Producto de fisión de larga duración

Los productos de fisión de larga vida (PLLL) son materiales radiactivos con una vida media prolongada (más de 200 000 años) producidos por la fisión nuclear del uranio y el plutonio . Debido a su radiotoxicidad persistente , es necesario aislarlos de los seres humanos y la biosfera, y confinarlos en depósitos de residuos nucleares durante periodos geológicos. El presente artículo se centra en los radioisótopos ( radionúclidos ) generados por reactores de fisión .

La fisión nuclear produce productos de fisión , así como actínidos procedentes de núcleos de combustible nuclear que capturan neutrones pero no se fisionan, y productos de activación procedentes de la activación neutrónica de materiales del reactor o del medio ambiente.

Los tres primeros tienen vidas medias similares, de entre 200.000 y 300.000 años; los cuatro últimos tienen vidas medias más largas, del orden de los pocos millones de años.

1. El tecnecio-99 produce la mayor cantidad de radiactividad LLFP. Emite partículas beta de energía baja a media, pero no rayos gamma , por lo que su exposición externa es poco peligrosa, salvo en caso de ingestión. Sin embargo, la química del tecnecio le permite formar aniones ( pertecnetato , TcO₄⁻ ₎ ^que son relativamente móviles en el medio ambiente.
2. El estaño-126 tiene una gran energía de desintegración (debido a su producto de desintegración de corta vida media ) y es el único LLFP que emite radiación gamma energética , lo que representa un riesgo de exposición externa. Sin embargo, este isótopo se produce en cantidades muy pequeñas en la fisión por neutrones térmicos , por lo que la energía por unidad de tiempo del ^126Sn es solo alrededor del 5% de la del ^99Tc en la fisión del U-235, o el 20% de la del 65% de U-235 + 35% de Pu-239. La fisión rápida puede producir mayores rendimientos. El estaño es un metal inerte con poca movilidad en el medio ambiente, lo que ayuda a limitar los riesgos para la salud derivados de su radiación.
3. El selenio-79 se produce con bajos rendimientos y emite una radiación débil. Su energía de desintegración por unidad de tiempo debería ser solo alrededor del 0,2 % de la del tecnecio-99.
4. El zirconio-93 se produce con un rendimiento relativamente alto, de alrededor del 6%, pero su desintegración es 7,5 veces más lenta que la del Tc-99, y su energía de desintegración es solo el 30% de esta; por lo tanto, su producción de energía inicial es solo el 4% de la del Tc-99, aunque esta fracción aumentará a medida que el Tc-99 se desintegre. El ^93Zr produce radiación gamma, pero de muy baja energía, y el zirconio es relativamente inerte en el medio ambiente.
5. El predecesor del cesio-135, el xenón-135, se produce a una alta tasa de más del 6% de las fisiones, pero es un absorbente extremadamente potente de neutrones térmicos ( veneno de neutrones ), por lo que la mayor parte se transmuta en xenón-136 casi estable antes de que pueda desintegrarse en cesio-135. Si se destruye el 90% del ^{135 Xe, entonces la energía de desintegración por unidad de tiempo del 135} Cs restante es inicialmente solo alrededor del 1% de la del ⁹⁹ Tc. En un reactor rápido, se puede destruir menos Xe-135. ^{El 135} Cs es el único LLFP alcalino o electropositivo ; en contraste, los principales productos de fisión de vida media y los actínidos menores distintos del neptunio son todos alcalinos y tienden a permanecer juntos durante el reprocesamiento; Con muchas técnicas de reprocesamiento, como la solución salina o la volatilización de la sal, ^{el 135} Cs también permanecerá en este grupo, aunque algunas técnicas, como la volatilización a alta temperatura, pueden separarlo. A menudo, los residuos alcalinos se vitrifican para formar residuos de alto nivel , que incluirán el ¹³⁵ Cs. El cesio de fisión contiene no solo ^{135 Cs, sino también 133} Cs estable pero absorbente de neutrones (que desperdicia neutrones y forma ¹³⁴ Cs , que es radiactivo con una vida media de 2 años), así como el producto de fisión común ¹³⁷ Cs , que no absorbe neutrones pero es altamente radiactivo, lo que hace que su manipulación sea más peligrosa y complicada; por todas estas razones, la eliminación por transmutación del ¹³⁵ Cs sería más difícil.
6. El paladio-107 tiene una vida media muy larga, un rendimiento bajo (aunque el rendimiento de la fisión del plutonio es mayor que el de la fisión del uranio-235 ) y una radiación muy débil. Su contribución inicial a la radiación LLFP debería ser de tan solo una parte en 10 000 para la fisión del ^235U , o de 2000 para una mezcla de 65 % ^235U + 35 % ^239Pu . El paladio es un metal noble y extremadamente inerte.
7. El yodo-129 tiene la vida media más larga , 15,7 millones de años, y debido a su mayor vida media, menor fracción de fisión y menor energía de desintegración, produce solo alrededor del 1 % de la intensidad de radiactividad del ⁹⁹ Tc. Sin embargo, el yodo radiactivo representa un riesgo biológico desproporcionado porque la glándula tiroides concentra yodo. ^{El 129} I tiene una vida media casi mil millones de veces mayor que la de su isótopo hermano más peligroso, ^{el 131} I; por lo tanto, con una vida media más corta y una mayor energía de desintegración, ^{el 131 I es aproximadamente mil millones de veces más radiactivo que el 129} I, que tiene una vida media más larga .

En total, los otros seis LLFP, en el combustible gastado de reactores térmicos, liberan inicialmente solo un poco más del 10% de la energía por unidad de tiempo que el Tc-99 para la fisión del U-235, o el 25% para el 65% de U-235+35% de Pu-239. Aproximadamente 1000 años después del uso del combustible, la radiactividad de los productos de fisión de vida media Cs-137 y Sr-90 cae por debajo del nivel de radiactividad del Tc-99 o de los LLFP en general. (Los actínidos, si no se eliminan, emitirán más radiactividad que cualquiera de ellos en este punto). Hacia 1 millón de años, la radiactividad del Tc-99 habrá disminuido por debajo de la del Zr-93, aunque la inmovilidad de este último significa que probablemente siga siendo un peligro menor. Hacia 3 millones de años, la energía de desintegración del Zr-93 habrá disminuido por debajo de la del I-129.

La transmutación nuclear se está considerando como método de eliminación, principalmente para el Tc-99 y el I-129, ya que ambos representan los mayores riesgos biológicos y tienen las mayores secciones transversales de captura de neutrones , aunque la transmutación sigue siendo lenta en comparación con la fisión de actínidos en un reactor. También se ha considerado la transmutación para el Cs-135, pero casi con certeza no vale la pena para los demás LLFP. Dado que el cesio-133 estable también se produce en la fisión nuclear y tanto este como su producto de activación neutrónica ¹³⁴Los Cs son venenos de neutrones , transmutación de ¹³⁵El Cs podría requerir separación de isótopos . ⁹⁹El Tc es particularmente atractivo para la transmutación no solo debido a las propiedades indeseables del producto a destruir y la sección transversal de absorción de neutrones relativamente alta, sino también porque ¹⁰⁰El Tc se desintegra rápidamente en fase beta hasta alcanzar un valor estable ^{de 100.}Ru . El rutenio no tiene isótopos radiactivos con vidas medias mucho más largas que un año y el precio del rutenio es relativamente alto, lo que hace que la destrucción del ⁹⁹El Tc se ha convertido en una fuente potencialmente lucrativa para producir un metal precioso a partir de una materia prima indeseable.