El cesio ( 55 Cs) tiene 41 isótopos conocidos , las masas atómicas de estos isótopos varían de 112 a 152. Sólo un isótopo, el 133 Cs, es estable. Los radioisótopos más longevos 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 de menos de dos semanas, la mayoría de menos de una hora.
A partir de 1945, con el inicio de los ensayos 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 componente de la lluvia radioactiva . Una vez que el cesio ingresa al agua subterránea, se deposita en la superficie del suelo y se elimina del paisaje principalmente mediante transporte de partículas. Como resultado, la función de entrada de estos isótopos se puede estimar en 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 de tiempo del SI, el segundo , está definida por una transición específica de cesio-133 . Desde 1967, la definición oficial de segundo es:
El segundo, símbolo s, se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia de 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 directamente (con un rendimiento muy pequeño porque el 134 Xe es estable) como producto de fisión y mediante captura de neutrones a partir de 133 Cs no radiactivo ( sección transversal de captura de neutrones de 29 graneros ), que es un producto de fisión común. El cesio-134 no se produce mediante la desintegración beta de otros nucleidos de productos de fisión de masa 134, ya que la desintegración beta se detiene en 134 Xe estable. Tampoco se produce mediante armas nucleares porque el 133 Cs se crea mediante la desintegración beta de los productos de fisión originales mucho después de que termina la explosión nuclear.
El rendimiento combinado de 133 Cs y 134 Cs se da como 6,7896%. La proporción entre los dos cambiará con la irradiación continua de neutrones. El 134 Cs también captura neutrones con una sección transversal de 140 graneros, 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 2,3 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 larga duración y el único alcalino. En la mayoría de los tipos de reprocesamiento nuclear , se queda con los productos de fisión de vida media (incluidos137
Cs , que sólo puede separarse del Cs-135 mediante separación de isótopos ) en lugar de con otros productos de fisión de larga duración. Excepto en el reactor de sales fundidas , donde el Cs-135 se crea como una corriente completamente separada fuera del combustible (después de la desintegración del Xe-135 separado por burbujas). 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 135 Xe tiene un alto rendimiento de producto de fisión (por ejemplo, 6,3333% para 235 U y neutrones térmicos ), pero también tiene la sección transversal de captura de neutrones térmicos más alta conocida de todos los nucleidos. Debido a esto, gran parte del 135 Xe producido en los reactores térmicos actuales (hasta >90% en estado estacionario a plena potencia) [8] se convertirá en un 135 Xe de vida extremadamente larga (vida media del orden de 10 a 21 años) . )136
Xe antes de que pueda descomponerse135
Cs a pesar de la vida media relativamente corta de135
Xe . Pequeño o no135
Xe será destruido mediante captura de neutrones después de la parada de un reactor, o en un reactor de sales fundidas que elimina continuamente xenón de su combustible, un reactor de neutrones rápidos o un arma nuclear. El pozo de xenón es un fenómeno de exceso de absorción de neutrones a través de135
Acumulación de Xe en el reactor después de una reducción de potencia o una parada y, a menudo, se gestiona dejando que el135
Xe se desintegra hasta un nivel en el que el flujo de neutrones se puede volver a controlar de forma segura 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 hasta 134 Cs y luego 135 Cs.
La sección transversal de captura de neutrones térmicos y la integral de resonancia de 135 Cs son 8,3 ± 0,3 y 38,1 ± 2,6 graneros respectivamente. [9] La eliminación de 135 Cs mediante transmutación nuclear es difícil, debido a la baja sección transversal y también porque la irradiación de neutrones del cesio por fisión de isótopos mixtos produce más 135 Cs a partir de 133 Cs estable . Además, la intensa radiactividad a medio plazo del 137 Cs dificulta la manipulación de los residuos nucleares. [10]
El cesio-136 tiene una vida media de 13,16 días. Se produce directamente (con un rendimiento muy pequeño porque el 136 Xe es beta estable ) como producto de fisión y mediante captura de neutrones a partir de 135 Cs de larga vida (sección transversal de captura de neutrones de 8,702 graneros), que es un producto de fisión común. El cesio-136 no se produce mediante 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 mediante la desintegración beta de los productos de fisión originales mucho después de que termina la explosión nuclear.El 136 Cs también captura neutrones con una sección transversal de 13,00 graneros, 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 , responsables de la mayor parte de la radiactividad del combustible nuclear gastado tras 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 Chernobyl y constituye un importante problema de salud para descontaminar el terreno cercano a la central nuclear de Fukushima . [11] El 137 Cs beta se desintegra 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 todavía no se puede eliminar de esta manera a menos que se avance en la colimación de haces de neutrones (que de otro modo no se puede lograr mediante campos magnéticos), únicamente disponible dentro de experimentos de fusión catalizada por muones (no en las otras formas). de Acelerador de Transmutación de Residuos Nucleares ) permite la producción de neutrones a una intensidad suficientemente alta para compensar y superar estas bajas tasas de captura; Hasta entonces, por lo tanto, simplemente se debe permitir que el 137 C se descomponga.
El 137 Cs se ha utilizado como trazador en estudios hidrológicos, de forma análoga al uso del 3 H.
Los otros 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 a través de isótopos de yodo y luego de 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 fisión.