¿Como se fabrica el cesio 137?

Cómo se fabrica el cesio-137: del reactor nuclear a la fuente sellada

El cesio-137, también llamado radiocesio, es un isótopo radiactivo que prácticamente no existe de forma natural en la Tierra. Su abundancia es casi nula, y se trata de un radionúclido casi exclusivamente artificial. Esto significa que hablar de su "fabricación" es, en realidad, hablar de un proceso de separación y recuperación a partir del combustible nuclear gastado. No se sintetiza en un laboratorio como un compuesto químico cualquiera; aparece ya creado dentro de las varillas de combustible mientras el reactor está operando, y lo que se fabrica industrialmente es la fuente radiactiva a partir de ese isótopo separado.

El mecanismo físico de creación es la fisión nuclear. Cuando un neutrón térmico es capturado por un núcleo de uranio-235 o plutonio-239 en el corazón de un reactor, el núcleo se parte en dos fragmentos de fisión, y uno de esos fragmentos es, con alta probabilidad, un isótopo de cesio de masa 137. En términos de rendimiento, el ¹³⁷Cs aparece con un rendimiento próximo al 6,3 % por cada 65 fisiciones térmicas del ²³⁵U y 35 del ²³⁹Pu. Esto lo sitúa entre los productos de fisión de vida corta-media más abundantes y problemáticos del ciclo del combustible.

La cadena de precursores es bastante directa: el xenón-137 (¹³⁷Xe) actúa como padre directo del cesio-137 mediante desintegración beta. Por eso el ¹³⁷Cs se acumula progresivamente en las varillas de combustible a lo largo de toda la vida del elemento, junto con el resto de productos de fisión. También se generan trazas mínimas por fisión espontánea del uranio-238, una aportación completamente despreciable frente a la producción artificial en reactores y detonaciones nucleares.

Desde el punto de vista nuclear, el ¹³⁷Cs tiene una masa isotópica de 136,907 Da, 55 protones y 82 neutrones, con un espín 7/2+, y un periodo de semidesintegración de unos 30,04-30,23 años. Su desintegración emite partículas beta con una energía de 0,5120 MeV. Aproximadamente el 94,6 % de las desintegraciones no van al estado fundamental, sino a un isómero nuclear metaestable del bario, el bario-137m (¹³⁷mBa), con una vida media de unos 153 segundos. Al pasar ese isómero al estado fundamental emite un fotón característico de 0,6617 MeV, responsable de todas las emisiones gamma. Un gramo de ¹³⁷Cs puro tiene una actividad de 3,215 terabecquerelios.

El isótopo fue descubierto por Glenn T. Seaborg y Margaret Melhase, físicos del entorno del proyecto Manhattan y la radiactividad artificial de mediados del siglo XX.

La vía industrial de obtención parte, por tanto, del combustible nuclear gastado. En las instalaciones de reprocesamiento, la técnica hidrometalúrgica más extendida es el proceso PUREX. El combustible gastado se disuelve en ácido nítrico, y el plutonio y el uranio se extraen con un disolvente de fosfato de tributilo disuelto en queroseno, para después purificarse, precipitarse y fabricar combustible nuevo. La mayoría de las instalaciones que procesan químicamente el combustible nuclear gastado dejan el cesio en el flujo de desechos, de donde se recupera como materia prima de los radionúclidos de cesio.

Para separar el cesio radiactivo de las soluciones ácidas de desecho se emplean materiales intercambiadores de iones altamente selectivos. Entre ellos destaca el silicotitanato cristalino (CST), evaluado por organismos como la Comisión Nacional de Energía Atómica argentina para la separación de ¹³⁷Cs en soluciones acuosas, por su eficacia tanto en medios ácidos como neutros. Este tipo de separación selectiva es la base de los procesos de producción de radioisótopos a partir de residuos del ciclo del combustible, y forma parte de las estrategias de separación y transmutación de productos de fisión que se desarrollan para cerrar el ciclo del combustible.

La estrategia de separación y transmutación busca aislar los actínidos menores y ciertos productos de fisión presentes en la solución resultante del PUREX, para quemarlos después en reactores avanzados en lugar de enviarlos a disposición final como desecho. El cesio-137 es precisamente uno de los productos de fisión de periodo medio que se recuperan de ese refinado, lo que explica que sea un isótopo disponible a gran escala y barato frente a otros radionúclidos que deben fabricarse por activación neutrónica específica en reactores de alto flujo, como el cobalto-60 o el iridio-192.

La relación entre el rendimiento de fisión y la disponibilidad industrial es clave. Al ser un producto de fisión tan abundante, cada tonelada de combustible gastado procesada genera una cantidad significativa de ¹³⁷Cs, lo que lo convierte en un subproducto constante y predecible del ciclo nuclear comercial.