PANORAMA NUCLEAR
20 años de investigaciones y aplicaciones en Cuba de los radiotrazadores y el perfilaje en la industria y el medioambiente
20 years of Cuban radiotracer and scanning researches and applications at the industry and the environment
Jorge I. Borroto Portela, Judith Domínguez Catasús
Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas (InSTEC)
Ave. Salvador Allende y Luaces.
La Habana, Cuba
borroto@instec.cu
RESUMEN
Las tecnologías de radiotrazadores y de escaneo son herramientas bien consolidadas para el estudio,
análisis y evaluación de los procesos industriales y medioambientales. En este trabajo se sintetizan
los principales resultados alcanzados por el Grupo de Aplicaciones Industriales y Medioambientales
de los Radiotrazadores en el Departamento de Radioquímica. La tecnología de radiotrazadores se
ha empleado con éxito para la caracterización del mezclado en reactores discontinuos, los estudios
sobre el comportamiento del 99mTc en aguas naturales y residuales, la calibración y validación del modelo
de calidad de agua del río Almendares, la caracterización de un reactor anaerobio para el tratamiento
de los residuales en el CAI “Pablo Noriega”, la verificación y validación del modelo DFC en un
cristalizador azucarero, el desarrollo de un generador radisotópico de 
/
, la modelación de
la calidad del agua en el segmento medio del río Luyanó, y para la modelación de la calidad del agua
en el río Guaire, Caracas, Venezuela. En los últimos años el grupo ha desarrollado y evaluado a nivel
de laboratorio radiotrazadores para fluidos orgánicos, particularmente relacionados con la industria
del petróleo y para sólidos, empleando como precursor al 
. Mientras la técnica de escaneo
se ha utilizado para el perfilaje gamma en torres de destilación de alcohol de los CAI “Héctor Molina”“Heriberto Duquesne” y “Jesús Rabí”.
Palabras clave: validación; Cuba; técnicas de trazadores; exploración por radisótopos; industria; medio ambiente; tecnecio 99; ríos;
cesio 137; bario 137; calidad del agua.
Abstract
Radiotracers and scanning technologies are much consolidated tools for the study, analysis and
evaluation of the industrial and environmental processes. This paper sums up the main results reached
by the Group of Industrial and Environmental Applications of Radiotracers of the Department
of Radiochemistry. Radiotracer technology has been successfully used for the characterization of
discontinuous reactors, the studies of the behavior of 99mTc in natural and wastewaters, the calibration
and validation of the water quality pattern of the Almendares river, the characterization of an anaerobic
reactor for wastewater treatment in the “Pablo Noriega” sugar mill, the verification and validation
of the DFC model in a sugar crystallizer, the development of a / radioisotope generator, the
modeling of the water quality in the half segment of the Luyanó river, the modeling of water quality at
the Guaire river, Caracas, Venezuela, the development and validation of a kit for label in oil derivates
with 
and solids. On the other hand, scanning techniques have been successfully used for gamma
scanning in alcohol distillation towers at the “Héctor Molina”, “Heriberto Duquesne” and “Jesús
Rabí” sugar mills.
Key words: validation; Cuba; tracer techniques; radioisotope scanning; industry; environment; technetium 99; rivers; cesium 137;
barium 137; water quality.
INTRODUCCIÓN
Los radiotrazadores se aplicaron por primera vez para
resolver problemas industriales y medioambientales
en la mitad del pasado siglo. Desde esa fecha su uso
se ha incrementado paulatinamente, de modo que han
alcanzado un rol primordial para la identificación de problemas
y la optimización de procesos. Aunque el Organismo
Internacional de Energía Atómica (OIEA) juega un
papel fundamental en todo este proceso facilitando la
transferencia de tecnología, queda el esfuerzo del país
para lograr avances en el tema. No obstante, existieron
algunos intentos formativos anteriores como el inicio de
la escuela cubana de aplicaciones de los radiotrazadores
y las técnicas de escaneo en abril de 1995, cuando
se organizó el curso OIEA/ARCAL-XVI “Aplicaciones de
los radiotrazadores en las industrias minera y agroalimentaria”,
en el que participaron investigadores y profesores
de varios países como el Dr. J. Griffith, Cuba;
Dr. A. Niemi, Dinamarca; Dr. P. Brisset, Francia; Dra. N.
Héresi, Chile; Dr. J. Thýn, República Checa. Entre los
temas del curso estuvieron: consideraciones de protección
radiológica, metodología de los radiotrazadores,
concepto de radiotrazador, selección y optimización
de los radiotrazadores, potenciales radiotrazadores
para aplicaciones industriales (mineras y alimentarias)
y medioambientales, inyección (estimación de la distancia
de buena mezcla), detección y medición, análisis de
datos, modelación, análisis de la distribución de tiempos
de residencia (DTR); y finalmente, como parte de la
tecnología de los radiotrazadores, se estudiaron algunos
casos y aplicaciones en los países de los profesores
involucrados.
Caracterización del mezclado en reactores“BATCH”
La primera aplicación de radiotrazadores en la industria
constituyó la tesis de maestría de la profesora
Aida Mary Abreu Díaz. El trabajo consistió en evaluar el
ajuste del modelo de tanques en serie con recirculación
para describir el flujo dentro de un reactor con agitador
tipo ancla y en caracterizar un mezclador discontinuo
de 100 L (figura 1) en la planta del Instituto Cubano de
Investigaciones y Desarrollo de la Caña de Azúcar (ICIDCA),
utilizando como radiotrazador [1,2].
Los resultados demostraron que el modelo de tanques
en serie con recirculación describe adecuadamente el
mezclado en rectores discontinuos con agitadores tipo
ancla y que la interrelación entre los números de mezcla
y Reynolds para el sistema estudiado (reactor-impelente)
tiende a que el número de mezcla sea constante e
igual a 7.8 en régimen turbulento.
Estudio del comportamiento del en aguas naturales y residuales
En el marco del Contrato de Investigaciones con el
OIEACUB-10227 se estudió, bajo condiciones de laboratorio
y campo, la sorción del desde aguas
residuales contaminadas a los sedimentos ricos en
sustancias orgánicas. Los experimentos “BATCH” se
usaron en los ensayos de laboratorio para estudiar la
influencia de la concentración de tecnecio, el potencial
redox y la relación sólido-líquido. Mientras en las aguas
oxigenadas (aerobias) no se observó ninguna sorción del
tecnecio, en las aguas con una elevada carga de albañales
(y bajo fuertes condiciones anóxicas) sí se detectó
una leve sorción que indica que el tecnecio se puede
reducir bajo estas condiciones. La tasa de reducción no
mostró una marcada dependencia con la concentración
de Tc en el rango entre 
y 
mol/L;
sin embargo, si se observó alguna influencia de la relación
sólido-líquido.
Estos estudios a escala de laboratorio se confirmaron
tras sendos experimentos de doble trazado con
y rodamina-wt en dos locaciones de la cuenca
del río Almendares donde se registraron las correspondientes
curvas de DTR. Los cálculos del recobrado y
la forma de las curvas muestran que no hubo retardo
o pérdida de tecnecio bajo esas condiciones experimentales
reales. Este resultado es consistente con el
comportamiento de laboratorio previamente observado
y soporta la hipótesis de que la sorción del Tc está dada
fundamentalmente por el potencial redox del sistema.
Se concluye sobre la factibilidad de empleo de la especie
en estudios hidrológicos de aguas naturales
y albañales. Bajo el amparo de estas investigaciones se
defendió una tesis de doctorado [3].
Calibración y validación del modelo de calidad
de agua del río Almendares
Este estudio fue una contribución importante para
la recuperación del río. Con la ayuda de radiotrazadores
se obtuvo un modelo matemático que describe la
calidad del agua en términos de oxígeno disuelto (OD)
y demanda bioquímica de oxígeno carbonacea (DBOc)
y nitrogenada (DBOn), en función de las características
morfológicas y de los procesos físicos, químicos y biológicos
que tienen lugar en el río. Este modelo fue una
herramienta de gran valor en la evaluación del impacto
de sistemas de tratamiento de aguas y del vertimiento
de efluentes industriales sobre la calidad del agua del
río Almendares y, por tanto, en la planificación de su saneamiento.
Se estudió la zona comprendida entre la Estación de
Depuración de Residuales (EDAR) de María del Carmen
y el Puente del Bosque de La Habana. (figura2)
Para la caracterización hidrodinámica del río se utilizaron
el y la rodamina-wt como trazadores. Se
estableció además una red de 22 puntos de muestreo
para las mediciones de calidad de agua: OD, DBO5,
amonio, nitritos, nitratos, conductividad, salinidad, sólidos
totales disueltos y temperatura.
Las características de explotación del río fomentan
que derrames tóxicos accidentales lleguen a su cauce.
Teniendo en cuenta que las aguas del Almendares se
utilizan para el riego agrícola, con fines recreativos y que
en sus riberas se potencia el uso no controlado por la alta densidad poblacional, se realizaron estudios dirigidos
al pronóstico de la evolución de esos derrames que
revisten gran importancia desde el punto de vista de la
protección ambiental. En el trabajo se brinda la información
básica para la predicción de la evolución temporal
y espacial de un derrame y para su cuantificación
aproximada. (figura 3)
Por otra parte, en estudios sobre la contaminación
de los sistemas fluviales, adquiere una especial
importancia el conocimiento del contenido de metales
pesados en las aguas y en los sedimentos, ya que la
presencia de estos elementos en concentraciones elevadas,
constituye una fuente potencial de contaminación
en el hidrociclo, por cuanto se pueden transferir
nuevamente al medio acuático. (figura 4)
Para estudiar este proceso fue necesario conocer
cuál es el grado de asociación de los metales pesados
en las distintas fases químicas: carbonatos, sulfuros,
materia orgánica, óxidos de Fe y Mn y arcilla. Se determinó
la concentración total de metales po r extracción
secuencial, lo que constituyó una modificación general
al procedimiento propuesto por Tessier. En correspondencia
se estudió el comportamiento sortivo del Pb, Cd,
Ni, Cu y Zn (indicadores por excelencia de la contaminación
ambiental en ciudades) en los sedimentos. Se
aplicó el protocolo propuesto por el “Bureau Community
of Reference (BCR)”, porque sus requisitos experimentales
se ajustaban adecuadamente a las condiciones
de este estudio. En general, para el cumplimiento de
los objetivos se plantearon ocho tareas.
A partir del estudio se arribaron a las conclusiones
siguientes:
Se puede predecir el impacto de las cargas de OD,
DBOc y amonio sobre la calidad de las aguas; por tanto,
se pueden utilizar el y la rodamina-wt para la planificación
de estrategias de saneamiento del río.
Estos dos trazadores junto a los procedimientos de
convolución matemática permiten pronosticar el comportamiento
temporal y espacial de derrames tóxicos
puntuales en los residuales de la EDAR de María de Carmen
[4].
El esquema de extracción secuencial utilizado permite
obtener valores con una reproducibilidad aceptable
para los cinco elementos estudiados. Se detectaron
concentraciones significativas de Cu, Ni, Pb, Zn y Cd en
la mayoría de las fracciones de sedimento estudiadas;
por lo tanto, es alta la probabilidad de que estos elementos
sean transferidos nuevamente al medio acuático.
Los sedimentos constituyen un potencial depósito
de metales pesados. Bajo el amparo de este proyecto
se defendió otra tesis de doctorado [5-8].
Caracterización de un reactor anaerobio
para el tratamiento de los residuales en el CAI “Pablo Noriega”
El objetivo de este trabajo fue estudiar la posibilidad
de usar el pertecnectato eluido de un generador de
/ como radiotrazador para medir la DTR de la
fase líquida en digestores anaerobios opacos. Para ello
se seleccionó el digestor (figura 5) de una planta de tratamiento
de residuales de la industria azucarera cubana,
específicamente en el CAI “Pablo Noriega” [9].
Los ensayos de laboratorio demostraron que el potencial
redox del medio es insuficiente para reducir a
la especie 
hasta 
. Sin embargo, se observó
una tasa de sorción entre 0.045 y 0.083 % probablemente
asociada a la retención del trazador en la
biomasa, su metabolización y reducción catalítica por
la actividad microbiológica. Se demostró que este fenómeno
no afecta la estimación del tiempo de residencia
promedio del digestor ni la modelación de su flujo
(figuras 6 y 7).
Verificación y validación del modelo DFC
en un cristalizador azucarero
Bajo el amparo de un Programa Coordinado de Investigaciones
del OIEA y del Departamento de Trazadores
del Instituto Cubano de Investigaciones Azucareras
(ICINAZ) se diseñó un cristalizador azucarero piloto (figura 8) y el grupo seleccionó el trazador apropiado para
alcanzar resultados viables tras la simulación DFC [10].
Se realizó una nueva aproximación para caracterizar
el patrón de flujo de fluidos no newtonianos en
esas instalaciones y se demostró la complejidad de los
sistemas. Con ese objetivo se llevaron a cabo procesos
discontinuos de mezcla y se determinó que el tiempo de
homogeneización de la masa cocida alcanza aproximadamente
las siete horas, por lo que se predijo que la eficiencia
del cristalizador sería muy baja con significativas
pérdidas de azúcar.
Como no se contó con el código FLUENT fue necesario
realizar toda la simulación con el código FLOTRAN
del paquete ANSYS 5.4. Ello minimizó las posibilidades
para predecir la DTR, ya que se requirió de una geometría
más simplificada y de un análisis transiente. (figuras 9 y 10)
Finalmente, considerando la complejidad de la estructura
del flujo, se diseñó un nuevo método de estímulo-
respuesta basado en la respuesta a una fuente
puntual de / y se preparó un programa que
permite interpolar la función respuesta del detector. (figura 11)
Desarrollo de un generador radisotópico
de /
Es una tendencia en los últimos años la disminución
de proveedores de isótopos radiactivos para aplicaciones
no médicas. Los productores se han redireccionado
hacia un mercado mucho más lucrativo, los radisótopos
para radiofarmacia y medicina nuclear. Por otro lado, se
han incrementado las aplicaciones en sitios muy lejanos
del centro productor de isótopos como las plataformas
petrolíferas en alta mar. Unido a esto hay países como
Cuba que no poseen instalaciones para su producción.
Reconociendo esta problemática, agudizada en los últimos
años a nivel internacional, el OIEA promovió y
cofinanció este Programa Coordinado de Investigación
dirigido a la obtención de radiotrazadores a partir de generadores
radisotópicos ya existentes y la creación de
nuevos generadores con interés industrial [11].
Bajo el auspicio de este programa del OIEA, el grupo
avanzó en el desarrollo de un generador radisotópico de
/ para propósitos educacionales e industriales
basado en el composito Silicagel/Cu-HCF, tratando
de incrementar la actividad nominal y los parámetros de
elución de un desarrollo anterior. (figura 12)
Tras dos años de intensas investigaciones con tres
generadores de 0.85; 2.12 y 9.80 MBq desarrollados, se
debieron abandonar esas investigaciones, pues se agotó
el del laboratorio y resultó imposible importar la nueva
actividad desde China para escalar el diseño logrado.
Modelación de la calidad del agua en el río
Guaire, Caracas-Venezuela
Desde junio de 2006 y hasta agosto de 2008 el InSTEC
asistió a la República Bolivariana de Venezuela dentro
del Proyecto “Diseño y aplicación de modelos matemáticos
para la solución de problemas de calidad de
aguas superficiales”, firmado entre los ministerios CITMA
de Cuba y MINAMB de Venezuela, en el marco de la
VI Reunión Mixta Intergubernamental. Como objetivos
generales de este proyecto se plantearon desarrollar las
capacidades de la Fundación Laboratorio Nacional de
Hidráulica (LNH), en función de las necesidades en elárea de ingeniería sanitaria y ambiental en Venezuela y
brindar asistencia técnica a esta institución en el diseño
y aplicación de la modelación matemática para la solución
de problemas de calidad de aguas superficiales, en
particular, en el saneamiento del río Guaire [12].
Las principales actividades desarrolladas por los tres
asesores cubanos estuvieron dirigidas al levantamiento
de la línea base ambiental de calidad del agua en el área
metropolitana de la cuenca del río Guaire, a la modelación
de la calidad del agua de ríos aplicando el modelo
modificado de Streeter y Phelps, al adiestramiento
y montaje de la metodología para la determinación de
parámetros hidrodinámicos en ríos y canales abiertos
con trazadores, y el entrenamiento y capacitación de los
profesionales del LNH en temas de calidad y sistemas
para tratamiento de aguas.
Por su esencia el proyecto contribuyó positivamente
a las labores de saneamiento del río Guaire y las obras de ingeniería estuvieron dirigidas a mejorar la recolección y
tratamiento de las aguas servidas por los barrios y cerros
de Caracas hacia esta arteria fluvial de la ciudad. Los resultados
de este trabajo se presentaron en dos eventos:
el III Simposio Internacional de Medio Ambiente y Habana
Verde 2008 y el XIII Taller de la Cátedra de Medio
Ambiente, y se publicaron en el volumen 8 de la revista
Contribución a la Educación y Protección Ambiental.
Modelación de la calidad del agua en el segmento
medio del río Luyanó
Se presenta la metodología seguida para la modelación
de tres parámetros que caracterizan la calidad
del agua: DBO, OD y NH4 en un tramo del río Luyanó,
empleando el software RIOSep® v.2.0 [13]. Durante el
trabajo se combinaron acertadamente las técnicas de
radiotrazadores para estimar los parámetros hidrodinámicos
de la corriente del río con las técnicas de análisis
físico-químico para determinar sus parámetros básicos. El levantamiento de los parámetros hidrodinámicos
en la corriente se realizó con el empleo del . Simultáneamente
con la determinación de caudales se
muestreó en cinco estaciones en el cauce principal y
dos tributarios, para determinar los parámetros físicoquímicos
de interés. (figura 13)
Como resultado se obtuvo un modelo (figura 14) que
describe en más del 90 % el comportamiento de la DBO
y del OD y en más del 65 % el comportamiento del NH4,
por lo que caracteriza adecuadamente los procesos de
autodepuración y el balance de oxígeno en las aguas
del río.
Desarrollo de radiotrazadores a partir
del para fluidos orgánicos
relacionados con la industria del petróleo
En el marco del programa anterior se comenzaron
las investigaciones dirigidas al desarrollo de radiotrazadores
para fluidos orgánicos, particularmente los relacionados
con la industria del petróleo. Se determinaron las condiciones para la adecuación
del a fase orgánica mediante la extracción con
la mezcla TBF-TOA/ciclohexano con más de un 99 %
de rendimiento, se optimizó la formulación, se estableció
el procedimiento de obtención del radiotrazador y
se evaluaron como satisfactorias su homogeneidad en
gasolina especial, diésel y dos crudos venezolanos, así
como su estabilidad en el crudo en presencia de agua
de capa acompañante al petróleo [14-17]. Este radiotrazador
quedó listo para evaluarse a nivel industrial.
Desarrollo de radiotrazadores sólidos
a partir del
Se sintetizaron ferrageles empleando sílicagel y
zeolita natural como soportes. Los ferrageles se utilizaron
para reducir el eluido del generador de
/ y se obtuvieron sílicagel y zeolita marcadas,
con un 99 % de incorporación del tecnecio en
ambas matrices [18]. Se optimizó la síntesis del ferragel
base silicagel determinando que 95 MBq/g es la capacidad
máxima de adsorción de tecnecio. Los estudios de
estabilidad mostraron que más del 82 % de la actividad
inicial del radiotrazador se mantiene en la fase sólida en
presencia de soluciones acuosas con un rango amplio
de pH (3-11) y de regímenes de agitación (40-110 rpm),
obteniéndose mayor estabilidad a pH neutros o ácidos
(
(%) <10) debido, probablemente, a la presencia
de especies cargadas de (
), enlazadas químicamente con el Fe/
sólido. El -Ferragel
resulta muy perspectivo como radiotrazador sólido para
estudios de sistemas de flujo multifásico, líquido-sólido
bajo las condiciones de pH y agitación estudiadas.
Adicionalmente, y con el objetivo de contar con una
gama de radiotrazadores sólidos, se realizó el marcaje
de la arena sílice previamente tratada con 
y NaOH
y sin tratar, empleando concentraciones variables de
cloruro y fluoruro estañoso como agentes reductores
del y diferentes tiempos de marcaje. Se determinó
que el fluoruro estañoso es mejor agente reductor
en este caso. Se analizó la influencia de diferentes parámetros
del tratamiento previo de la arena en los rendimientos
de marcaje obtenidos y se comprobó que con
el ajuste de la relación volumen de /masa arena y
el tiempo de contacto se logra incrementar la retención
del hasta un 74 %. La arena sílice marcada es también
un radiotrazador sólido perspectivo.
Diagnóstico preventivo de torres de destilación
de alcohol por técnicas nucleares
Se presentan los perfiles gamma de las torres de
destilación de alcohol en las destilerías de los CAI “Héctor
Molina” (Mayabeque), “Heriberto Duquesne” (Cienfuegos)
y “Jesús Rabí” (Matanzas) [19]. Los perfiles se realizaron en dirección ascendente
(desde los platos inferiores hacia los superiores) con una
fuente puntual de 
. Siempre fue necesario construir un aditamento de izaje compuesto por un angular, un
cepo y las rondanas. Este dispositivo se sujetó a la tubería
de salida del vapor hacia la torre rectificadora.
En la figura 15 se presenta el perfil de la torre de destilación
del CAI “Jesús Rabí” y en la tabla se muestra un
análisis de las anomalías encontradas en los platos.Todas las anomalías se corroboraron cuando se
abrieron las torres por lo que se concluyó que la técnica
es apropiada para esos diagnósticos. (figura 16)
CONCLUSIONES
Cuba es un país que no cuenta con instalaciones nucleares
para la producción de radisótopos, es por eso
que en la mayoría de las aplicaciones el Grupo de Aplicaciones
Industriales y Medioambientales de los Radiotrazadores
ha empleado el eluido del generador
de /, de amplio uso en la Medicina Nuclear.
Por el interés que representan, desde el 2007 el OIEA
coauspicia estas investigaciones dirigidas a la obtención
de radiotrazadores a partir del ; por lo que
se puede hablar de una escuela cubana en la temática. Este trabajo es un breve resumen de los principales
progresos alcanzados por el InSTEC, en colaboración
con otras instituciones, en el empleo de la técnica de
radiotrazadores y los métodos nucleónicos.
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