Chất thải phóng xạ thường chứa một lượng hạt nhân phóng xạ: các nguyên tố ở trạng thái không bền phân rã, phát ra bức xạ ion hóa, có thể gây nguy hiểm cho con người và môi trường. Bức xạ của những đồng vị phóng xạ dạng và mức độ khác nhau, cũng như tồn tại trong những thời gian khác nhau.

Vật lý

Tính phóng xạ của mọi chất thải phóng xạ yếu dần theo thời gian. Tất cả hạt nhân phóng xạ trong chất thải có chu kỳ bán rã—thời gian dể một nửa nguyên tử phân rã—và cuối cùng, tất cả chất thải phóng xạ phân rã thành những nguyên tố không phóng xạ (tức là, hạt nhân bền). Một số nguyên tố phóng xạ (như plutoni-239) sẽ mất hàng trăm ngàn năm để hết nguy hiểm với con người và những sinh vật khác. Những chất khác cần hàng triệu năm. Vì thế, những chất thải này phải được bảo vệ trong nhiều thế kỉ cách ly khỏi môi trường tự nhiên trong hàng ngàn năm.[2] Theo quy luật của chu kỳ bán rã phóng xạ, tốc độ phân rã tỷ lệ nghịch với thời gian phân rã. Nói cách khác, bức xạ từ đồng vị dài hạn như iot-129 sẽ ít hơn nhiều so với một đồng xạ ngắn hạn như iot-131.[3] Hai bảng bên cho thấy một số đồng vị phóng xạ phổ biến, chu kỳ bán rã, và hiệu suất phân hạch của chúng so với hiệu suất phân hạch của urani-235.

Năng lượng và dạng của bức xạ ion hóa phát ra bởi chất phóng xạ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định sự nguy hiểm của nó với con người.[4] Tính chất hóa học của nguyên tố phóng xạ quyết định tính di động của hợp chất đó cũng như khả năng lan ra môi trường và đầu độc con người.[5] Không chỉ thế, nhiều đồng vị phóng xạ không phân rã ngay thành dạng bền mà mà thành chất phóng xạ trong một chuỗi phân rã trước khi dạt được trạng thái bền.

Dược động học

Tiếp xúc với chất thải phóng xạ có thể làm hại, thậm chí là chết. Với con người, một lượng 1 sievert có 5.5% nguy cơ gây ung thư,[11] và các cơ quan quản lý cho rằng nguy cơ này tỉ lệ với liều lượng ngay cả với liều lượng thấp. Bức xạ ion hóa có thể xóa các đoạn mã trong nhiễm sắc thể.[12] Một sinh vật đang phát triển như bào thai bị chiếu xạ có thể gây nên bất thường bẩm sinh, nhưng nhiều khả năng bất thường này nằm trong giao tử. Những đột biến do chiếu xạ ở người không nhiều, cũng như ở hầu hết động vật có vú, nhờ có các cơ chế sửa chữa tế bào mà trong số đó có những cơ chế chỉ mới được phát hiện. Chúng bao gồm sửa chữa ADN, ARN thông tin và protein, cũng như tiêu thể tiêu hóa nội bào những protein hỏng, thậm chí là tế bào tự chết[13]

Tùy vào dạng phân rã và cách thức và tốc độ mà cơ thể xử lý nó, mối nguy hại do tiếp xúc với bức xạ của một hạt nhân phóng xạ sẽ thay đổi. Ví dụ, Iốt-131 có tuổi thọ ngắn và phóng xạ beta và tia gamma, nhưng vì tập trung ở tuyến giáp, nó có thể nguy hiểm hơn là Xêsi-137 do Cs-137 tan được trong nước nên được bài tiết ra ngoài bằng nước tiểu. Tương tự, các Actini phân rã alpha và radi được coi là cực độc do chúng có thời gian bán thải rất dài và bức xạ của chúng có hệ số RBE cao, gây ra tác động lớn cho các mô. Chính vì sự khác biệt ấy, cách xác định chấn thương về mặt sinh học rất khác nhau tùy vào hạt nhân phóng xạ, thời gian chiếu xạvà đôi khi là bản chất của hợp chất hóa học chứa hạt nhân phóng xạ.