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Los reactores nucleares de potencia1 se alimentan con uranio ligeramente enriquecido en el isótopo uranio-235.2 Este isótopo es capaz de mantener una reacción nuclear en cadena controlada que es necesaria para la producción de energía eléctrica. La reacción en cadena da lugar a la producción de neutrones que inducen la radiactividad en el combustible, el agua de refrigeración y los componentes estructurales del reactor.

La radiactividad se induce principalmente a través de procesos que implican la captura de neutrones por parte de los átomos de uranio del combustible. La fisión se produce cuando el núcleo de un átomo de uranio 235 (y menos comúnmente un átomo de uranio 238) captura un neutrón, se vuelve inestable y se divide en dos y (raramente) tres núcleos ligeros; estos núcleos se denominan productos de fisión. Los productos de fisión más comunes tienen números de masa en torno a 90 y 137 (por ejemplo, estroncio-90 y cesio-137).

Los productos de fisión producidos en un reactor de energía nuclear abarcan la periodicidad. Incluyen:

• Gases nobles, por ejemplo, criptón-85 y xenón-133.
• Halógenos, por ejemplo, yoduro-131.

FIGURA D.1Distribuciones de masa resultantes de la fisión del uranio-235 por neutrones térmicos.

FUENTE: Datos del Joint Evaluated Fission and Fusion File, Incident-neutron data, http://www-nds.iaea.org/exfor/endf00.htm, 2 de octubre de 2006; véase http://www-nds.iaea.org/sgnucdat/c1.htm.

• Metales alcalinos, por ejemplo, cesio-137.
• Metales alcalinotérreos, por ejemplo, estroncio-90.
• Menos comúnmente, el hidrógeno-3, más conocido como astritio (T), procedente de la fisión ternaria de átomos de uranio.

La captura de neutrones también puede inducir radiactividad a través de la transmutación de un elemento químico en otro. El proceso de transmutación da lugar a la emisión de partículas nucleares (por ejemplo, protones) y a la radiación del núcleo. Algunas reacciones de transmutación y productos de importancia en los reactores de potencia son las siguientes:

• Producción de nitrógeno-16 mediante la captura de un neutrón por el núcleo de un átomo de oxígeno: oxígeno-16 + neutrón-> nitrógeno-16 + protón (abreviado como16O(n, p)16N). El nitrógeno-16 tiene una vida media corta (7 segundos) y es principalmente un peligro para los trabajadores de las plantas nucleares.
• Producción de carbono-14 mediante la captura de neutrones por el núcleo de átomos de nitrógeno, oxígeno o carbono: 14N(n,p)14C; 13C(n, y)14C;17O(n, a)14C.
• Producción de tritio (T) mediante la captura de un neutrón por el núcleo de un átomo de boro: 10B(n,2a)T. Esta es una reacción importante en los reactores de agua presurizada, que utilizan boro en el agua de refrigeración para controlar la reactividad.
• Producción de tritio mediante la captura de un neutrón por un átomo de deuterio que está presente de forma natural en el agua de refrigeración de un reactor.

La captura de neutrones también puede inducir la radiactividad mediante la activación. La captura de un neutrón excita el núcleo, que decae rápidamente a un estado menos energético mediante la emisión de radiación. Algunas reacciones de activación y productos de importancia en los reactores de potencia son las siguientes:

• Producción de cobalto-60 a partir de cobalto-59 mediante la reacción59Co(n, y)60Co.
• Producción de hierro-55 a partir de hierro-54 mediante la reacción54Fe(n, y)55Fe.

El cobalto-60 y el hierro-55 son productos de activación comunes en los componentes estructurales de los reactores.

Los isótopos producidos por estos procesos de captura de neutrones son casi siempre radiactivos. Su desintegración implica la emisión de radiación alfa, beta y gamma, para producir productos de desintegración tanto radiactivos como no radiactivos. Una reacción de desintegración de particular importancia en los reactores de energía nuclear es la siguiente:

Esta reacción produce plutonio-239 mediante la captura de neutrones de uranio-238 seguida de dos desintegraciones beta.

Las partículas y otras radiaciones emitidas durante la captura de neutrones pueden interactuar con los átomos del combustible, el refrigerante y las estructuras del reactor para producir radiactividad adicional. Por ejemplo, la interacción de los electrones energéticos con los materiales del reactor da lugar a la emisión de fotones conocidos como bremsstrahlung. Esta radiación aparece como un débil resplandor azul cuando los electrones interactúan con el agua de refrigeración del reactor y las piscinas de combustible gastado.