Producto de fisión nuclear

Los reactores de fisión nuclear comerciales operan en el estado subcrítico inmediato, que de otro modo se autoextinguiría . Ciertos productos de fisión se desintegran en segundos o minutos, produciendo neutrones retardados adicionales cruciales para mantener la criticidad. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Un ejemplo es el bromo-87, con una vida media de aproximadamente un minuto. ^{[ 9 ]} Al operar en este estado crítico retardado , la potencia cambia lo suficientemente lento como para permitir el control humano y automático. De forma análoga a como los amortiguadores de fuego varían el movimiento de las brasas de madera hacia el nuevo combustible, las barras de control se mueven a medida que el combustible nuclear se consume con el tiempo. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

En un reactor nuclear, las principales fuentes de radiactividad son los productos de fisión, junto con los actínidos y los productos de activación . Los productos de fisión constituyen la mayor parte de la radiactividad durante los primeros cientos de años, mientras que los actínidos predominan aproximadamente entre 10³ ^y  10⁵ ^años  después del uso del combustible.

La mayoría de los productos de fisión se retienen cerca de sus puntos de producción. Son importantes para el funcionamiento del reactor no solo porque algunos aportan neutrones retardados útiles para el control del reactor, sino también porque algunos son venenos neutrónicos que inhiben la reacción nuclear. La acumulación de venenos neutrónicos es clave para determinar cuánto tiempo puede permanecer un elemento combustible en el reactor . La desintegración de los productos de fisión también genera calor que persiste incluso después de que el reactor se haya apagado y la fisión se haya detenido. Este calor residual requiere ser eliminado tras el apagado; la pérdida de esta refrigeración dañó los reactores de Three Mile Island y Fukushima .

Si el revestimiento del combustible desarrolla orificios, los productos de fisión pueden filtrarse al refrigerante primario . Según su composición química, pueden depositarse en el núcleo del reactor o circular por el sistema de refrigeración, y existen sistemas de control químico para eliminarlos. En un reactor de potencia bien diseñado que funciona en condiciones normales, la radiactividad del refrigerante es muy baja.

El isótopo responsable de la mayor parte de la exposición a rayos gamma en las plantas de reprocesamiento de combustible (y en el sitio de Chernóbil en 2005) es el cesio-137 . El yodo-129 es un isótopo radiactivo importante liberado por las plantas de reprocesamiento. En los reactores nucleares, tanto el cesio-137 como el estroncio-90 se encuentran en lugares alejados del combustible porque se forman por la desintegración beta de gases nobles ( xenón-137 , con una vida media de 3,8 minutos, y criptón-90 , con una vida media de 32 segundos), lo que permite que se depositen lejos del combustible, por ejemplo, en las barras de control .

Las armas nucleares utilizan la fisión como fuente de energía, ya sea parcial o principal. Dependiendo del diseño del arma y del lugar de la explosión, la importancia relativa de la radiactividad de los productos de fisión variará en comparación con la radiactividad de los productos de activación en la radiactividad total de la lluvia radiactiva.

Los productos de fisión inmediatos de una bomba nuclear son esencialmente los mismos que los de cualquier otra fuente de fisión, dependiendo ligeramente del nucleido que se fisiona. Sin embargo, la brevísima duración de la reacción influye en la mezcla específica de isótopos que produce una bomba atómica.

Por ejemplo, la relación ^¹³⁴Cs / ^¹³⁷Cs proporciona un método sencillo para distinguir entre la lluvia radiactiva de una bomba y los productos de fisión de un reactor nuclear. Casi no se forma cesio-134 por fisión nuclear (porque el xenón -134 es estable). El ^¹³⁴Cs se forma por la activación neutrónica del ^¹³³Cs estable , que a su vez se forma por la desintegración de isótopos en la isobara (A  =  133). Por lo tanto, en una criticidad momentánea, para cuando el flujo de neutrones se vuelve cero, habrá transcurrido muy poco tiempo para que haya ^¹³³Cs presente. En cambio, en un reactor nuclear hay tiempo suficiente para que la desintegración de los isótopos en la isobara forme ^¹³³Cs , pero este ^¹³³Cs formado solo puede activarse para formar ^¹³⁴Cs si el tiempo entre el inicio y el final de la criticidad es prolongado.

Según el libro de texto de Jiri Hala, ^{[ 14 ]} la radiactividad en la mezcla de productos de fisión en una bomba atómica es causada principalmente por isótopos de vida corta como el yodo-131 y el bario-140 . Después de unos cuatro meses, el cerio-141 , el circonio-95 / niobio-95 y el estroncio-89 representan la mayor parte del material radiactivo. Después de dos a tres años, el cerio-144 / praseodimio-144 , el rutenio-106 / rodio-106 y el prometio-147 son responsables de la mayor parte de la radiactividad. Después de algunos años, la radiación está dominada por el estroncio-90 y el cesio-137, mientras que en el período entre 10 000 y un millón de años es el tecnecio-99 el que predomina.

Algunos productos de fisión (como _el ^137Cs ) se utilizan en fuentes radiactivas médicas e industriales . El ion ^99TcO₄⁻ ( ^pertecnetato ) puede reaccionar con superficies de acero para formar una capa resistente a la corrosión . De esta manera, estos aniones metaloxo actúan como inhibidores de la corrosión anódica , pasivando la superficie del acero. La formación de ^99TcO₂ en superficies de acero es un efecto que retrasa la liberación de ^99Tc de los bidones de residuos nucleares y de los equipos nucleares que se hayan perdido antes de la descontaminación (por ejemplo, _reactores de submarinos nucleares perdidos en el mar).

De manera similar, la liberación de radioyodo en un accidente grave de un reactor nuclear podría retrasarse mediante la adsorción en superficies metálicas dentro de la planta nuclear. ^{[ 15 ]} Gran parte del trabajo sobre la química del yodo que ocurriría durante un accidente grave ya se ha realizado. ^{[ 16 ]}

Al menos tres isótopos de yodo son importantes: ^129I , ^131I (radioyodo) y ^132I . Tanto las pruebas nucleares al aire libre como el desastre de Chernóbil liberaron yodo-131.

Los isótopos de yodo de vida corta son particularmente dañinos porque la tiroides acumula y concentra yoduro , tanto radiactivo como estable. La absorción de yodo radiactivo puede provocar efectos agudos, crónicos y retardados. Los efectos agudos de dosis altas incluyen tiroiditis , mientras que los efectos crónicos y retardados incluyen hipotiroidismo , nódulos tiroideos y cáncer de tiroides . Se ha demostrado que el yodo activo liberado por Chernóbil y Mayak ^{[ 19 ]} ha dado lugar a un aumento en la incidencia de cáncer de tiroides en la antigua Unión Soviética .

Una medida que protege contra el riesgo del yodo radiactivo es tomar una dosis de yoduro de potasio (KI) antes de la exposición. El yoduro no radiactivo "satura" la tiroides, lo que reduce la cantidad de yodo radiactivo que se almacena en el cuerpo. La administración de yoduro de potasio reduce los efectos del yodo radiactivo en un 99 % y es un complemento prudente y económico para los refugios antiaéreos . Una alternativa de bajo costo a las pastillas de yodo disponibles comercialmente es una solución saturada de yoduro de potasio. El almacenamiento a largo plazo del KI se realiza normalmente en forma de cristales de grado reactivo . ^{[ 18 ]}

La administración de sustancias bociógenas conocidas también puede utilizarse como profilaxis para reducir la bioabsorción de yodo (ya sea el yodo-127 nutricional no radiactivo o el yodo radiactivo, radioyodo, más comúnmente yodo-131 , dado que el organismo no puede distinguir entre los diferentes isótopos de yodo ). Se ha demostrado que los iones perclorato , un contaminante común del agua en los EE. UU. debido a la industria aeroespacial , reducen la absorción de yodo y, por lo tanto, se clasifican como bociógenos . Los iones perclorato son un inhibidor competitivo del proceso por el cual el yoduro se deposita activamente en las células foliculares tiroideas. Estudios realizados con voluntarios adultos sanos determinaron que, a niveles superiores a 0,007 miligramos por kilogramo por día (mg/(kg·d)), el perclorato comienza a inhibir temporalmente la capacidad de la glándula tiroides para absorber yodo del torrente sanguíneo ("inhibición de la absorción de yoduro", por lo que el perclorato es un bociógeno conocido). ^{[ 20 ]} La reducción del pool de yoduro por el perclorato tiene efectos duales: reducción de la síntesis hormonal excesiva y del hipertiroidismo, por un lado, y reducción de la síntesis de inhibidores tiroideos y del hipotiroidismo, por otro. El perclorato sigue siendo muy útil como aplicación de dosis única en pruebas que miden la descarga de radioyodo acumulado en la tiroides como resultado de diversas alteraciones en el metabolismo del yoduro en la glándula tiroides. ^{[ 21 ]}

El tratamiento de la tirotoxicosis (incluida la enfermedad de Graves) con 600-2000  mg de perclorato de potasio (430-1400  mg de perclorato) al día durante periodos de varios meses o más fue una práctica común, especialmente en Europa, ^{[ 20 ] [ 22 ]} y el uso de perclorato en dosis más bajas para tratar problemas de tiroides continúa hasta el día de hoy. ^{[ 23 ]} Aunque inicialmente se utilizaron 400  mg de perclorato de potasio divididos en cuatro o cinco dosis diarias y se comprobó su eficacia, se introdujeron dosis más altas cuando  se descubrió que 400 mg/día no controlaban la tirotoxicosis en todos los sujetos. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Los regímenes actuales para el tratamiento de la tirotoxicosis (incluida la enfermedad de Graves), cuando un paciente está expuesto a fuentes adicionales de yodo, suelen incluir 500  mg de perclorato de potasio dos veces al día durante 18 a 40 días. ^{[ 20 ] [ 24 ]}

Se ha demostrado que la profilaxis con agua que contiene perclorato a concentraciones de 17 ppm , lo que corresponde a  una ingesta personal de 0,5 mg/kg-día, si una persona pesa 70  kg y consume 2 litros de agua al día, reduce la captación basal de yodo radiactivo en un 67 % ^{[ 20 ]} . Esto equivale a ingerir un total de tan solo 35  mg de iones de perclorato al día. En otro estudio relacionado, donde los sujetos bebieron solo 1 litro de agua que contiene perclorato al día a una concentración de 10 ppm, es decir,  se ingirieron 10 mg de iones de perclorato al día, se observó una reducción promedio del 38 % en la captación de yodo ^{[ 25 ] .}

Sin embargo, cuando la absorción promedio de perclorato en trabajadores de plantas de perclorato sometidos a la mayor exposición se ha estimado en aproximadamente 0,5  mg/kg-día, como en el párrafo anterior, se esperaría una reducción del 67% en la absorción de yodo. Sin embargo, los estudios de trabajadores crónicamente expuestos hasta el momento no han detectado ninguna anomalía en la función tiroidea, incluida la absorción de yodo. ^{[ 26 ]} Esto bien podría atribuirse a una exposición o ingesta diaria suficiente de yodo-127 saludable entre los trabajadores y a la corta vida media biológica de 8 horas del perclorato en el cuerpo. ^{[ 20 ]}

Bloquear completamente la absorción de yodo-131 mediante la adición intencional de iones perclorato al suministro de agua de una población, apuntando a dosis de 0,5  mg/kg-día, o una concentración de agua de 17 ppm, sería, por lo tanto, sumamente insuficiente para reducir realmente la absorción de radioyodo. Las concentraciones de iones perclorato en el suministro de agua de una región tendrían que ser mucho más altas, al menos 7,15  mg/kg de peso corporal por día, o una concentración de agua de 250 ppm , suponiendo que las personas beben 2 litros de agua por día, para ser realmente beneficioso para la población en la prevención de la bioacumulación cuando se exponen a un ambiente de radioyodo, ^{[ 20 ] [ 24 ]} independientemente de la disponibilidad de medicamentos yodados o yoduros .

La distribución continua de comprimidos de perclorato o la adición de perclorato al suministro de agua tendría que mantenerse durante al menos 80-90 días, comenzando inmediatamente después de la detección de la liberación inicial de yodo radiactivo. Transcurridos 80-90 días, el yodo-131 radiactivo liberado se habría reducido a menos del 0,1 % de su cantidad inicial, momento en el que el peligro de bioabsorción de yodo-131 prácticamente habría desaparecido. ^{[ 27 ]}

En caso de una fuga de yodo radiactivo, la ingestión de yoduro de potasio profiláctico, si estuviera disponible, o incluso de yodato, tendría prioridad sobre la administración de perclorato y constituiría la primera línea de defensa para proteger a la población. Sin embargo, si la fuga fuera demasiado masiva y generalizada para ser controlada con las limitadas existencias de yoduro y yodato profilácticos, la adición de iones perclorato al suministro de agua o la distribución de comprimidos de perclorato servirían como una segunda línea de defensa eficaz y económica contra la bioacumulación de yodo radiactivo carcinogénico .

La ingestión de fármacos bociógenos, al igual que la del yoduro de potasio, conlleva riesgos como el hipotiroidismo . Sin embargo, en todos estos casos, a pesar de los riesgos, los beneficios profilácticos de la intervención con yoduro, yodato o perclorato superan el grave riesgo de cáncer derivado de la bioacumulación de yodo radiactivo en regiones donde este ha contaminado suficientemente el medio ambiente.

El accidente de Chernóbil liberó una gran cantidad de isótopos de cesio que se dispersaron en una amplia zona. El ^137Cs es un isótopo que genera preocupación a largo plazo, ya que permanece en las capas superficiales del suelo. Las plantas con raíces poco profundas tienden a absorberlo durante muchos años. Por lo tanto, el césped y los hongos pueden contener una cantidad considerable de ^137Cs , que puede transmitirse a los seres humanos a través de la cadena alimentaria .

Una de las mejores medidas para contrarrestar el cesio-137 en la ^ganadería lechera es remover la tierra mediante un arado profundo. Esto impide que el cesio ^-137 llegue a las raíces superficiales del pasto, reduciendo así su nivel de radiactividad. Asimismo, la eliminación de los primeros centímetros de tierra y su enterramiento en una zanja poco profunda disminuye la dosis para humanos y animales, ya que los rayos gamma del cesio ^-137 se atenúan al atravesar el suelo. Cuanto más profunda y remota sea la zanja, mayor será la protección. Se pueden utilizar fertilizantes con potasio para diluir el cesio y limitar su absorción por las plantas.

En la ganadería , otra medida contra ^{el 137Cs} consiste en administrar azul de Prusia a los animales . Este compuesto actúa como intercambiador iónico . El cianuro se une tan fuertemente al hierro que es seguro para un ser humano consumir varios gramos de azul de Prusia al día. El azul de Prusia reduce la vida media biológica (diferente de la vida media nuclear ) del cesio. La vida media física o nuclear del ^137Cs es de aproximadamente 30 años. El cesio en los seres humanos normalmente tiene una vida media biológica de entre uno y cuatro meses. Una ventaja adicional del azul de Prusia es que el cesio que se elimina del animal en las heces se encuentra en una forma que no está disponible para las plantas. Por lo tanto, evita que el cesio se recicle. La forma de azul de Prusia requerida para el tratamiento de animales, incluidos los seres humanos, es de un grado especial. Los intentos de utilizar el grado de pigmento utilizado en pinturas no han tenido éxito. ^{[ 28 ]}

La adición de cal a suelos pobres en calcio puede reducir la absorción de estroncio por las plantas. Del mismo modo, en zonas con suelos bajos en potasio , la adición de un fertilizante potásico puede inhibir la absorción de cesio por las plantas. Sin embargo, estos tratamientos con cal o potasa no deben realizarse a la ligera, ya que pueden alterar significativamente la química del suelo , modificando así la ecología vegetal del terreno. ^{[ 29 ]}