Siete aplicaciones de la inteligencia artificial en las ciencias nucleares

28 June 2024

Matteo Barbarino, Departamento de Ciencias y Aplicaciones Nucleares

La inteligencia artificial puede impulsar el avance de la ciencia, la tecnología y las aplicaciones nucleares. (Imagen: A. Vargas/OIEA)

En los últimos diez años, la inteligencia artificial se ha transformado radicalmente. Es cada vez más sofisticada y hoy permite resolver problemas de una complejidad sin precedentes. Se emplea en diversos sectores, como la industria, el transporte, las finanzas, la educación y la medicina, y puede impulsar al avance de la ciencia, la tecnología y las aplicaciones nucleares. Si aprovechamos su potencial, la inteligencia artificial constituirá una herramienta para enfrentar algunos de los problemas más acuciantes de la actualidad, como la inseguridad alimentaria y el cambio climático.

En este artículo se explican brevemente algunas de sus posibles aplicaciones en el ámbito de los usos pacíficos de la tecnología nuclear. Para ampliar esta información, puede consultar la nueva publicación del OIEA Artificial Intelligence for Accelerating Nuclear Applications, Science and Technology.

1. Medicina

La inteligencia artificial puede emplearse para diagnosticar y tratar enfermedades. En el caso del cáncer, permite interpretar mejor las imágenes y delimitar con precisión los contornos de los tumores. Gracias a ella, los médicos pueden planificar tratamientos como la “radioterapia adaptativa”, un proceso diseñado a la medida sobre la base de las características y la evolución del paciente. Dado que varios países están explorando estas posibilidades, el OIEA ha dado inicio recientemente a un proyecto coordinado de investigación en ese ámbito.

La inteligencia artificial también será fundamental en el marco de la iniciativa Medidas Integradas contra las Enfermedades Zoonóticas (ZODIAC), que busca ayudar a los expertos a entender las repercusiones de este tipo de enfermedades en la salud humana, a fin de predecir, evaluar y contener brotes.

2. Alimentación y agricultura

Si se combina la inteligencia artificial con las tecnologías nucleares, es posible diseñar sistemas de alimentación más sostenibles y resilientes al cambio climático para combatir la inseguridad alimentaria.

Los expertos emplean la inteligencia artificial en el procesamiento de datos que les permiten mejorar el rendimiento de los cultivos, calcular la humedad del suelo, rehabilitar terrenos contaminados por radiaciones, detectar y predecir el fraude alimentario y mejorar la irrigación.

3. Agua y medio ambiente

Los expertos en una ciencia denominada “hidrología isotópica” estudian, por ejemplo, los movimientos del agua en las diferentes etapas del ciclo hidrológico y los efectos del cambio climático en los recursos hídricos. En ese tipo de investigaciones, han empleado la inteligencia artificial para analizar grandes cantidades de datos recogidos en registros internacionales, como la Red Mundial sobre Isótopos en la Precipitación, administrada por el OIEA, y la Organización Meteorológica Mundial.

4. Fusión nuclear

Otro de los campos en los que se aprovecha la inteligencia artificial es el de investigación sobre la fusión. Debido a que la inteligencia artificial puede emplearse para resolver problemas complejos y de gran escala, los expertos pueden emplearla en simulaciones y modelos de experimentos.

Dichas aplicaciones de la inteligencia artificial se abordan en un nuevo proyecto coordinado de investigación del OIEA, que tendrá una duración de cinco años.

5. Energía eléctrica

La energía nucleoeléctrica es una fuente de energía baja en carbono, para la que también es posible utilizar la inteligencia artificial. Si se combina esta última con simulaciones digitales de instalaciones nucleares reales, se pueden optimizar complejos procesos industriales y mejorar el diseño, el rendimiento y la seguridad de los reactores, lo que aumenta la eficacia de las operaciones y reduce los costos de mantenimiento.

El aprendizaje automático, un proceso en el que la inteligencia artificial modifica su propio funcionamiento tras procesar grandes cantidades de datos, permite automatizar tareas, evitar errores y obtener resultados más precisos. Además, la inteligencia artificial tiene capacidades analíticas y predictivas considerables, que pueden aplicarse en la monitorización de procesos en las centrales y la detección de anomalías.

6. Seguridad física nuclear y protección radiológica

Cada vez más países eligen emplear la tecnología nuclear para fines pacíficos y adoptar programas de energía nucleoeléctrica y, para atender a esta demanda, el OIEA trabaja sin cesar con el fin de proteger al público y el medioambiente de los efectos nocivos de la radiación ionizante.

En el ámbito de la seguridad nuclear tecnológica y física, la inteligencia artificial sirve para analizar datos provenientes de los sistemas de detección de radiaciones, lo que mejora los procesos de hallazgo y caracterización de materiales nucleares y otros materiales radiactivos. Además, puede constituir un instrumento de análisis de datos de los sistemas de protección física con los que se detecta la presencia de intrusos. También contribuye a revelar anomalías que pueden indicar que una instalación nuclear es objeto de un ciberataque.

Por lo que respecta al ámbito de la protección radiológica, la inteligencia artificial puede integrarse en los programas informáticos relacionados con las normas de seguridad. Con ello se fortalece la protección de millones de personas que trabajan en sectores en los que puede existir una exposición ocupacional a la radiación ionizante, como la medicina, la construcción, la minería, la navegación, la agricultura y la energía nuclear.

7. Salvaguardias

Las salvaguardias son medidas de verificación técnica mediante las cuales el OIEA da garantías creíbles de que los países cumplen sus obligaciones jurídicas de utilizar el material nuclear únicamente para fines pacíficos. El OIEA examina el material nuclear y las actividades relacionadas con el ámbito nuclear declaradas por el país y hace todo lo posible para verificar que no haya nada sin declarar, mediante diversas labores, como las inspecciones a instalaciones o emplazamientos nucleares.

Las salvaguardias se sirven de grandes cantidades de datos obtenidos por diversos medios, como las imágenes satelitales, el muestreo ambiental, la espectroscopia de rayos gamma y la videovigilancia. Los inspectores y los analistas de salvaguardias pueden examinar dichos datos mediante la inteligencia artificial. Los métodos de aprendizaje automático ya se han aplicado en la detección de valores atípicos en conjuntos de datos de gran tamaño y pueden ser útiles para verificar el combustible gastado e interpretar las grabaciones de las cámaras de seguridad. Se anticipa que la inteligencia artificial mejore aún más la eficacia de la aplicación de salvaguardias, ya que puede reducir el número de tareas repetitivas de los inspectores.

Perspectivas para el futuro

El OIEA ofrece foros interdisciplinarios durante los cuales los profesionales intercambian ideas y colaboran en el uso de la inteligencia artificial en la tecnología, la ciencia y las aplicaciones nucleares. En su plataforma AI for Atoms, el Organismo divulga información y promueve alianzas sobre la inteligencia artificial. Asimismo, coopera con la Unión Internacional de Telecomunicaciones, el Grupo de Trabajo Interinstitucional de las Naciones Unidas sobre Inteligencia Artificial y alrededor de 40 organismos de Naciones Unidas para sentar las bases de un desarrollo sostenible impulsado por la inteligencia artificial.

1. Human health

AI can contribute to combating diseases. It is already applied to support the diagnosis and treatment of cancer through improved image interpretation and precise tumour contouring, enabling more accurate treatment plans and adaptive radiotherapy — a process tailored to the anatomical characteristics of the individual patient. The IAEA has recently launched a coordinated research project in this area.

AI will also play an important role in the IAEA’s Zoonotic Disease Integrated Action (ZODIAC) initiative to help experts better understand the impact of zoonotic diseases on human health and predict, assess and contain future outbreaks of such diseases.

2. Food and agriculture

AI tools combined with nuclear technologies can help make food systems more sustainable and climate change resilient, while also addressing food and nutrition insecurity.

Experts deploy AI to process and analyse data to increase crop yields, estimate soil moisture, remediate radioactively contaminated land, detect and predict food fraud events and improve irrigation.

3. Water and the environment

Isotopic methods allow experts to study and track how water moves through different stages of the hydrological cycle and what transformations occur in this cycle due to climate change. Experts already apply AI-based approaches to quickly analyse huge amounts of water-related isotopic data stored in global repositories, such as the Global Network of Isotopes in Precipitation maintained by the IAEA and the World Meteorological Organization.

Effective and efficient analysis of data facilitated with AI helps scientists understand climate change and its impact on water availability worldwide.

4. Nuclear science and fusion research

Artificial intelligence plays an increasingly important role in nuclear science. AI are used in data analysis, theoretical modelling and experiment design, helping to accelerate fundamental research, for example in the realm of nuclear and atomic data evaluation and compilation, and advancing technological innovation.

A particular area that benefits from the application of AI is fusion research. With its ability to solve large and complex problems, AI can aid experiments and scientific discovery through modelling and simulations. These applications of AI are included in a new five-year IAEA coordinated research project aimed at accelerating fusion research and development.

5. Nuclear power

Nuclear power is a reliable, low carbon source of energy, and it can benefit significantly from the inclusion of AI. By combining digital simulations of real nuclear facilities with AI systems, the industry can optimize complex procedures and improve reactor design, performance and safety. Such optimization can increase the efficiency of operations and reduce maintenance costs.

Machine learning — a process whereby AI learns by analysing large amounts of data — helps to automate tasks and thereby increase reliability and avoid errors. Furthermore, AI has considerable analytical and predictive potential to help monitor power plant processes and detect anomalies.

6. Nuclear security and radiation protection

As more and more countries choose to use nuclear technology for peaceful purposes and adopt nuclear power programmes, the IAEA works continuously to ensure the protection of people and the environment from the potential harmful effects of ionizing radiation.

AI can contribute to nuclear security and safety in several ways. It can be used in the processing of data from radiation detection systems to enhance the detection and identification of nuclear and other radioactive material. It can be applied to analyse data from physical protection systems to improve the detection of intruders. It can also help spot anomalies that could indicate a cyber-attack on a nuclear facility. Furthermore, in the realm of radiation protection, the integration of AI in safety standards-related software can reinforce the protection of the millions of workers with occupational exposure in medicine, construction, mining, shipping, agriculture and nuclear power.

7. Safeguards

Safeguards are technical verification measures through which the IAEA provides credible assurances that countries are honouring their legal obligations to use nuclear material for peaceful purposes only. The IAEA assesses states’ declared nuclear material and nuclear-related activities and seeks to verify the absence of undeclared ones through measures, such as inspections at nuclear facilities and sites.

Safeguards rely on large amounts of data obtained by various means, such as satellite imagery, environmental sampling, gamma ray spectroscopy and video surveillance. AI can help nuclear inspectors and safeguard analysts with the analysis of these data. Machine learning methods have already been used to detect outliers in large datasets and assist in verifying spent fuel and analysing surveillance recordings. AI is expected to further improve the efficiency of safeguards implementation by reducing the number of repetitive tasks performed by inspectors.

The way forward

The IAEA provides interdisciplinary fora for professionals to discuss and foster collaboration on the use of AI in nuclear applications, science and technology and is committed to sharing knowledge and forging partnerships through its AI for Atoms platform. As part of this initiative, the IAEA cooperates with the International Telecommunication Union, the UN Interagency Working Group on AI and almost 40 other UN organizations to provide a solid foundation for accelerated sustainable development with AI.

The AI for Good is a year-round digital platform of the United Nations system, where AI innovators and problem owners learn, discuss and connect to identify practical AI solutions to advance the United Nations Sustainable Development Goals.

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