Determinación de composición isotópica de uranio irradiado mediante evaluación por espectrometría gamma de Eu-154 y Eu-155

Abstract

La determinación de la composición isotópica o “enriquecimiento” de uranio es un aspecto de gran importancia en la industria nuclear, tanto desde el punto de vista del reprocesamiento de materiales como del control de los residuos radiactivos o de las salvaguardias nucleares, entre otras aplicaciones. Usualmente, dicha determinación requiere de métodos costosos (principalmente debido al equipamiento requerido), complicados o laboriosos, por lo general basados en técnicas destructivas o que requieren un cuidado especial en la preparación de muestras, como la espectrometría de masas o la separación por HPLC. Una posible alternativa al uso de dichos métodos es la aplicación de la espectrometría gamma, más accesible desde el punto de vista del equipamiento y, a la vez, más sencilla dado que es una técnica no destructiva de análisis que puede aplicarse incluso directamente sin necesidad de modificación alguna de la muestra a medir. Es común, especialmente en el ámbito de las salvaguardias nucleares, la medición de isotopía de uranio en muestras de diferente enriquecimiento mediante técnicas de espectrometría gamma que utilizan la relación de conteo de fotopicos de diferentes isótopos del uranio, generalmente de los isótopos 235 y 238. Esta técnica es útil para muestras de uranio no irradiado, pero se vuelve algo complicada en casos de uranio ya irradiado debido a que los picos del isótopo 238 son ya difíciles de apreciar en el propio uranio no irradiado, dónde no existe el elevado fondo provocado por los productos de fisión y las interacciones de la radiación con la materia. La opción que en el presente trabajo se desarrolla y sugiere como alternativa a las técnicas previamente mencionadas es el estudio de monitores de quemado mediante espectrometría gamma para la determinación de la isotopía, con la única condición del conocimiento previo de la isotopía inicial del material, es decir, previa al proceso de irradiación, y del tiempo de enfriamiento. La forma más común de medir el grado de quemado por espectrometría gamma (y con ello poder conocer la isotopía final) es relacionando los isótopos del cesio 134 y 137. La medición de los isótopos de cesio permite determinar, conociendo el rendimiento de la reacción de fisión y el enriquecimiento original, cual es el enriquecimiento del uranio irradiado medido. No obstante, esta técnica presenta inconvenientes para aplicarse en materiales que han sido sometidos a una separación química, previa disolución, de molibdeno-99 (Mo-99) y han sufrido un enfriamiento de décadas. Esto sucede debido a que la química del cesio hace que éste se pierda, en su mayoría, en el proceso usual para separar al Mo-99 de la matriz de uranio, mediante disolución alcalina. La relación de isótopos Cs-134 y Cs-137, se estima, se mantendrá, pero el isótopo 134 tiene un período de semidesintegración demasiado corto (aproximadamente dos años), lo que sumados el largo enfriamiento y la pérdida en el proceso de separación llevará a que el mismo no sea detectado en la espectrometría.