Appendice A - Prodotti di fissione a lunghissima vita media 202
Appendice A – Prodotti di fissione a lunghissima vita media
Nella presente Appendice si descrivono le principali proprietà dei prodotti di fissione a più lunga vita media: sebbene infatti siano gli attinidi i “protagonisti” di questa tesi, è doveroso riportare qualche nota su quegli elementi che, alla fine dei conti, sono le vere scorie nucleari. In particolare ci si incentrerà su quei pochi radionuclidi prodotti dalla fissione aventi tempi di dimezzamento paragonabili agli attinidi e che pertanto, almeno in linea di principio, sono potenziali fonti di rischio a lunghissimo termine.
I più importanti prodotti di fissione a lunghissima vita media, cioè superiore a 500 anni, sono i
seguenti: Se79, Zr93, Tc99, Sn126, I129, Cs135. Dal punto di vista della rilevanza radiologica i più
pericolosi sono, nell’ordine: I129, Tc99, Cs135, Zr93, Sn126. In realtà esiste anche qualche altro
prodotto di fissione con tempo di dimezzamento superiore al migliaio di anni (per esempio il Pd107)
ma di rilevanza talmente modesta che se ne omette la trattazione1.
Iodio e cesio sono elementi estremamente mobili nell’ambiente, entrano facilmente nelle catene alimentari e si possono accumulare negli organismi. In particolare, basti pensare che il cesio
appartiene alla classe dei metalli alcalini e pertanto è chimicamente affine al sodio ed al potassio
con in più il fatto di essere molto più reattivo di questi ultimi.
Lo stagno ed il selenio sono altri due elementi piuttosto significativi in quanto seguono la chimica rispettivamente dei gruppi IVA e VIA e sono comunemente presenti in natura con i loro isotopi stabili.
E’ interessante valutarne le proprietà; in particolare per gli isotopi principali vengono riportati: in Appendice G lo yield di fissione dai vari nuclei fissionabili e/o fissili di interesse[2.16]; in Appendice F le sezioni d’urto totale e di assorbimento [2.16]; qui di seguito, lo schema di formazione e decadimento nonché qualche proprietà da tener presente ai fini della sicurezza[1.2] [2.2][2.3] [2.10]. Se79 t1/2=60000 anni; schema di decadimento: As79 (9 m)→Se79m (3,89 m) ↓ Se79 (6000000a)→Br79 (stabile) Zr93 t1/2=1100000 anni; schema di decadimento: Kr93 (2 s)→Rb93 (5,6 s)→Sr93 (7,9 m) →Y93 (10,3 h) →Zr93 (1100000) →Nb93m (12 a)→Nb93 (stabile)
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Tc99
Il Tc è un elemento artificiale, in quanto non ne esiste alcun isotopo sufficientemente stabile
a non essere decaduto fino ad oggi. In presenza di ossigeno forma lo ione pertecnato TcO4-,
ana
n
129
rimo fra questi nuclidi ad entrare nella biosfera a causa della sua elevata mobilità. Rispetto
’isotopo I131, che ha tempo di dimezzamento piuttosto breve (circa8 giorni), lo I129 è molto meno
per t1/2=213000 anni; schema di decadimento: 0,87 Zr99 (33 s)→Nb99 (2,4 m)→Mo99 (66,5 h) →Tc99m (6h) ↓ 0,13 ↓ Tc99 (210000 a)→Ru99 (stabile) 0000 anni; schema di decadimento: 0,01 Sn126 (2000000 a)→Sb126m (19 m)→ Te126 (stabile) ↓0,99 Sb126 (12,5 d) ↑ =17000000 anni ; ma di decadimento: Te129m (37 d) 0,36↑ Sb129 (4,6 h) ↓ 0,64 ↓ Te129 (72 m) →I129 (17000000)→Xe129 (stabile) 99 d
logo al permanganato, altamente mobile. Nei mezzi riducenti può diventare importante lo ione tetravalente, molto meno mobile del precedente. Come lo iodio, il tecnezio viene assorbito dalla tiroide e pertanto è contaminante.
126 S t1/2=20 I t1/2 sche
La rilevanza dello iodio risiede nella sua volatilità; inoltre esso si immette facilmente nelle catene alimentari e si accumula nella tiroide, che ne ha bisogno per produrre l’ormone tiroideo; è il p
all
icoloso ma resta una fonte di esposizione a lunghissimo termine. Il suo confinamento è un problema notevole per gli impianti di riprocessamento del combustibile: infatti è volatile ed i suoi sali sono corrosivi. Per quanto detto in precedenza lo scarico in atmosfera è strettamente contenuto; alternativa possibile è lo scarico in mare, da dove non inferisce sulla catena alimentare (soluzione adottata dagli impianti di riprocessamento inglesi) e dove la diluizione con l’isotopo naturale e
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Cs135
econda dei casi. Poiché viene facilmente assorbito da minerali con proprietà di scambio ionico (per sempio la maggior parte dei terreni ed in particolare quelli argillosi, ove tende ad accumularsi), rest
necessari flussi neutronici
mo parsa sia apprezzabilmente più veloce di quello di
form
e. Quelli a tempo di dimezzamento più lun
no piccole rispetto a quelle termiche. Come già detto, i pro
A causa della sua natura di metallo alcalino il cesio viene concentrato dagli organismi viventi, soprattutto quando c’è deficienza di sodio e/o, soprattutto, di potassio, che ha un raggio ionico molto vicino. I tempi di dimezzamento biologici del cesio possono variare dai giorni ai mesi a s
e
a ad essi strettamente legato. Se ciò non avviene, il cesio entra nella catena alimentare principalmente attraverso le acque (e, quindi, anche per mezzo dei pesci) nonché la vegetazione su cui si è depositato (in particolare, i licheni sono concentratori di cesio).
E’ evidente come solo in reattori con un sufficiente surplus di neutroni sia, almeno teoricamente, possibile la trasmutazione di questi isotopi: occorrono in altre parole reattori veloci.
Tuttavia, come si nota osservandone le sezioni d’urto (cfr. Appendice F), ad eccezione dello I129 e
del Tc99 le loro sezioni di assorbimento sono piccole, per cui sarebbero
lto intensi perché il loro tasso di scom
azione. Inoltre, bisogna ricordare che non sempre una trasmutazione possibile neutronicamente
è realizzabile in pratica: un esempio molto chiaro è quello del Cs135, con sezione di cattura termica
dell’ordine della decina di barn, impossibile da separare con efficienza del 100% dall’isotopo Cs133,
che per assorbimento di due neutroni origina nuovo Cs135.
Una modalità adottata nella pratica per ridurre il rischio associato ai prodotti di fissione a lunga vita media è la diluizione isotopica, che consiste nel mescolamento degli stessi con gli isotopi stabili
degli elementi chimici cui appartengono2.
Si ricorda che circa il 90% dei prodotti di fissione non è radioattivo o ha vita breve (inferiore a 10 anni) e può quindi essere lasciato decadere naturalment
go possono essere trasmutati per cattura neutronica in nuclei non radioattivi o a vita più breve. Ovviamente con neutroni ad alta energia questo processo a parità di flusso non funziona altrettanto bene perché le sezioni d’urto di cattura so
dotti di fissione più difficili da trattare sono il Tc99 e lo I129 perché formano rapidamente
composti solubili in acqua e quindi potrebbero migrare dall’eventuale mezzo geologico di immagazzinamento. Tuttavia si osserva come questi due isotopi abbiano elevate sezioni d’urto per
neutroni termici e possano essere facilmente trasmutati rispettivamente in Ru100 e Xe130, entrambi
stabili. Il successivo più importante nuclide a lunga vita è il Cs135. Le piccole quantità di Sn126 e
Se79 possono essere trasmutate facilmente ad energie termiche. Non si ritiene necessario o
perlomeno prioritario trasmutare lo Zr93 e il Pd107 perché la loro radioattività è bassa, i loro prodotti
di decadimento hanno basse energie e come metalli nobili non sono facilmente trasportati naturalmente nell’ambiente.
Da questa breve analisi si può concludere che la trasmutazione dei prodotti di fissione a lunghissima vita media è una strada molto difficile da intraprendere sia per ragioni neutroniche sia
=2600000 anni; chema di decadimento: Xe135m (15,3 m) 0,30 ↑ Te135 (<0,5 m) →I135 (6,7 h) ↓ 0,70 ↓ Xe135 (9,2 h) →Cs135 (2600000)→Ba135 (stabile) t1/2 s
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per ragioni di separazione isotopica: pertanto l’unico metodo per ridurre il loro impatto radiologico
resta la strategia del condizionamento e confinamento . 3
iventare una necessità. In primo luogo, le sco
Prima di concludere, un ultimo commento, che ribadisce come ogni medaglia abbia il suo rovescio… Molti radionuclidi prodotti dalla fissione, e pertanto abbondanti nel combustibile
esaurito, hanno interesse per molte applicazioni pratiche4[4.15]: per il momento la loro estrazione
non è ancora economica, tuttavia nel futuro potrebbe d
rie contengono quantità relativamente elevate di Ru, Rh e Pd, metalli scarsamente presenti nella crosta terrestre: questi elementi vengono infatti come catalizzatori nell’industria chimica ed hanno elevata resistenza alla corrosione; negli Stati Uniti, per esempio, la domanda eccede la produzione di circa un fattore 100: il paese diventerebbe indipendente dall’importazione dei suddetti elementi se cominciasse ad estrarli ogni anno dal combustibile esausto scaricato dai suoi reattori. Naturalmente si potrebbe obiettare sul fatto che sono radioattivi ma la loro attività è talmente bassa da non richiedere particolari salvaguardie. Un’altra applicazione abbastanza comune è lo
sfruttamento dell’emissione β- del Kr85 che interagendo col fosforo produce luce visibile: queste
sorgenti luminose al radiokripton sono utilizzate negli aeroporti, nelle autostrade e dovunque l’illuminazione elettrica potrebbe causare esplosioni, come in miniere di carbone, impianti a gas naturale, ecc. Sono stati inoltre realizzati generatori termoelettrici (soprattutto per fari) alimentati
dallo Sr90, impianti di sterilizzazione con Co60, solo per citare qualche altro esempio.
In conclusione, si può dire che se tutte i prodotti di fissione utili venissero estratti non solo si avrebbe a disposizione, “gratuitamente”, materiale altrimenti raro e costoso ma si ridurrebbe la tossicità delle scorie da stoccare nei depositi.
3 Dall’analisi dei dati dell’Appendice G si evince anche che non è nemmeno praticamente realizzabile, almeno su larga
scala, la riduzione della produzione dei suddetti isotopi tramite aggiustamenti dello spettro e/o la scelta di un diverso combustibile
4 Per quanto riguarda l’utilizzo e il prezzo degli attinidi si veda il cap. 2 e l’Appendice B. Qui si ricorda solo che la
domanda di Am241 è superiore alla sua produzione al di fuori dei reattori nucleari civili, a causa delle svariate
