El cesio ( 55 Cs) tiene 41 isótopos conocidos , cuyas masas atómicas varían de 112 a 152. Sólo un isótopo, el 133 Cs, es estable. Los radioisótopos de vida más larga son el 135 Cs, con una vida media de 1,33 millones de años.137
Cs
con una vida media de 30,1671 años y 134 Cs con una vida media de 2,0652 años. Todos los demás isótopos tienen vidas medias inferiores a dos semanas, la mayoría de menos de una hora.
A partir de 1945, con el inicio de las pruebas nucleares , se liberaron radioisótopos de cesio a la atmósfera , donde el cesio se absorbe fácilmente en solución y regresa a la superficie de la Tierra como un componente de la lluvia radiactiva . Una vez que el cesio ingresa al agua subterránea, se deposita en las superficies del suelo y se elimina del paisaje principalmente por transporte de partículas. Como resultado, la función de entrada de estos isótopos se puede estimar como una función del tiempo.
El cesio-131, introducido en 2004 para braquiterapia por Isoray , [5] tiene una vida media de 9,7 días y una energía de 30,4 keV.
El cesio-133 es el único isótopo estable del cesio. La unidad básica del tiempo del SI, el segundo , se define mediante una transición específica del cesio-133 . Desde 1967, la definición oficial de un segundo es:
El segundo, símbolo s, se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia del cesio, Δ ν Cs , la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133, [6] como9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz , que es igual a s −1 .
El cesio-134 tiene una vida media de 2,0652 años. Se produce tanto directamente (con un rendimiento muy pequeño porque el 134 Xe es estable) como producto de fisión como por captura de neutrones a partir del 133 Cs no radiactivo ( sección eficaz de captura de neutrones de 29 barns ), que es un producto de fisión común. El cesio-134 no se produce por desintegración beta de otros nucleidos de productos de fisión de masa 134, ya que la desintegración beta se detiene en el 134 Xe estable. Tampoco se produce mediante armas nucleares porque el 133 Cs se crea por desintegración beta de los productos de fisión originales solo mucho después de que haya terminado la explosión nuclear.
El rendimiento combinado de 133 Cs y 134 Cs es de 6,7896 %. La proporción entre ambos cambiará con la irradiación neutrónica continua. El 134 Cs también captura neutrones con una sección transversal de 140 barns, convirtiéndose en 135 Cs radiactivo de larga duración .
El cesio-134 sufre desintegración beta (β − ), produciendo 134 Ba directamente y emitiendo en promedio 2,23 fotones de rayos gamma (energía media 0,698 MeV ). [7]
El cesio-135 es un isótopo de cesio ligeramente radiactivo con una vida media de 1,33 millones de años. Se desintegra mediante la emisión de una partícula beta de baja energía en el isótopo estable bario-135. El cesio-135 es uno de los siete productos de fisión de vida larga y el único alcalino. En la mayoría de los tipos de reprocesamiento nuclear , permanece con los productos de fisión de vida media (incluidos137
Cs que sólo se pueden separar de135
Cs mediante separación de isótopos ) en lugar de con otros productos de fisión de larga duración. Excepto en el reactor de sal fundida , donde135
El Cs se crea como una corriente completamente separada fuera del combustible (después de la descomposición del Cs separado por burbujas).135
La baja energía de desintegración , la falta de radiación gamma y la larga vida media del 135 Cs hacen que este isótopo sea mucho menos peligroso que el 137 Cs o el 134 Cs.
Su precursor, el 135 Xe, tiene un alto rendimiento de productos de fisión (p. ej., 6,3333 % para 235 U y neutrones térmicos ), pero también tiene la sección eficaz de captura de neutrones térmicos más alta conocida de cualquier nucleido. Debido a esto, gran parte del 135 Xe producido en los reactores térmicos actuales (hasta >90 % a plena potencia en estado estacionario) [8] se convertirá en un nucleido de vida extremadamente larga (vida media del orden de 10 21 años).136
Xe antes de que pueda descomponerse.135
Cs a pesar de la vida media relativamente corta de135
Xe . Poco o nada135
El Xe se destruirá por captura de neutrones después de apagar un reactor, o en un reactor de sal fundida que elimina continuamente xenón de su combustible, un reactor de neutrones rápidos o un arma nuclear. La fosa de xenón es un fenómeno de absorción excesiva de neutrones a través de135
La acumulación de Xe en el reactor después de una reducción de potencia o un apagado se suele controlar dejando que el reactor...135
El Xe se desintegra hasta un nivel en el que el flujo de neutrones se puede controlar de forma segura nuevamente mediante barras de control .
Un reactor nuclear también producirá cantidades mucho más pequeñas de 135 Cs a partir del producto de fisión no radiactivo 133 Cs mediante captura sucesiva de neutrones a 134 Cs y luego a 135 Cs.
La sección eficaz de captura de neutrones térmicos y la integral de resonancia del 135Cs son 8,3 ± 0,3 y 38,1 ± 2,6 barns respectivamente. [9] La eliminación del 135Cs por transmutación nuclear es difícil, debido a la baja sección eficaz, así como a que la irradiación de neutrones del cesio de fisión de isótopos mixtos produce más 135Cs a partir del 133Cs estable . Además, la intensa radiactividad a medio plazo del 137Cs dificulta el manejo de los residuos nucleares. [10]
El cesio-136 tiene una vida media de 13,16 días. Se produce tanto directamente (con un rendimiento muy pequeño porque el 136 Xe es beta-estable ) como producto de fisión y a través de la captura de neutrones del 135 Cs de larga vida (sección eficaz de captura de neutrones de 8,702 barns), que es un producto de fisión común. El cesio-136 no se produce a través de la desintegración beta de otros nucleidos de productos de fisión de masa 136, ya que la desintegración beta se detiene en el 136 Xe casi estable. Tampoco se produce mediante armas nucleares porque el 135 Cs se crea por desintegración beta de los productos de fisión originales solo mucho después de que finalice la explosión nuclear. El 136 Cs también captura neutrones con una sección eficaz de 13,00 barns, convirtiéndose en 137 Cs radiactivo de vida media . El cesio-136 sufre desintegración beta (β−), produciendo 136 Ba directamente.
El cesio-137, con una vida media de 30,17 años, es uno de los dos principales productos de fisión de vida media , junto con el 90 Sr , que son responsables de la mayor parte de la radiactividad del combustible nuclear gastado después de varios años de enfriamiento, hasta varios cientos de años después de su uso. Constituye la mayor parte de la radiactividad que aún queda del accidente de Chernóbil y es un importante problema de salud para la descontaminación de tierras cerca de la planta de energía nuclear de Fukushima . [11] El 137 Cs se desintegra beta en bario-137m (un isómero nuclear de vida corta ) y luego en bario-137 no radiactivo . El cesio-137 no emite radiación gamma directamente, toda la radiación observada se debe al isótopo hijo bario-137m.
El 137 Cs tiene una tasa muy baja de captura de neutrones y aún no se puede eliminar de manera factible de esta manera a menos que los avances en la colimación de haces de neutrones (que de otro modo no se puede lograr mediante campos magnéticos), disponibles únicamente dentro de experimentos de fusión catalizada por muones (no en las otras formas de transmutación de desechos nucleares con aceleradores ), permitan la producción de neutrones con una intensidad lo suficientemente alta como para compensar y superar estas bajas tasas de captura; hasta entonces, por lo tanto, simplemente se debe permitir que el 137 Cs se descomponga.
El 137 Cs se ha utilizado como trazador en estudios hidrológicos, de forma análoga al uso del 3 H.
Los demás isótopos tienen vidas medias que van desde unos pocos días hasta fracciones de segundo. Casi todo el cesio producido a partir de la fisión nuclear proviene de la desintegración beta de productos de fisión originalmente más ricos en neutrones, pasando primero por los isótopos de yodo y luego por los isótopos de xenón . Debido a que estos elementos son volátiles y pueden difundirse a través del combustible nuclear o del aire, el cesio a menudo se crea lejos del sitio original de la fisión.