Investigación revela cómo los residuos nucleares pueden impulsar la energía limpia

Los residuos nucleares representan un grave problema ambiental debido a su radioactividad, que puede persistir durante miles de años. Sin embargo, una nueva investigación realizada por científicos de la Universidad de Sharjah, publicada en la revista Nuclear Engineering and Design, sugiere que estos residuos podrían ofrecer un camino sostenible para la producción de hidrógeno a largo plazo.

El hidrógeno es actualmente reconocido como un prometedor portador de energía limpia, y los científicos están explorando métodos innovadores para su producción. El estudio investiga cómo los residuos nucleares, tradicionalmente considerados una carga, podrían ser reutilizados para generar hidrógeno a escala industrial.

A nivel global, el volumen de residuos nucleares sigue aumentando. Se estima que más de 4 millones de metros cúbicos de residuos nucleares están actualmente almacenados en todo el mundo, con diferentes niveles de radioactividad.

"Utilizar residuos nucleares es un método novedoso para producir hidrógeno que transforma un problema ambiental persistente en un recurso útil", señalaron los investigadores. "El hidrógeno se ha convertido en un portador de energía prometedor a medida que aumenta la necesidad de fuentes de energía sostenibles y limpias en todo el mundo".

El optimismo de los científicos sobre la conversión de residuos nucleares en hidrógeno se basa en una revisión exhaustiva de las tecnologías innovadoras disponibles que aprovechan la radioactividad para dividir moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno sin emitir dióxido de carbono.

Los investigadores escribieron: "Con base en la investigación existente, se encontró que los residuos nucleares pueden mejorar significativamente la generación de hidrógeno a través de una variedad de métodos avanzados, incluyendo la electrólisis mejorada por catalizadores, la reforma de metano y los ciclos termoquímicos".

"Otras técnicas prometedoras incluyen celdas de electrólisis mejoradas por radiación, alimentación de residuos radiactivos en un calentador para generar electricidad que alimente las celdas de electrólisis, radiólisis y fotocatálisis de plasma líquido".

La investigación presenta un análisis detallado y exhaustivo de los métodos actuales desarrollados para reciclar residuos nucleares en hidrógeno.

Entre los más prometedores, según los autores, se encuentra la electrólisis mejorada por radiación. Este novedoso proceso, afirman los científicos, puede aumentar la producción de hidrógeno hasta diez veces en comparación con la electrólisis tradicional. Esta tecnología ofrece una ruta mucho más rápida y eficiente para la producción de hidrógeno a partir de residuos nucleares, según los científicos.

Reevaluando investigaciones previas, los autores identifican la catálisis a base de uranio como una opción rentable, tanto en términos de disponibilidad de materiales como de costo total.

"El uso de catalizadores a base de uranio reduce la necesidad de metales raros y costosos", argumentan, señalando que "el alto costo y la escasez crean una necesidad urgente de (la adopción) de alternativas más asequibles".

En la catálisis a base de uranio como técnica, los compuestos de uranio sirven como catalizadores, sustancias que pueden acelerar reacciones químicas, particularmente en el contexto de hidrógeno a partir de agua, un camino prometedor para la energía sostenible. Este enfoque está ganando atención en círculos académicos.

El documento también recomienda dos tecnologías adicionales para la generación de hidrógeno: la reforma de metano utilizando catalizadores a base de uranio, que puede reducir la acumulación de carbono y mejorar el rendimiento de hidrógeno, y la fotocatálisis de plasma en fase líquida, un método que mejora la producción de hidrógeno a partir de aguas residuales nucleares.

Los autores examinan críticamente las limitaciones y desafíos asociados con estos métodos, incluyendo "el riesgo de contaminación de syngas, la modificación química del catalizador y regulaciones estrictas que obstaculizan el progreso de la investigación en este campo".

No obstante, enfatizan las ventajas de las técnicas propuestas, afirmando que "tienen varias ventajas, incluyendo la reducción de la cantidad de residuos radiactivos, la disminución de la necesidad de almacenamiento a largo plazo y el suministro de un suministro constante de hidrógeno".

Los autores presentan una revisión exhaustiva que también revela brechas persistentes en el campo de la generación de hidrógeno a partir de residuos nucleares. Estas brechas, afirman, deben ser abordadas por la investigación científica futura. "La investigación en esta área sigue siendo limitada y dispersa, subrayando la necesidad de una mayor investigación", enfatizan.

Señalan un "obstáculo significativo" para los científicos que investigan el avance de tecnologías centradas en convertir residuos nucleares en hidrógeno. Esta barrera, según el estudio, se representa en el estricto marco regulatorio impuesto sobre el acceso y manejo de materiales radiactivos y residuos radiactivos.

"La mayor parte de la literatura disponible se basa en fuentes de radiación externas para simular los efectos de los residuos radiactivos, lo que puede comprometer la precisión y aplicabilidad en el mundo real de los hallazgos", sostienen, añadiendo que si bien la regulación es esencial, "las regulaciones estrictas obstaculizan la innovación".

La revisión examina sistemáticamente los enfoques actuales para la producción de hidrógeno a partir de residuos nucleares, incluyendo celdas de electrólisis mejoradas, procesos de radiólisis, ciclos termoquímicos, celdas de radioelectrólisis y técnicas de reforma de metano.

Según los autores, "Estos métodos muestran promesas para aumentar la cantidad de hidrógeno producido, disminuir la necesidad de elementos costosos y raros, y reducir los efectos ambientales a largo plazo de los residuos nucleares".

Además, demuestran que la producción de hidrógeno en procesos de radiólisis se ve significativamente afectada por varias variables, como la adición de ácido fórmico (los rendimientos aumentan hasta 12 veces), la temperatura (aumento de hasta cinco veces), la duración de la irradiación y el tipo de catalizador, incluyendo TiO₂ (fase rutilo) y ZrO₂, que emergen como catalizadores particularmente efectivos.

Los autores concluyen enfatizando la importancia de la colaboración entre sectores: "Para superar obstáculos técnicos, regulatorios y financieros en el futuro, será crucial promover la cooperación entre instituciones de investigación científica, legisladores y partes interesadas de la industria".