, y esta condición probablemente continúe en el futuro cercano.

6.3 REGISTRO DE POZOS

El registro de pozos se ha utilizado durante más de 90 años para explorar la estructura y composición de rocas y fluidos en el subsuelo, medir las propiedades petrofísicas fundamentales de los reservorios y estimar el potencial de recursos. La aplicación más común del registro de pozos es la búsqueda de reservas de hidrocarburos recuperables por parte de la industria petrolera. El registro de pozos también es una técnica importante que se utiliza en la búsqueda de recursos minerales, geotérmicos y de aguas subterráneas.

Hay más de 900,000 pozos de petróleo y gas activos en los Estados Unidos y millones más en todo el mundo. De 2014 a 2018, se perforaron más de 19,000 pozos de petróleo y gas cada año en los Estados Unidos. Antes de la pandemia de COVID-19, se pronosticaba que se completarían aproximadamente 21,500 pozos de petróleo⁸ por año desde 2020 hasta 2022 (Garside, 2019). La desaceleración de la actividad económica y el consumo de petróleo inducida por la pandemia provocó una marcada disminución de los precios del petróleo y el gas y una disminución concomitante de la perforación y exploración. (Ver análisis adicional en la Sección 6.3.3.)

El registro de pozos moderno se realiza simultáneamente durante la perforación (registro durante la perforación [LWD]) o después de perforar el pozo bajando un cable que incorpora instrumentos especiales en un pozo abierto o entubado. Cada enfoque tiene ventajas específicas. Brevemente, LWD proporciona información rápida del subsuelo que puede ayudar a guiar la perforación casi en tiempo real, pero la presión extrema, la temperatura y las condiciones mecánicas del entorno de perforación, junto con la necesidad de alimentar una herramienta de registro relativamente pequeña y recuperar datos de registro, limitan tanto el tipo de dispositivo que se puede implementar como la cantidad de datos que se pueden transmitir de manera confiable a la superficie durante la perforación. Por el contrario, el registro con cable permite el uso de una gama más amplia de herramientas de registro, pero debido a que los datos están disponibles solo después de perforar el pozo, esta información no se puede usar para tomar decisiones durante la perforación. Perforar un pozo de exploración de petróleo es una actividad costosa y arriesgada que le cuesta al operador un promedio de $200,000 a $300,000 por día en el caso de una plataforma de perforación en alta mar (IHSMarkit, 2020). La perforación para la exploración y producción de minerales o aguas subterráneas es menos costosa, pero sigue siendo costosa.

El registro de pozos es una actividad muy especializada. Un operador, generalmente una importante compañía petrolera internacional que opera sola o como líder de un sindicato de compañías, contrata a un proveedor de servicios para diseñar e implementar un conjunto de herramientas de registro apropiadas, recopilar los datos de registro y proporcionar registros de pozos interpretados. Luego, el operador usa estos registros para inferir parámetros petrofísicos del subsuelo que pueden usarse para estimar el potencial de recursos, el costo de producción y el riesgo concomitante del proyecto. Hay más de 200 proveedores de servicios de registro de pozos en los Estados Unidos. Casi

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⁸ La terminación de pozos incorpora los pasos dados para transformar un pozo perforado en uno productivo. Estos pasos incluyen revestir, cementar, perforar, empacar con grava e instalar un árbol de producción, todos los cuales generalmente se realizan después de que se haya registrado el pozo.

todas son empresas pequeñas y medianas y proporcionan aproximadamente del 60 al 70 por ciento de las unidades de registro en los Estados Unidos. Sin embargo, el número de unidades de registro de una empresa de registro no se equipara con el volumen de actividad de registros que ofrece una empresa. Las principales empresas de registro internacionales integradas tienen un volumen de negocio mundial mucho mayor que el de las 200 empresas de registro pequeñas y medianas juntas. De las cuatro principales empresas de registro internacionales, dos (Halliburton y Baker-Hughes) son de origen estadounidense y Schlumberger, una empresa de origen francés, tiene sedes en Estados Unidos y Francia. La cuarta, Weatherford, se formó a partir de un conglomerado de varias empresas con sedes en el Reino Unido y los EE. UU. y ha salido del mercado estadounidense. No está claro cómo se desarrollará la competencia en los próximos años o décadas, dados los diversos factores que afectan la demanda de registro de pozos (ver análisis en la Sección 6.3.3). Las principales empresas de registro cuentan con los recursos tecnológicos y financieros para el desarrollo de alternativas al registro de pozos basado en radioisótopos. Han invertido en la investigación de alternativas y algunos han lanzado técnicas alternativas comerciales o experimentales basadas en la tecnología nuclear.

Se ha desarrollado y desplegado una amplia gama de técnicas de registro, que a los efectos de este informe se pueden clasificar en tres amplias categorías (ver Tabla 6.3):

1. Técnicas no nucleares que no incorporan una fuente de radiación ionizante (ver un breve análisis a continuación sobre los aspectos de algunas de estas técnicas);
2. Técnicas convencionales de radioisótopos que incorporan una fuente sellada de radiación ionizante (ver la Sección 6.3.1 para un análisis detallado); y
3. Técnicas de fuentes de neutrones alternativas que utilizan aceleradores de deuterio y/o tritio (ver la Sección 6.3.2 para un análisis detallado).

Las técnicas no nucleares incluyen matrices acústicas, sensores eléctricos y electromagnéticos, magnetómetros, herramientas de resonancia magnética nuclear y sensores de temperatura, presión y dimensiones. Estas técnicas tienden a complementar las técnicas basadas en radioisótopos, como se analiza con más detalle en la Sección 6.3.3. Los aspectos técnicos de estas técnicas no nucleares incluyen los siguientes conceptos sobre lo que se está midiendo, cómo se realizan las mediciones y qué registros se documentan (ver el Recuadro 6.1 sobre la importancia de los registros de pozos en la exploración petrolera).

El potencial propio, también llamado potencial espontáneo (SP), mide la diferencia de voltaje entre los electrodos en una herramienta de fondo de pozo. Al agregar una fuente de corriente eléctrica en la sonda, se puede medir la

TABLA 6.3 Técnicas de registro de pozos

NOTA: AmBe = americio-241/berilio; D-T = deuterio-tritio; LWD = registro durante la perforación; RF = radiofrecuencia.

FUENTE: NRC, 2008.

resistividad entre los electrodos o las bobinas del transmisor y el receptor. La composición del material de las rocas en la capa geológica inspeccionada afecta la resistividad medida. Se puede usar un registro de las mediciones de resistividad (ver Figura 6.7) para estimar la porosidad de la capa y el contenido de fluido de los poros. Las bobinas de inducción electromagnética se utilizan normalmente para medir la resistividad. Específicamente, la bobina transmisora envía la señal electromagnética a la formación geológica, y la bobina receptora recopila las señales inducidas de la formación para medir la resistividad aparente. Además, a veces se usa una herramienta de constante dieléctrica para ayudar a medir el contenido de agua y los tipos de rocas en la formación. La constante dieléctrica mide la capacidad de un material para almacenar energía eléctrica cuando se aplica un campo eléctrico y, en este caso particular, la herramienta utiliza frecuencias de microondas en el rango de unos pocos megahercios a 1.1 gigahercios.

La medición directa de la presión de formación es útil para calibrar otras mediciones y para comparar resultados relacionados directa o indirectamente con la presión de formación. Tales calibraciones y comparaciones incluyen sondas de termistor que miden la temperatura del pozo, calibradores de pozo que miden diámetros y televidentes de fondo de pozo que miden formas.

El registro sónico se logra midiendo la velocidad de las ondas acústicas en la formación entre una fuente y un receptor en la sonda. La velocidad de la onda acústica es un indicador de la porosidad y el contenido de fluido de un tipo de roca determinado. Se puede recopilar información más sofisticada a partir de matrices que miden las velocidades de las ondas compresionales (P), cortantes (S) e incluso guiadas (Stoneley).

Los registros magnéticos se hacen bajando varios tipos de magnetómetros en el pozo, más comúnmente en la exploración de minerales para determinar variaciones en las propiedades magnéticas de la formación, como la susceptibilidad y la remanencia (la inducción magnética que queda en una sustancia después de eliminar el campo magnético externo aplicado). Dependiendo de la aplicación, se registran las variaciones en el campo magnético total, sus componentes vectoriales y/o sus gradientes tensoriales.

La porosidad y permeabilidad de las formaciones geológicas dependen del contenido de fluido y de los espacios porosos que contienen fluidos. Al aplicar un campo magnético fuerte, los átomos de hidrógeno en el fluido (típicamente agua e hidrocarburos) alinearán sus momentos magnéticos. Esta técnica se llama resonancia magnética nuclear (NMR), que es un método de imágenes médicas muy conocido (aunque en medicina se conoce como imágenes por resonancia magnética [MRI]). Cuando el campo magnético disminuye, los núcleos de hidrógeno se relajan a su estado original y emiten señales que pueden detectarse. Las señales medidas pueden usarse para medir la ubicación, concentración y densidad de los átomos de hidrógeno y así inferir la porosidad y permeabilidad de

la formación. Debido a que la intensidad del campo magnético disminuye precipitadamente con la distancia y los medios geológicos tal como el lodo en las paredes del pozo atenúan el campo magnético, la NMR es útil para medir la porosidad y el contenido de agua en las rocas muy próximas al pozo.

6.3.1 Tecnologías de radioisótopos

Las dos tecnologías de radioisótopos más comunes utilizadas en registros de pozos de petróleo emplean fuentes de cesio-137 y fuentes de neutrones de americio-241-berilio (AmBe), a menudo empaquetadas en la misma herramienta de fondo de pozo. Ambas tecnologías se caracterizan por emisiones de radiación estables que, a diferencia de muchas tecnologías alternativas candidatas, no se ven afectadas por condiciones ambientales extremas en el fondo del pozo, como golpes y vibraciones mecánicas continuas e intensas, altas temperaturas y altas presiones. Ambos tipos de fuentes contienen radioisótopos retenidos en óxidos refractarios sólidos o cerámicas de vidrio que se sellan de manera segura utilizando contenedores de metal de pared doble o triple.

Las fuentes de radioisótopos tienen ventajas que se adaptan bien a las aplicaciones de fondo de pozo en condiciones extremas: tamaño pequeño; emisión de radiación estable en el transcurso de un trabajo de registro de pozos; operación simple; costo relativamente bajo; sin requisitos de energía; y radiación isotrópica, que es óptima para una aplicación de pozo. Además, las fuentes de cesio-137 tienen una vida útil relativamente larga de unos 15 años. Además, el rango de actividad de estas fuentes suele ser de 1 a 3 Ci (37 a 111 GBq) y se encuentran en cantidades de Categoría 4 (CISA, 2019). Las desventajas de las fuentes selladas son que no se pueden apagar ni pulsar, sus energías gamma o de neutrones no se pueden cambiar y representan un riesgo potencial de seguridad y protección radiológica en caso de pérdida, robo o uso indebido (CISA, 2019).

El informe de las Academias Nacionales de 2008 señaló que, si bien una fuente radiactiva de cesio-137 de categoría 3 podría potencialmente ser reemplazada por una máquina de rayos X alternativa como un linac, existían obstáculos importantes para desarrollar una herramienta práctica (NRC, 2008). Estos problemas incluían el tamaño de la máquina, su amplio espectro de energía, estabilidad y radiación anisotrópica. Dados estos problemas, se ha realizado poco trabajo de desarrollo desde 1987. El comité de 2008 consideró que el reemplazo de estas fuentes no era una prioridad, y parece que no ha habido ningún avance material en las tecnologías de registro de cesio-137 desde ese momento.

Las fuentes de neutrones AmBe son una mezcla de óxido ²⁴¹AmO₂^y polvos metálicos 9Be. Estos se comprimen firmemente en una forma cilíndrica para maximizar la probabilidad de una reacción de partículas alfa con berilio y generalmente se encapsulan en un recipiente de acero inoxidable soldado o de triple pared (ver Figura 6.8).

La desintegración radiactiva del americio-241 produce partículas alfa, que interactúan con los átomos de berilio-9 para producir átomos de neptunio-237, átomos de carbono-12, neutrones libres y rayos gamma de 4.4

MeV. La fuerza de la fuente de neutrones se rige por la actividad del americio-241, que para las fuentes de registro puede ser de hasta 16 Ci, la actividad máxima permitida para una fuente de Categoría 3. El neptunio-237 se desintegra en protactinio-233 (vida media de 2.1 millones de años); por tanto, la principal actividad alfa proviene de la desintegración del americio-241.

Hay al menos tres categorías de riesgos de seguridad asociados con fuentes de neutrones AmBe activas (es decir, en uso regular) o en desuso: (1) pérdida de control de una fuente activa durante las operaciones de registro; (2) pérdida de control de una fuente activa durante el transporte hacia/desde el sitio de registro o durante el almacenamiento temporal; y (3) pérdida de control de una fuente en desuso durante el almacenamiento permanente. Cualquiera de estos incidentes de pérdida de control podría potencialmente resultar en lesiones radiológicas, contaminación del sitio y/o denegación del acceso al área por dispersión accidental o uso deliberado de un dispositivo de dispersión radiológica (RDD).

6.3.2 Tecnologías alternativas

El informe de las Academias Nacionales de 2008 (NRC, 2008) contiene una descripción general de las tecnologías alternativas de fuentes de neutrones que podrían usarse en el registro de pozos porque en ese momento muchas fuentes de AmBe estaban en la Categoría 2 y, por lo tanto, dentro del alcance del informe de 2008, pero, como se indica en Tabla 6.4, todas las fuentes nuevas están en la Categoría 3. Estas alternativas incluían fuentes de neutrones basadas en aceleradores que incorporan deuterio y/o tritio, y fuentes de neutrones selladas de californio-252. Esta sección se centra en las tecnologías alternativas que utilizan deuterio y/o tritio debido a que el californio-252 es una fuente radioisotópica. El californio-252 produce neutrones por fisión espontánea y puede ser una fuente confiable de neutrones; sin embargo, debido a su vida media relativamente corta de aproximadamente 2.6 años, debería reponerse con más frecuencia que las fuentes de AmBe. Pero las fuentes de californio tienen un rendimiento de neutrones más alto que las fuentes de AmBe, y una generación de neutrones equivalente entre los dos tipos sería de 27 mCi (1 GBq) para californio-252 en comparación con 16 Ci (592 GBq) para la fuente típica de AmBe (CISA, 2019). En la Tabla 6.5 se resumen algunos beneficios y limitaciones de las tecnologías alternativas que usan deuterio y/o tritio en comparación con AmBe para fuentes de neutrones.

Desde la publicación del informe NAS de 2008, se ha realizado un trabajo considerable en la investigación de aceleradores D-D, D-T y T-T (tritio-tritio). Por ejemplo, con el apoyo del programa SBIR de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA), Starfire Industries desarrolló el generador de neutrones DD portátil nGen® y lo implementó en su herramienta QL-40 Compensated Neutron Logger, demostrando respuestas de formación similares (pero no idénticas) a fuentes AmBe convencionales. El registro de neutrones pulsados de origen acelerador está ahora disponible a través de una gama cada vez más amplia de proveedores de servicios. Pero si bien la disponibilidad de herramientas de registro de neutrones basadas en aceleradores intercambiables está aumentando, la evaluación de formaciones utilizando fuentes de neutrones AmBe selladas sigue siendo una opción preferida. Las razones de esta preferencia se discuten en la siguiente sección.

TABLA 6.4 Tecnologías de fuente sellada y parámetros de registro

FUENTE: CISA, 2019.

TABLA 6.5 Ventajas y desventajas de las tecnologías de registro de pozos de radioisótopos y alternativas

NOTA: D-D = deuterio-deuturio; D-T = dueturio-tritio.

FUENTE: Modificado de la presentación de Mike Fuller y Mark Shilton, QSA Global, Inc., al comité el 13 de octubre de 2020, para incluir rayos X.

6.3.3 Consideraciones sobre la adopción de tecnologías alternativas

Como se describió en una sección anterior, el reemplazo alternativo de fuentes radiactivas de cesio-137 de Categoría 3, como las que se utilizan en el registros de pozos, no ha sido una prioridad debido a la menor actividad, y no se ha avanzado en la adopción de alternativas. Esta sección se centra en las consideraciones de adopción de tecnologías alternativas asociadas con las fuentes de neutrones AmBe.

Impulsada por preocupaciones de seguridad y protección, la industria del petróleo ha estado investigando el uso de fuentes de neutrones alternativas para el registro de pozos durante varios años (Bond et al., 2011). Las grandes empresas de registros multinacionales tienen presupuestos de investigación y desarrollo (I+D) multimillonarios para tecnologías alternativas. El desarrollo de nuevas tecnologías no se lleva a cabo en empresas más pequeñas que carecen de capital suficiente, presupuestos de I+D e incentivos de mercado. Como consecuencia, los proveedores de servicios más pequeños deben confiar en las herramientas de registro probadas existentes y se puede esperar que se resistan a los cambios tecnológicos que tienen el potencial de afectar sustancialmente su negocio (Badruzzaman et al., 2015).

En general, los esfuerzos para reemplazar las fuentes radiactivas actuales enfrentan una serie de desafíos técnicos, logísticos y financieros. Un desafío es que se cree que las herramientas alternativas (basadas en aceleradores) son menos precisas que los dispositivos de fuentes radiactivas en la determinación de la porosidad (ver, por ejemplo, Badruzzaman, 2014; Badruzzaman et al., 2019). Además, las mediciones de NMR y acústicas son complementarias a las tecnologías de fuentes radiactivas y no las reemplazan (Badruzzaman et al., 2015). En particular, la medición de NMR puede clasificar fluidos y puede indicar permeabilidad, pero la NMR no puede proporcionar mineralogía. Además, las mediciones acústicas pueden indicar anisotropía de rocas pero no proporcionar mineralogía (CISA, 2019). En cuanto a la mineralogía, las herramientas de espectroscopia de fuente AmBe ya están siendo reemplazadas por herramientas de espectroscopia de neutrones D-T (Pemper et al., 2006; Radtke et al., 2012).Sin embargo, algunas fuentes de neutrones en base a aceleradores incorporan tecnologías de doble uso sensibles a la seguridad⁹ que pueden complicar la construcción y el uso, especialmente en regiones políticamente inestables.

Cualquier usuario de una herramienta alternativa necesitaría desarrollar nuevos protocolos de calibración y posiblemente desarrollar nuevos métodos de correlación para comparar las respuestas de una herramienta alternativa con la de una fuente radiactiva convencional utilizando formaciones de referencia estándar. Esto se debe a que el análisis moderno de registro de pozos se basa y se referencia a grandes volúmenes de datos heredados medidos en yacimientos durante muchas décadas utilizando métodos de registro convencionales (especialmente aquellos que utilizaban fuentes de neutrones tradicionales selladas de cesio-137 y AmBe). Debido a que las características de energía espectral de las fuentes de AmBe difieren de las de las fuentes de aceleradores D-T y T-T, y debido a que esas diferencias podrían potencialmente conducir a una incertidumbre adicional (pero no insuperable) en las decisiones

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⁹ Una tecnología de doble uso tiene aplicaciones en productos comerciales y en sistemas de armas. Un generador de neutrones D-T es una tecnología de doble uso y estos generadores están sujetos a regulaciones de exportación.

de exploración, la adopción de tecnologías alternativas en base a aceleradores ha sido gradual y ha dependido de manera crítica de la validación de la técnica con respecto a los datos heredados. Esto presenta una oportunidad que podría abordarse mediante acciones colectivas de asociaciones industriales y posiblemente agencias gubernamentales.

El informe de las Academias Nacionales de 2008 señaló que las fuentes de AmBe utilizadas en los registros de análisis elemental podrían reemplazarse por aceleradores D-T conmutables (NRC, 2008). En particular, los aceleradores T-T no son tan útiles como los aceleradores D-T debido al rendimiento de neutrones aproximadamente 100 veces menor y porque el tritio (un radionúclido) se usa tanto para el núcleo acelerador como para los núcleos objetivo. Además, si bien reemplazar la herramienta de porosidad AmBe sería más difícil, uno de los principales proveedores de servicios había comercializado en 2008 dos herramientas de aceleración D-T, una para el registro de porosidad nuclear y otra para el registro con cable LWD. Como consecuencia, el informe recomendó que se asignara a un grupo de trabajo de la industria la tarea de resolver los obstáculos técnicos para implementar reemplazos en base a aceleradores para las fuentes de registro de pozos de AmBe (NRC, 2008). El Grupo de Interés Nuclear Especial de la Sociedad de Petrofísicos y Analistas de Registro de Pozos ha logrado un progreso considerable en el cumplimiento de esta recomendación, y ahora la mayoría de los proveedores de servicios principales y algunos de tamaño pequeño y mediano ofrecen fuentes en base a aceleradores pulsados para registros de pozos en base a neutrones como parte de sus conjuntos de productos.

Los participantes del taller del DOE de 2019 (DOE, 2019) analizaron que:

• Ha habido algunos desarrollos recientes notables: (1) un dispositivo de rayos X de baja energía (>300 keV) y (2) generadores de neutrones distintos de los aceleradores D-T (Badruzzaman et al., 2019; Bondarenko y Kulyk, 2017; Jurczyk, 2018; Simon et al., 2018 ).
• Para la porosidad de neutrones en base al generador D-T, aunque una empresa ha comercializado herramientas tanto para el registro con cable como para el registro durante la perforación, otras empresas no han introducido estas herramientas en el mercado debido a factores económicos. Además, la herramienta LWD ha mostrado un buen rendimiento, pero la herramienta con cable ha tenido un rendimiento deficiente debido a las condiciones ambientales del pozo.
• Aunque el reciente desarrollo de la herramienta de densidad de rayos X se basa en prometedoras pruebas de campo de la I+D durante la década de 1980 en la herramienta de densidad de rayos X linac de 3.5 MeV (King, 1987), la nueva herramienta es más pequeña, más simple y prometedora en pruebas de campo. Pero aún enfrenta desafíos en la aplicación a condiciones ambientales de LWD más severas.

Además, una técnica de densidad, conocida como densidad de neutrones gamma inelástica (INGD), utiliza rayos gamma producidos durante la dispersión inelástica de neutrones de alta energía. INGD se informó por primera vez a mediados de la década de 1990 para aplicaciones en pozos entubados; se incorporó en una herramienta LWD basada en un generador D-T en 2000 (Evans et al., 2000) y se comercializó en 2012 (Reichel et al., 2012). Sin embargo, debido a la física mixta de neutrones y fotones, la técnica INGD no es tan precisa como la densidad gamma-gamma, pero puede usarse en circunstancias especiales. Además, para una medición de densidad alternativa basada en la física de fotones, el uso de rayos X bremsstrahlung proporcionaría un análogo mucho más cercano a los rayos gamma basados en cesio-137. El mecanismo físico fundamental para los rayos X y los rayos gamma es la dispersión de Compton. Por lo tanto, un mecanismo en base a un generador de rayos X podría potencialmente reemplazar el método en base a cesio-137. En contraste, el método de neutrones gamma ofrece "una pseudodensidad", útil solo cuando la densidad gamma-gamma "no está disponible o no se puede obtener" y dependiendo de las circunstancias detalladas por Badruzzaman et al. (2014).

Otra técnica en base a aceleradores es un acelerador de partículas alfa de enfoque de plasma denso (DPF). Usando la reacción (alfa-Be), el acelerador DPF puede generar un espectro de neutrones que se asemeja mucho al espectro de una fuente AmBe. Por tanto, se ha demostrado que esta técnica duplica la respuesta de porosidad de neutrones casi exactamente. Sin embargo, el acelerador DPF (alpha-Be) requerirá I+D a largo plazo antes de incorporarse a una herramienta de registro comercial (Badruzzaman et al., 2019).

La industria del petróleo es una empresa notablemente cíclica. En la actualidad, con los bajos precios del petróleo y el gas, las empresas de registro de pozos están experimentando desafíos extremos y sostenidos en materia de ingresos y utilización de equipos. La utilización de la infraestructura de registro se ha reducido entre un 50 y un 60 por ciento y la presión de los precios está generando grandes descuentos y la consiguiente disminución de los ingresos. Los despidos de personal del 50 al 60 por ciento, debido al COVID-19 y la reducción de los precios del petróleo, han tenido impactos severos y las bancarrotas son generalizadas en la industria en este momento. Como resultado, los principales proveedores de servicios están reevaluando las necesidades del mercado. Las grandes compras de capital o los cambios en la tecnología no serían factibles para muchas empresas en el entorno actual del mercado.¹⁰ Como consecuencia de la utilización reducida, muchas fuentes de neutrones de cesio-137 y AmBe

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¹⁰ Kenny Jordan, Asociación de Compañías de Servicios Energéticos, (Association of Energy Service Companies), presentación al comité el 13 de octubre de 2020.

pueden quedar "varadas" en empresas de registro de pozos grandes y pequeñas que no tienen ningún incentivo para cambiar a una tecnología alternativa, porque estas fuentes son un activo de capital importante que podría ser costoso reemplazarlo. Además, para una empresa de registros en dificultades financieras, los costos necesarios para eliminar de forma segura una fuente no utilizada pueden ser prohibitivos. Por lo tanto, estas fuentes varadas representan un riesgo de seguridad significativo, especialmente si la reducción de los presupuestos generales de la empresa ha llevado a una reducción del gasto y al énfasis en la seguridad del almacenamiento de la fuente.

La demanda futura de registro de pozos en la exploración y producción de petróleo y otras aplicaciones es incierta. La mayoría de las naciones reconocen ahora la importancia de tomar medidas para reducir de forma inmediata y drástica las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) para ralentizar e incluso revertir los efectos del cambio climático. Estas acciones tendrán efectos radicales en la generación y distribución de energía. Por ejemplo, los esfuerzos globales para limitar las emisiones de GEI ya han provocado una disminución de la demanda de carbón¹¹ para la generación de electricidad, con un aumento concomitante en el despliegue de tecnologías de energía renovable, incluidas la solar, eólica y geotérmica.

Es casi seguro que la industria petrolera mundial se verá significativamente afectada por las acciones internacionales tomadas para reducir las emisiones de GEI. Algunos de esos cambios ya están en marcha (Krauss, 2020). Uno de los cambios más probables será una reducción en la demanda de combustibles líquidos para el transporte a medida que las flotas de automóviles y camiones se electrifiquen cada vez más.¹² La disminución de la demanda conduce a un menor precio del petróleo, lo que conduce a una disminución del gasto en exploración, lo que a su vez se espera que conduzca a una reducción del gasto en servicios de registro de pozos.

Dos puntos son relevantes para este estudio en este escenario de precios bajos. En primer lugar, la disminución del gasto en servicios de registro de pozos significaría que muchas fuentes convencionales existentes de cesio-137 y AmBe se convertirían en excedentes y serían almacenadas por el contratista de registro, eliminadas o posiblemente abandonadas. Dependiendo del costo y la disponibilidad de una vía de eliminación segura, esto podría generar un mayor riesgo de seguridad o un menor riesgo de seguridad.

En segundo lugar, una posible consecuencia de la disminución del gasto en servicios de registro de pozos sería una reducción de los esfuerzos de I+D para construir fuentes alternativas de registro de pozos. Como se señaló anteriormente, solo unos pocos de los principales proveedores de servicios tienen la capacidad de I+D para desarrollar alternativas a las fuentes radiactivas. Sin un mercado futuro significativo, estas empresas no tendrían un incentivo financiero para realizar tales inversiones.

Si bien es probable que la demanda general de petróleo y gas disminuya en las próximas décadas, seguirá existiendo la necesidad de combustibles derivados del petróleo en aplicaciones clave, como los combustibles líquidos para la aviación y el gas natural como combustible de transición para la generación de electricidad. La exploración de estos recursos seguirá requiriendo servicios de registro de pozos precisos y confiables, utilizando fuentes convencionales o alternativas.

Las áreas donde se espera que crezca el mercado del registro incluyen la exploración y producción de minerales, la exploración de aguas subterráneas y la exploración geotérmica. Por ejemplo, se estima que la demanda de cobre crecerá en un factor de 4 a 5 entre 2015 y 2100, impulsada por el crecimiento de la población y los sistemas de energía renovable (Schipper et al., 2018). Pero quizás el sector de mercado futuro más importante para el crecimiento futuro de los servicios de registro de pozos será la captura y almacenamiento de carbono en el subsuelo, donde muchos de los mismos métodos utilizados en la exploración y producción de petróleo y gas convencionales se utilizarán para seleccionar, verificar y monitorear reservorios de almacenamiento de dióxido de carbono (NETL, 2017a, b, n.d.).

6.4 SISTEMAS DE CALIBRACIÓN

Los sistemas de calibración producen campos de radiación de energía e intensidad conocidas para la calibración de equipos de monitoreo de radiación, dosímetros para garantizar su funcionamiento preciso y dispositivos industriales y de teleterapia que utilizan cobalto-60. Los sistemas de calibración utilizan fuentes radiactivas de alta actividad (aproximadamente 400–2,200 Ci [15–82 TBq]). Estas son fuentes de Categoría 2 basadas en el sistema de categorización del OIEA. Las instalaciones de calibración utilizan fuentes de cesio-137 y cobalto-60. El irradiador caballo de batalla utilizado para las calibraciones de cobalto-60 fue el Gammacell 220 producido por Nordion, que se suspendió en 2008, ¹³ pero muchos de estos irradiadores todavía se encuentran en instalaciones en todo el mundo

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¹¹ En muchos casos, las centrales eléctricas de carbón han sido reemplazadas por plantas de gas natural. El cambio de carbón a gas ha ahorrado alrededor de 500 millones de toneladas de dióxido de carbono desde 2010 (IEA, 2019).

¹² Por ejemplo, General Motors anunció recientemente que introducirá 30 nuevos vehículos eléctricos globales para 2025 y eliminará gradualmente los vehículos con motor de gasolina y diésel para 2035. Además, los vehículos eléctricos ahora representan el 54 por ciento de la participación de mercado en Noruega (Klesty, 2021), superando a los propulsados por motores de gasolina, diésel e híbridos (que se eliminarán por completo para 2025).

¹³ Consultar https://www.nordion.com/products/irradiation-systems.

(OIEA, 2019c); Hopewell Designs ha creado un irradiador de reemplazo (Rushton et al., 2016). El resto de esta sección se centra completamente en los sistemas de calibración de cesio-137 debido al riesgo de seguridad que representa el cloruro de cesio en polvo, que es muy dispersable en comparación con las fuentes metálicas sólidas de cobalto-60.

Las fuentes de calibración radiactiva producen tasas de dosis medidas con precisión que son trazables a estándares aceptados. En los Estados Unidos, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of Standards and Technology, NIST) sirve como laboratorio primario de dosimetría de radiación y, como tal, mantiene los estándares de medición nacionales y calibra los instrumentos para los laboratorios secundarios. Una red de instalaciones secundarias y terciarias garantiza que todos los instrumentos de detección de radiación midan con precisión y sean trazables según el estándar NIST. A nivel internacional, la metrología demuestra la equivalencia de medidas en diferentes países y facilita medidas comerciales precisas. Independientemente de la fuente de radiación para aplicaciones médicas y de otro tipo, el estándar y los calibradores siguen siendo necesarios.

La calibración es necesaria para múltiples aplicaciones de fuentes radiactivas. Para dar una idea de la escala de calibración necesaria en los Estados Unidos, existen más de 19,000 licencias específicas de radionúclidos. Estos incluyen hospitales e instalaciones para el tratamiento del cáncer, clínicas de medicina nuclear, instalaciones de investigación, universidades, instalaciones de capacitación e instalaciones industriales, incluidas las empresas de exploración petrolera. Los instrumentos se utilizan para garantizar el cumplimiento de las normas de seguridad y salud asociadas con la licencia. Otros usuarios son las agencias del gobierno federal, a saber, la Agencia de Protección Ambiental (Environmental Protection Agency) y el DOE (Department of Energy), que involucra a los Laboratorios Nacionales (National Laboratories), el Programa de Asistencia Radiológica (Radiological Assistance Program), el Centro Federal de Monitoreo y Evaluación Radiológica (Federal Radiological Monitoring and Assessment Center), el Centro de Asistencia para Emergencias Radiológicas/Sitio de Capacitación (Radiation Emergency Assistance Center/Training Site), el Equipo de Búsqueda de Emergencias Nucleares (Nuclear Emergency Search Team), y el Grupo de Respuesta a Accidentes (Accident Response Group), así como entidades estatales y locales. Todas estas agencias y programas se basan en instrumentos calibrados, por lo que es aún más importante garantizar que Estados Unidos conserve la capacidad nacional para calibrar correctamente los instrumentos de radiación. Estos instrumentos requieren una calibración periódica para garantizar que brinden información precisa a la amplia variedad de partes interesadas que los utilizan.

6.4.1 Tecnologías radioisotópicas

El cesio-137 se seleccionó hace más de 50 años como base de la calibración nacional e internacional debido a su espectro de energía único óptimo (661.7 keV), vida media larga y requisitos de blindaje moderados en relación con otros radionucleidos. Además, el cesio-137 proporciona una energía de fotón en el medio de la región que abarca tubos de rayos X, cobalto-60 y aceleradores lineales y, por lo tanto, cubre energías que van desde 10 keV a 10 MeV. En el NIST, se utiliza un calibrador de cesio-137 para determinar el estándar para la dosis de radiación en el aire o kerma en el aire. La fuente de cesio-137 utilizada está en forma de cloruro de cesio. Debido a su facilidad de dispersión, el cloruro de cesio plantea problemas de seguridad.

Millones de detectores de radiación calibrados anualmente con cesio-137 se están utilizando en los Estados Unidos y en todo el mundo, incluso en los puertos de entrada para medir la radiactividad de la carga, en las plantas de energía nuclear para monitorear los alrededores, en las instalaciones médicas para garantizar la seguridad de los pacientes y personal médico, y dondequiera que haya liberación o sospecha de liberación de radiación.

Los calibradores de cesio-137 (ver Figura 6.9) tienen una reproducibilidad sobresaliente (aproximadamente 0.1 por ciento durante períodos de meses a años) y permiten mediciones de baja incertidumbre requeridas para la estandarización en NIST y, posteriormente, para transferir estándares a instalaciones de calibración y usuarios finales.

Un experto que informó al comité señaló que los conocimientos y procedimientos importantes se basan en el supuesto de la disponibilidad de campos de radiación de cesio-137.¹⁴ Muchos reglamentos, recomendaciones y estándares de documentos nacionales e internacionales, incluidos los emitidos por el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (American National Standards Institute), el Consejo Nacional de Protección y Medidas Radiológicas (National Council on Radiation Protection and Measurements), la Organización Internacional de Normalización (International Organization for Standardization) y el OIEA, se basan en calibradores de cesio-137. Además, las instalaciones de calibración que utilizan calibradores de cesio-137 deben demostrar que son capaces de transferir el estándar nacional para ser certificados por programas de acreditación y otros programas regulatorios.

Se estima que el número actual de irradiadores de cesio-137 utilizados para aplicaciones metrológicas de radiación ionizante constituye solo del 1 al 2 por ciento del número total de irradiadores de cesio-137 utilizados en los Estados Unidos (CIRMS, 2019).

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¹⁴ Malcolm McEwen, Consejo Nacional de Investigación de Canadá (National Research Council of Canada), presentación al comité el 28 de enero de 2021.

6.4.2 Tecnologías alternativas

No existen reemplazos obvios para los irradiadores de cesio-137 como campo de radiación de referencia para la metrología de radiación ionizante. La singularidad de usar cesio-137 para metrología es la precisión que ofrecen sus características (ver Tabla 6.6). Además, la energía de emisión de 661.7 keV del cesio-137 tiene un valor cercano a las energías de las emisiones beta y gamma de los materiales radiactivos que los investigadores y los funcionarios de salud pública normalmente necesitan medir.

Los rayos gamma del cesio-137 y el cobalto-60 son monoenergéticos, lo que hace que su penetración y la dosis administrada sean predecibles y fáciles de calcular. Los rayos X producidos artificialmente, a partir de haces de electrones que inciden en un objetivo metálico (bremsstrahlung), tienen un amplio espectro que va desde la

TABLA 6.6 Consideración de alternativas tecnológicas al cesio-137 para la estandarización de dosis, calibración y prueba de instrumentos

FUENTE: Ronaldo Minniti, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, presentación al comité el 28 de enero de 2021.

energía del haz de electrones hasta el rango de kilo-electronvoltio o cientos de electrón voltio. Es concebible que se pueda tener en cuenta el amplio espectro de rayos X en el desarrollo de nuevos estándares de calibración. Sin embargo, para igualar la precisión de los estándares actuales, el voltaje y la corriente de la fuente de aceleración requerirían una regulación extremadamente fina. Además, el objetivo de bremsstrahlung debería mecanizarse con precisión y el haz de electrones debería dirigirse con precisión hacia ese objetivo. Estos requisitos hacen que la coincidencia de los parámetros naturales de estos radioisótopos sea prácticamente inalcanzable en este momento.

Reemplazar el cloruro de cesio radiactivo con otras formas bien establecidas y menos dispersables de cesio-137, como las fuentes vitrificadas y contaminantes, que se han utilizado para fuentes de medición de cesio-137 y registros de pozos desde la década de 1980, podría ser aceptable para aplicaciones de calibración porque se mantendría el espectro de cesio-137. El tamaño de la fuente debería aumentar para adaptarse a la menor actividad específica de las formulaciones de vidrio. Como se señaló en la Sección 1.3, estas formas de cesio-137 menos solubles y menos dispersables se han desarrollado en la India y se utilizan en irradiadores de sangre. Después de probar diferentes métodos, los investigadores del Centro de Investigación Atómica de Bhabha (BARC) en 2015 desarrollaron la técnica de vertido controlado con precisión de cesio-137 vitrificado en lápices de acero inoxidable que luego se cargan en irradiadores de sangre. Según el conocimiento del comité, no existe tal investigación en curso sobre la idoneidad de otras formas de cesio para aplicaciones de calibración.

Desde 2015, la empresa francesa ATRON Metrology se ha asociado con el laboratorio metrológico nacional francés para desarrollar un método alternativo para calibrar radiómetros. Este método utiliza un acelerador electrostático que dirige un haz de electrones hacia un objetivo de tantalio para producir rayos X. El acelerador está sintonizado para producir rayos X en el dominio de energía entre las energías gamma de cesio-137 y cobalto-60 (Bordy et al., 2019). Si bien ATRON anuncia que este método es realista en el tipo de espectro que se encuentra en las plantas de energía nuclear, no es el tipo de fuentes de radiación discretas. Además, la deriva del dispositivo es del 0.3 por ciento durante 11 meses, y la incertidumbre en la calibración de los medidores de encuestas de radiación es menos del 7 por ciento, las que son considerablemente mayores a la precisión de los calibradores de cesio-137. Además, la vida útil del tubo se indica en aproximadamente 4,000 horas, una vida útil significativamente más corta que en un calibrador de cesio-137, lo que puede resultar en costos de mantenimiento en comparación más altos para la tecnología ATRON. Además, todavía se hace referencia a la calibración de la instalación metrológica nacional francesa, que todavía utiliza cesio-137 (Chapon et al., 2016)

6.4.3 Consideraciones sobre la adopción de tecnologías alternativas

La posición del NIST es que la eliminación del cloruro de cesio del uso en la instrumentación de calibración podría ser perjudicial para la capacidad de respuesta de emergencia de la nación. Sin embargo, los Estados Unidos y otros gobiernos han considerado cambios de políticas para eliminar el uso del cloruro de cesio en fuentes radiactivas, y esa política podría revisarse en un futuro próximo. El comité descubrió que el NIST no está tomando medidas para prepararse para un posible cambio de política mediante la exploración de tecnologías alternativas y la realización de pruebas de equivalencia para garantizar que no haya impactos adversos en las capacidades actuales de calibración y prueba.

Si en el futuro estuviera disponible un sustituto de los calibradores de cesio-137 que pudiera cumplir con todos los requisitos metrológicos, entonces todos los estándares documentales publicados hasta la fecha y las regulaciones de los diversos organismos reguladores (como la NRC de EE. UU.) y las agencias de acreditación a nivel nacional y niveles internacionales, tendrían que ser remodelados de manera que la seguridad y protección de los trabajadores de la radiación y el público no se vean afectadas. Hasta que estén disponibles los irradiadores de cesio en base a una nueva forma de cesio (que no sea el cloruro de cesio) u otro tipo de fuente, las instalaciones de calibración deberán depender de los irradiadores de cesio-137 existentes. Sin un sustituto adecuado, la eliminación de fuentes de cesio-137 de categoría 2 de rango bajo a medio en las instalaciones de calibración tendría un efecto negativo en la infraestructura de calibración en los Estados Unidos y en todo el mundo, afectando directamente la seguridad del público. ¹⁵

6.5 GENERADORES TERMOELÉCTRICOS DE RADIOISÓTOPOS

Los RTG son un tipo de batería nuclear que utiliza termopares para convertir el calor liberado por la desintegración del radioisótopo en electricidad. Los RTG tienen un diseño bastante simple y no tienen partes móviles. Se han utilizado como fuentes de energía en situaciones en las que no se puede acceder fácilmente a los

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¹⁵ Carta de Ronaldo Minniti y Michael Mitch, NIST, a Charles Ferguson, Academias Nacionales, el 21 de mayo de 2020; Malcolm McEwen, Consejo Nacional de Investigación de Canadá, presentación al comité el 28 de enero de 2021.

sistemas que los utilizan, necesitan permanecer en funcionamiento sin interferencia humana durante largos períodos de tiempo y son incapaces de generar energía solar de manera eficiente. En base a estas circunstancias, los RTG se han utilizado como fuentes de energía en satélites, sondas espaciales y estructuras remotas sin tripulación, como faros construidos por la ex Unión Soviética dentro del Círculo Polar Ártico, estaciones rusas en la Antártida y sitios de monitoreo del Ártico encargados por Estados Unidos.

6.5.1 Tecnologías radioisotópicas

Los radioisótopos utilizados para los RTG deben cumplir tres criterios principales: tener una vida media relativamente larga para que puedan producir niveles sostenidos de energía; tener una alta densidad de potencia (potencia por unidad de masa de radioisótopo) y emitir radiación que pueda protegerse. El plutonio-238¹⁶ y el estroncio-90 son los radioisótopos más utilizados para el combustible RTG. Ambos radioisótopos tienen vidas medias largas, 87.7 años y 28.8 años, respectivamente. Las densidades de potencia para ambos radioisótopos también son relativamente grandes, con 0.57 W/g para el plutonio-238 y 0.46 W/g para el estroncio-90. Una diferencia significativa entre los dos radioisótopos implica la radiación producida: alfa para el plutonio-238 y beta para el estroncio-90. Debido a su capacidad de penetración limitada, la radiación alfa emitida por el plutonio-238 le da a este radioisótopo una ventaja sobre la radiación beta más penetrante del estroncio-90 porque minimiza el blindaje requerido.

El plutonio-238 ha sido el radioisótopo preferido para los RTG para misiones espaciales debido al menor requisito de blindaje y, por lo tanto, al peso más ligero. La vida media más larga del plutonio-238 también es una ventaja para las misiones espaciales porque no es posible reabastecer el combustible. A partir de la década de 1960, los RTG basados en plutonio-238 han impulsado más de dos docenas de misiones espaciales estadounidenses. Más recientemente, el generador termoeléctrico de radioisótopos de misiones múltiples (MMRTG) ha sido la fuente de energía para el rover Perseverance, que aterrizó en Marte el 18 de febrero de 2021. Contiene alrededor de 4.2 kg de plutonio-238 (NASA, 2020), o alrededor de 73,000 Ci (2.7 PBq) de actividad inicial, lo que la convierte en una fuente de Categoría 1. MMRTG proporciona aproximadamente 110 W de potencia eléctrica cuando se carga con combustible nuevo. Solo 2 días antes del aterrizaje, los investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho anunciaron que estaban trabajando en el sistema de energía de próxima generación que está diseñado para ser tres veces más eficiente que el sistema de energía del Perseverance mediante el uso de conversión de energía dinámica con un Stirling o Ciclo térmico de Brayton (ANS, 2021).

La mayor limitación del plutonio-238 es la dificultad de fabricarlo en cantidades suficientes. Tras el cierre en 1988 del último reactor doméstico de producción de plutonio en las instalaciones del río Savannah (Smith et al., 2019), se proyectaba que las reservas de combustible se agotarían en 2018. En 2015, el DOE abordó la próxima escasez restableciendo la producción de plutonio-238 en el Oak Ridge National Laboratory (ORNL) para futuras misiones de la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (National Aeronautics and Space Administration, NASA) (Walli, 2015). En febrero de 2021, el reactor de isótopos de alto flujo de ORNL ha producido casi 1 kg de plutonio-238 y tiene capacidad para producir hasta 700 g al año. Para ayudar a cumplir la meta de la NASA de 1.5 kg por año para 2026, el DOE anunció el 16 de febrero de 2021 que el Laboratorio Nacional de Idaho (INL) aumentará el uso de su Reactor de prueba avanzado (ATR) para producir plutonio-238; se espera que las dos primeras campañas de irradiación en el ATR produzcan 30 g en la primavera de 2021 (DOE, 2021).

Para aplicaciones terrestres, el uso de RTG también comenzó en la década de 1960. En la ex Unión Soviética, se desplegaron más de 1000 RTG impulsados por estroncio 90 de categoría 1 de alta actividad. El RTG más grande fue el IEU-1 con una actividad inicial de 465,000 Ci (17.2 PBq), y el RTG más pequeño, designado Beta-M/S, tuvo una actividad inicial de 35,700 Ci (1.32 PBq) (Porter, 2015). A principios de la década de 2000, casi todos los RTG de fabricación rusa y soviética habían excedido su vida útil original. Con la coordinación del OIEA, varios países han brindado asistencia financiera y técnica que ha ayudado a Rusia a eliminar el uso de casi todos sus RTG. Por ejemplo, Noruega dedicó €20 millones (alrededor de $24 millones) para ayudar a Rusia a retirar y asegurar 180 RTG en las áreas costeras del noroeste de Rusia a lo largo de los mares de Barents, White y Kara. Noruega también había proporcionado instalaciones solares como fuentes de energía alternativas para reemplazar los RTG que alimentaban los faros (Digges, 2015). Para el cierre de 2019, casi 1,000 RTG que se habían desplegado en el norte de Rusia y 4 que se habían desplegado en la Antártida habían sido desmantelados y desmontados con las fuentes de estroncio 90 almacenadas en la Asociación de Producción Mayak, ubicada en el Óblast de Chelyabinsk en Rusia. Solo quedan 12 RTG en Kamchatka, pero también está programado que se eliminen en un futuro próximo (NASEM, 2020).

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¹⁶ A diferencia del plutonio-239, el plutonio-238 no es fisible, por lo que no puede usarse en plantas de energía nuclear o armas nucleares.

Estados Unidos desplegó muchos menos RTG en comparación con Rusia, y en agosto de 2015, la Fuerza Aérea de los EE. UU. retiró los 10 RTG restantes en uso de Burnt Mountain, Alaska. Las fuentes de estroncio-90 se eliminaron y eliminaron en las Instalaciones de Seguridad Nacional de Nevada, lugar que está autorizado para tomar y asegurar las fuentes en desuso propiedad del gobierno de los EE. UU. (Romano, 2015). Estos esfuerzos concertados nacionales e internacionales de remoción y reemplazo de RTG terrestres han eliminado prácticamente toda una clase de fuentes radiactivas de alta actividad.

Se están diseñando nuevos dispositivos en los Estados Unidos y quizás en otros lugares. Por ejemplo, Zeno Power Systems, con sede en los Estados Unidos, está desarrollando un sistema de energía de radioisótopos de próxima generación que convierte el calor del estroncio 90 en descomposición en electricidad destinada principalmente a aplicaciones espaciales comerciales y gubernamentales. Este diseño de nueva generación de Zeno tiene como objetivo aumentar la potencia específica del sistema y ser más liviano, lo que lo hace adecuado para la exploración espacial. Según los desarrolladores, el nivel de madurez tecnológica (TRL) actual para RTG es TRL 3, con planes de progresar a TRL 4 en los próximos meses. Están estimando el despliegue de la tecnología para 2025. Los principales desafíos tecnológicos que quedan en el desarrollo de la tecnología son la demostración de la fabricación de cápsulas de combustible rentable, repetible y de alta calidad y la realización de las pruebas rigurosas necesarias para calificar cualquier RTG para vuelos espaciales. Los desarrolladores también reconocieron el riesgo de mercado, dado el nivel de incertidumbre de las industrias nuclear y espacial.¹⁷

6.5.2 Tecnologías alternativas

Como se señaló anteriormente, se ha eliminado el uso de RTG en tierra. Los mayores desafíos para una tecnología de reemplazo fueron que la fuente de energía alternativa que opera en la región ártica soportará temperaturas por debajo de 0° C y proporcionará energía confiable durante la muy limitada luz solar disponible en los meses de otoño e invierno. Un notable programa de desarrollo de tecnología alternativa tuvo lugar desde principios de la década de 2000 hasta 2007 e involucró un esfuerzo cooperativo entre la Iniciativa Global de Reducción de Amenazas de la NNSA (NNSA’s Global Threat Reduction Initiative), la Armada de la Federación de Rusia (Russian Federation Navy), los Laboratorios Nacionales Sandia (Sandia National Laboratories), el Instituto de Desarrollo Tecnológico del Suroeste (Southwest Technology Development Institute), el Instituto de Energía y Medio Ambiente de la Universidad Estatal de Nuevo México (New Mexico State University Institute for Energy and Environment), el Instituto Kurchatov (Kurchatov Institute) y la Comisión del Faro de Kystverket de Noruega (Norwegian Kystverket Lighthouse Commission). Esta colaboración probó un sistema fotovoltaico (PV) y de batería en dos ubicaciones, la instalación de Honnigsvag en Noruega y el faro de Cape Shavor en la Federación de Rusia. El Instituto Kurchatov instaló un sistema en una tercera ubicación en Karbas, Federación de Rusia: un pequeño sistema de turbina eólica además del sistema fotovoltaico y de batería. Estos sistemas de energía eléctrica son los que se necesitan para alimentar una baliza de señal de diodo emisor de luz de 10 W, producidos por la empresa Nav-Dals de San Petersburgo, Rusia. El sistema fotovoltaico constaba de cinco módulos de 40 vatios pico y un banco de baterías de níquel-cadmio de 950 amperios-hora que funcionaba a 12 V.

Durante el período soleado de verano, el banco de baterías mantuvo una carga completa. Desde el equinoccio de otoño hasta principios del invierno, la batería entró en el modo de descarga continua, pero había suficiente energía disponible para operar la señal luminosa. La descarga máxima de la batería fue aproximadamente el 65 por ciento del total. En comparación, el sistema híbrido con la pequeña turbina eólica pero el mismo tipo de módulos fotovoltaicos y batería tuvo una descarga total del 45 por ciento. Los investigadores concluyeron que cualquiera de los sistemas era suficiente, pero la turbina eólica proporcionaba una fiabilidad adicional (Hauser et al., 2007).

6.5.3 Consideraciones sobre la adopción de tecnologías alternativas

Para misiones espaciales en y más allá de la órbita de Marte, la energía solar disponible no es suficiente para alimentar sondas espaciales y rovers. Por lo tanto, los Estados Unidos y otras naciones con viajes espaciales seguirán utilizando RTG de manera segura, como se analiza a continuación. Los RTG de la NASA han proporcionado energía segura y confiable durante más de 50 años y más de 25 misiones. Las características de seguridad incluyen una defensa en capas con un combustible robusto, un diseño modular y múltiples barreras físicas. En particular, el combustible consiste en dióxido de plutonio en pastillas cerámicos resistentes al fuego para reducir la probabilidad de dispersión en caso de accidente. Si la cerámica se fracturara, se rompería en pedazos relativamente grandes en lugar de en partículas

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¹⁷ Tyler Bernstein, Zeno Power Systems, carta a Ourania Kosti, Academias Nacionales, el 31 de enero de 2021.

microscópicas respirables. Además, el iridio recubre cada pastilla de combustible y proporciona una capa de protección resistente a la corrosión y con una temperatura de fusión muy alta. Además, el grafito resistente al calor forma las carcasas de impacto para proporcionar una protección adicional alrededor del combustible. El DOE es responsable de la producción y entrega de RTG a la NASA y realiza un análisis de seguridad antes de cada misión (NASA, 2005).

En 2009, debido a preocupaciones sobre la confiabilidad de los suministros de plutonio-238, la Agencia Espacial Europea decidió investigar radioisótopos alternativos para alimentar sus RTG espaciales. La agencia seleccionó el americio-241 porque era económicamente asequible con alta pureza isotópica y fácilmente disponible en el reprocesamiento europeo de combustible nuclear gastado comercial, aunque su densidad de potencia es de aproximadamente una quinta parte del plutonio-238. En 2013, un consorcio técnico europeo anunció que se había probado un prototipo de RTG alimentado con americio-241 y que el Laboratorio Nuclear Nacional del Reino Unido había producido el americio-241 (Ambrosi et al., 2013). En 2019, el consorcio europeo proyectó que para la segunda mitad de la década de 2020, su programa RTG estaría listo para entregar un sistema de energía para misiones espaciales (Ambrosi et al., 2019).

6.6 CAPÍTULO 6: HALLAZGOS Y RECOMENDACIONES

Hallazgo 14: Se ha logrado poco progreso a nivel nacional con la adopción de tecnologías alternativas para algunas otras aplicaciones comerciales, particularmente en algunas aplicaciones de pruebas no destructivas y registro de pozos. Esto se debe a que actualmente no existen alternativas viables o rentables, las alternativas comprometen o no ofrecen mejoras en el desempeño, o producen datos sobre materiales y estructuras que no son directamente comparables a los producidos por fuentes radiactivas.

NDT a menudo implica inspecciones de materiales en ubicaciones remotas al aire libre donde puede haber duras condiciones ambientales e industriales. Al decidir el método NDT a utilizar, los técnicos de NDT consideran la capacidad de detección de defectos, los tipos de defectos en el material en cuestión, la accesibilidad al material inspeccionado y la economía del método. Aunque los métodos de rayos X pueden proporcionar resultados radiográficos similares a los de los radionúclidos emisores de rayos gamma, los sistemas de rayos X requieren sistemas de refrigeración y electricidad fiables y tienden a ser más grandes y menos robustos que las cámaras de radiografía gamma. Sin embargo, los avances en el diseño de rayos X han llevado al desarrollo de fuentes de rayos X pulsadas que funcionan con energía de batería y tienen un tamaño físico cercano al de una cámara de radiografía gamma. Sin embargo, la necesidad de un reemplazo costoso frecuente de los tubos de rayos X y la frecuente incapacidad para operar aún hacen que la radiografía gamma sea la opción más confiable y preferida. Se han explorado los micro-linacs, pero son más costosos que las cámaras de radiografía. Las exploraciones ultrasónicas requieren un examen e interpretación hábiles por parte de técnicos capacitados y certificados. Si bien los métodos de radiografía de radioisótopos y rayos X pueden detectar un amplio espectro de fallas, las diferencias en la física entre las técnicas radiográficas y ultrasónicas hacen que cada método sea sensible a un tipo de falla en particular; la radiografía es adecuada para detectar fallas volumétricas como la escoria y la porosidad, mientras que el ultrasonido es más adecuado para detectar defectos planos como grietas y falta de fusión.

Para el registro de pozos, las tecnologías de reemplazo de fuentes radiactivas enfrentan varios desafíos técnicos, logísticos y financieros. Aunque una fuente de cesio-137 podría potencialmente ser reemplazada por una fuente de rayos X alternativa como un linac, los obstáculos importantes incluyen el tamaño de la fuente de rayos X, su amplio espectro de energía, la estabilidad de la fuente y la radiación anisotrópica. Se ha realizado poco trabajo de desarrollo desde 1987. Para el reemplazo de las fuentes de neutrones AmBe, se considera que las herramientas alternativas (en base a aceleradores) son menos precisas que la fuente AmBe en la determinación de la porosidad. Debido a las diferencias en la física, la sustitución de los métodos actuales podría crear problemas de interpretación, incluidas la modificación de la porosidad y la sensibilidad de la litología. Además, algunas fuentes de neutrones en base a aceleradores incorporan tecnologías de doble uso sensibles a la seguridad que pueden impedir su uso, especialmente en regiones políticamente sensibles.

La falta de adopción de herramientas de registro de pozo abierto basadas en aceleradores ha sido lenta por tres razones principales. Primero, las alternativas propuestas en su mayoría no han replicado exactamente lo que

proporcionan las herramientas radiactivas. En segundo lugar, actualmente no existen impulsores comerciales sólidos para hacer la transición, incluso para las principales empresas de registro, aunque estas grandes empresas tienen los medios tecnológicos y financieros y han investigado alternativas. En tercer lugar, las empresas de registro pequeñas y medianas no tendrían la capacidad tecnológica ni los fondos para desarrollar, probar y desplegar tecnología en base a aceleradores. En consecuencia, incluso si la tecnología fuera una combinación perfecta en las características de respuesta, las empresas de registro pequeñas y medianas no podrán realizar la transición fácilmente. Si se les empuja a hacer una transición, la mayoría afirma que probablemente quebrarían.

Existe una oportunidad que podría abordarse mediante acciones colectivas de asociaciones industriales con la colaboración y el apoyo de agencias gubernamentales.

En cuanto al desarrollo y la adopción de tecnologías alternativas para la radiografía gamma, los expertos que se presentaron en las conferencias del OIEA en 2013 y 2019 han reconocido que el reemplazo por pruebas ultrasónicas será al menos dentro de varios años. Han subrayado las limitaciones técnicas de la tecnología alternativa y han llamado la atención sobre la necesidad de realizar validaciones y desarrollo de normas. Incluso con tales validaciones, es probable que las pruebas ultrasónicas continúen complementando la radiografía gamma. No obstante, los estudios de equivalencia podrían ayudar a allanar el camino para una mayor consideración y adopción de alternativas. Esto también ayudaría a desarrollar técnicas para mostrar imágenes ultrasónicas que sean comparables a las que los usuarios están acostumbrados a ver con las radiografías y que no requerirían interpretación como es el caso de las técnicas ultrasónicas actuales.

Hallazgo 15: No se ha logrado ningún progreso a nivel nacional e internacional con la adopción de tecnologías alternativas para los sistemas de calibración para reemplazar las fuentes de cesio-137 y cobalto-60. No existen alternativas no radioisotópicas obvias para reemplazar las fuentes de cloruro de cesio utilizadas en estas aplicaciones y, actualmente, no hay investigaciones ni desarrollos dedicados a explorar alternativas. La falta de alternativas representa un obstáculo en los esfuerzos globales para eliminar el cesio-137 en forma de cloruro de cesio.

Hace más de 50 años, el cesio-137 fue elegido como base para la calibración nacional e internacional debido a su radiación gamma monoenergética en medio del espectro de energías medido y su alta precisión y reproducibilidad en instalaciones de calibración. El estándar de cesio-137 se está utilizando para calibrar millones de detectores de radiación anualmente en los Estados Unidos y en todo el mundo. El despliegue de los detectores incluye plantas de energía nuclear para monitorear los alrededores, puertos de entrada para medir la radiactividad de la carga, instalaciones médicas para garantizar la seguridad de los pacientes y del personal médico, y dondequiera que haya una liberación de una posible liberación de radiación. El problema de seguridad es que los sistemas de calibración utilizan cesio-137 en forma de cloruro de cesio, que presenta posibles peligros de dispersión. Sin embargo, no ha habido esfuerzos nacionales o internacionales para desarrollar tecnologías alternativas.

La posición del NIST es que la eliminación del cloruro de cesio en la instrumentación de calibración tendría efectos adversos, como en las capacidades de respuesta a emergencias de la nación. Los Estados Unidos y otros gobiernos han considerado cambios de política que eliminarían el cloruro de cesio en fuentes radiactivas como la sangre y los irradiadores de investigación. A fin de prepararse para posibles cambios de política que buscarían eliminar el cloruro de cesio de todas las fuentes radiactivas de alta actividad, el NIST debería comenzar a explorar otras opciones de alternativas al cesio-137, como tecnologías de rayos X de alta energía o diferentes formas químicas de este radionúclido como polucita o cesio vitrificado. La forma vitrificada de cesio se utiliza en la India en irradiadores de sangre. Reemplazar el cloruro de cesio radiactivo con estas otras formas menos dispersables de cesio-137 podría ser aceptable para aplicaciones de calibración porque se mantendría el espectro de cesio-137. Los pasos útiles para NIST incluirían consultar y trabajar con la comunidad de investigación y socios en agencias e industrias federales y estatales, así como socios internacionales y realizar pruebas de equivalencia para garantizar que no haya impactos adversos en las capacidades actuales de calibración y prueba.