RADIOQUÍMICA EN CC.NN(I)

Una de las características singulares de la energía nuclear es la generación de gran cantidad de especies radiactivas. En una central nuclear la generación de energía por reacciones de fisión conduce inevitablemente a la aparición de gran cantidad de átomos inestables que decaen emitiendo radiactividad hasta formar átomos estables. Como consecuencia de las reacciones nucleares, un reactor comercial contiene un enorme inventario de radionucleidos de muy diversos elementos químicos, desde los más ligeros, pasando por los productos de fisión y activación, de masa intermedia, hasta los elementos transuránidos, más pesados. El control de este inventario es uno de los principales objetivos de la operación segura de una central nuclear y para ello, debe conocerse el comportamiento de todas estas especies en cualquiera de las condiciones operativas de la planta.

La radioquímica es la rama de la química que estudia los efectos químicos de las radiaciones ionizantes, las interacciones químicas de los isótopos radiactivos y las técnicas aplicadas para su separación y su medida, y tiene muchos aspectos comunes con la química inorgánica, química-física, analítica y la física nuclear. En una central nuclear, la radioquímica cubre el comportamiento de los radionucleidos, con especial énfasis en las reacciones químicas o aspectos físico-químicos que se manifiestan en las distintas partes de los sistemas de la central.

Vamos a conocer los distintos tipos de isótopos que se generan en una central nuclear de agua ligera, sus características generales, la importancia de algunos de ellos en los distintos aspectos de la central, como el diseño, la protección radiológica al personal de la central y al público, o el medio ambiente y también algunas de las aplicaciones que el buen conocimiento de su origen y comportamiento pueden aportar para monitorizar o diagnosticar la situación de diversos procesos.

PRINCIPALES ISÓTOPOS GENERADOS EN CC.NN. DE AGUA LIGERA 

El número de isótopos radioactivos que se generan en un reactor de agua ligera comercial supera ampliamente los cien. Cada radionucleido decae mediante la emisión de partículas desde el núcleo o fotones. En algunos casos se produce el cambio atómico mediante la captura de un electrón de la corteza atómica por el núcleo.

El decaimiento radiactivo es un proceso aleatorio que depende sólo del número de átomos radiactivos presentes, es decir, es una reacción de primer orden.

Productos de fisión. 

Los productos de fisión son los fragmentos atómicos resultantes de la reacción de ruptura del núcleo fisionado. Proceden principalmente de la fisión del U-235, del combustible nuclear, y del Pu-239, que se forma por activación neutrónica del U-238, átomo mayoritario en éste, y cuyas fisiones pueden ser una importante fracción de las totales al final de la vida del combustible. Otros átomos pesados presentes en el combustible irradiado pueden también sufrir fisión por el flujo neutrónico rápido o térmico del reactor, pero siempre son minoritarias.

Los fragmentos de fisión térmica rara vez son de igual o muy similar masa; más bien tienden a tener 1/3 y 2/3 de la masa del núcleo fisionado.

De entre los principales productos de fisión cabe destacar entre otros los siguientes: 

• Gases Nobles: Hay una amplia familia de isótopos de Kr y Xe de masas situadas en los máximos de las curvas de rendimiento de fisión. Se conocen 22 productos de fisión, isótopos de los gases nobles. Dada su inercia química y su estado gaseoso, son unos excelentes indicadores de la integridad de los elementos combustibles del núcleo. Constituyen una parte importante de los efluentes gaseosos de una central y por ello, los sistemas de tratamiento de residuos gaseosos se diseñan para retenerlos de la forma más eficaz posible. 
• Iodos: Hay cinco isótopos de yodo, de masas 131 a 135 muy importantes para evaluar la integridad del combustible del núcleo; además, el I-129 tiene un período muy elevado y debe considerarse a efectos de residuos sólidos. La existencia de diversas valencias estables del elemento y la volatilidad de muchas de ellas, así como su elevada capacidad de bioacumulación, hacen que los radioyodos y especialmente el I-131, t½= 8,04 días, sea el isótopo responsable de una buena parte del impacto radiológico de una planta, tanto al público como al medio ambiente, y por ello, en las especificaciones técnicas de funcionamiento, se limita su actividad específica en el refrigerante del reactor. 
• Cesio: Son indicadores del estado de combustible. Algunos pueden aportar información sobre el quemado del combustible. Dado el elevado período del isótopo Cs-137 (30,2 años), tiene importancia en todos los aspectos relativos a los residuos de media y baja actividad, siendo uno de los principales isótopos de referencia. También su, dado su carácter catiónico, tiene importancia en la gestión de la actividad del primario PWR cuando hay fallos de combustible. 
• Estroncio, Bario: Son indicadores de la integridad del combustible del núcleo y tienen importancia en los efluentes de la central como consecuencia de su radiotoxicidad especialmente los de período más elevado (Sr-90).
  
  
                      El comportamiento de estos isótopos depende de las características químicas del elemento al que pertenece cada isótopo. Es importante la determinación periódica y el seguimiento de estos isótopos, no sólo por sus aspectos radiológicos sino también por que proporcionan mucha información sobre el estado del combustible en el núcleo.

Esta entrada forma parte de una serie de minientradas sobre los elementos químicos que intervienen en una Central Nuclear en homenaje al año del Sistema Periódico 2019 #aitp2019