Reactores nucleares naturales

Escribí en TecOb sobre este asunto hace años, pero una reciente anotación en BLDGBLOG me ha animado para ampliar un poco lo entonces narrado. No se escandalice ningún ecologista radical por asociar mentalmente un reactor nuclear con algo natural porque, si se para a pensar un poco, comprobará que vivimos inmersos en un mar de peligrosa radiación cósmica, una parte nada desdeñable del calor interno de nuestro planeta procede del resultado de la desintegración de isótopos radiactivos y, para colmo, en la noche de los tiempos parece que existieron auténticos reactores nucleares naturales en la corteza terrestre.

imgVayamos al principio de esta apasionante historia. Corría el año 1972 cuando, en una planta de enriquecimiento de uranio francesa, los análisis realizados sobre muestras de minerales de uranio procedentes de África empezaron a ofrecer resultados muy extraños. Se repitieron las pruebas, pero el mineral seguía sin comportarse como era de esperar. Al igual que sucede con el resto de minerales de uranio que en el mundo existen, las muestras africanas contenían gran cantidad de uranio 238 y pequeñas porciones de uranio 234 y 235, siendo este último el más interesante para la industria nuclear puesto que es el que más sencillamente puede dar vida a una reacción de fisión en cadena. Ahora bien, las proporciones en que se suelen presentar estos tres isótopos del uranio suelen mantenerse constantes independientemente del lugar de donde procedan pero, en el caso de las enigmáticas muestras, la cantidad de uranio 235 presente era ligeramente inferior a la “estándar”. Sí, la diferencia con lo que realmente debiera aparecer en los análisis era muy pequeña, pero tras haberse descartado errores de medida y de procedimiento lo único que faltaba por hacer era buscar una razón para que el mineral fuera diferente a todos los demás en cuanto a la proporción en que aparecían los isótopos de uranio en su interior. Con el tiempo se descubrió que, en el lugar de donde procedían las muestras, existía un área donde el mineral mostraba signos de carencia de uranio 235. ¿Qué había consumido la cantidad de isótopo que faltaba?

Lo que mantuvo a los científicos franceses ocupados había sido predicho casi dos décadas antes por dos investigadores estadounidenses: George W. Wetherill y Mark G. Inghram. Fue en 1953 cuando sugirieron la posibilidad de que existieran lugares en la Tierra donde pudieran existir reacciones nucleares de fisión autosostenidas. Nadie hizo caso, claro está, era pura especulación y jamás se había encontrado evidencia experimental de la existencia de esa “locura”. Sí, al menos en teoría era posible, pero la investigación apenas encontró eco hasta que los franceses casi se vuelven locos intentando explicar lo imposible. Sin embargo, alguien se lo había tomado en serio. Fue Paul K. Kuroda, un químico de la Universidad de Arkansas, quien se tomó la molestia de ir un poco más allá sobre la especulación de Wetherill e Inghram. Así, Kuroda llegó a desarrollar cálculos muy precisos sobre qué condiciones serían necesarias para que el uranio natural comenzara a sufrir de forma espontánea reacciones de fisión automantenida, cuando un neutrón solitario decide romper un núclero de uranio 235 que, a su vez, emite más neutrones que, seguidamente, rompen más núcleos de uranio 235 y, ya está, tenemos una reacción en cadena de la que todos conocemos el resultado. Sin saberlo, Kuroda había dado con la solución al enigma: si no se hallaba uranio 235 en la proporción adecuada era porque en el pasado fue consumida en un proceso de fisión.

Según los estudios de Kuroda, para que se iniciara la reacción en cadena necesaria para dar forma a un reactor nuclear natural, sería necesario que el depósito de uranio tuviera el tamaño suficiente como para que los neutrones tuvieran oportunidad de romper núcleos de uranio antes de escapar hasta donde la presencia de mineral fuera escasa. Otra de las condiciones necesarias era que el mineral contara con una concentración elevada de uranio 235, puesto que éste se desintegra con mucha mayor facilidad que sus compañeros pero, y he aquí lo más importante, dado que hoy día existe en estado natural una cantidad muy pequeña de uranio 235 pues éste ha ido desintegrándose a lo largo de eones, únicamente sería posible que existiera un reactor natural de fisión en una época en que la concentración de uranio 235 en el mineral fuera mucho mayor que la actual. Hoy día, para que el mineral sea empleado en las centrales nucleares, es necesario que sea enriquecido, esto es, que la concentración que contengan de uranio 235 sea más elevada que la natural, pasándose así de menos del uno por ciento a cerca de un tres por ciento. En nuestro mundo, fue hace más de dos mil millones de años cuando se dieron las condiciones adecuadas en cuanto a concentración de uranio 235, desde entonces esta concentración ha disminuido, haciendo que ya no sea posible que se den las condiciones adecuadas para que en los yacimientos de uranio aparezcan reacciones en cadena de fisión autosostenida, lo que es un alivio. Además, como condición final, hace falta un compuesto que modere el flujo de neutrones, esto es, que disminuya su velocidad para facilitar que estos colisionen con más núcleos de uranio y, por otra parte, no debe existir en las cercanías ningún otro compuesto o elemento que fuera capaz de captar los neutrones, con lo que las reacciones de fisión se verían entorpecidas.

Muchas condiciones, todo muy hipotético e imaginativo pero, a fin de cuentas, un mero experimento mental. Eso es lo que se pensaba hasta que apareció la anomalía de Oklo, que es el lugar de Gabón donde se localizaron los minerales con “defecto” de uranio 235. Pero la naturaleza sorprende una vez más, pues precisamente en las minas de Oklo se dieron las condiciones ideales y, posiblemente, en otros lugares del planeta sucedió lo mismo. Cuando los franceses se percataron de que posiblemente se habían topado con un ejemplo real de reactor nuclear natural, se preguntaron cómo podrían demostrarlo. Así, con el paso del tiempo, diversos científicos de todo el mundo, intrigados por la fantasmal presencia que se leía en el uranio de Oklo, encontraron indicios suficientes como para verificar lo que no eran más que ideas sobre un papel. Como en una pesquisa detectivesca, paso a paso, se preguntaron si los elementos ligeros resultantes de las reacciones de fisión se hallarían presentes en las muestras de mineral. En efecto, los productos de la fisión aparecían abundantemente, por lo que ya no hubo duda: hace tanto tiempo que nuestra mente es incapaz de abarcarlo adecuadamente, en las entrañas de África existieron verdaderos hornos nucleares naturales en miniatura.

Los reactores de Oklo han sido minuciosamente estudiados y por ello se ha podido determinar que en ellos se generó gran cantidad de plutonio. Por supuesto, ya no quedan restos de ese plutonio, que hubiera sido codiciado por los fabricantes de armas nucleares, pues se ha desintegrado. Quedan ahí, sin embargo, los restos de esa desintegración, una firma inequívoca que, además, indica que los reactores de Oklo se mantuvieron activos durante milenios. No eran gigantescos monstruos nucleares, pero incluso con su modesto tamaño resulta sorprendente que pudieran mantener su actividad durante tanto tiempo y, lo que es más intrigante, ¿cómo es que no llegaron a explotar? La pregunta tiene su interés, porque mantener una reacción en cadena de forma más o menos estable, sin que cese o, por el contrario, se vuelva incontrolable, es algo bastante complicado de conseguir y, sin embargo, ahí estaban las pruebas de que la naturaleza lo había conseguido por azar.

Fue la presencia de xenón en las muestras, como producto de las desintegraciones, lo que ofreció algunas respuestas y varias preguntas nuevas. Apareció este noble elemento en cantidades sorprendentes para estar atrapado en el interior de mineral de uranio y, además, su composición isotópica no se parecía en nada a la presente en reactores nucleares de factura humana. El enigma fue aclarándose cuando se comprendió que gran parte del xenón procedía de una larga cadena de desintegraciones, como la del yodo, sucedidas a lo largo de los milenios, tiempo del que no se dispone en las centrales nucleares. Así, el xenón estable, como producto final de toda la cadena mostraba una increíble historia de reacciones autosostenidas pero ¿cómo fue eso posible? La respuesta parecía encontrarse en el compuesto moderador de neutrones, que no sería sino el agua subterránea.

Ya tenemos todo el reactor montado con las piezas adecuadas. Por un lado, mineral de uranio en cantidad suficiente y con una concentración elevada de su isótopo 235, por el otro, un agente moderador y, finalmente, la ausencia de cantidades suficientes de cualquier otro elemento o compuesto capturadores de neutrones capaces de inhibir el nacimiento de la reacción en cadena. Y en Oklo, por pura casualidad, hace tanto tiempo, se dieron cita todos los ingredientes. El uranio se fisionó, el agua frenó los neutronos surgidos de la ruptura de los átomos de uranio. A su vez, los neutrones “lentos” chocaron con más núcleos de uranio, alimentando la cadena, el agua se calentó hasta alcanzar el estado de vapor y, en tal forma, ya no pudo seguir actuando como moderador. Mientras el agua se mantenía como vapor, la reacción en cadena se detenía, con lo que al enfriarse el conjunto volvía a fluir agua líquida, que facilitaba otra vez la aparición de reacciones de fisión. Una y otra vez, como un maravilloso ciclo continuo con rápidas fases de “encendido” y “apagado”, de horas o incluso minutos, capaz de mantenerse activo durante milenios. Es, precisamente, la presencia de agua como moderador, lo que da cuenta de la distribución actual del xenón en el interior de las muestras de mineral.

Curiosamente, los reactores nucleares naturales de Oklo no son únicamente una anécdota geológica. Del estudio de los resíduos radiactivos generados durante milenios en su interior, se han extraído importantes lecciones sobre la mejor forma de mantener a buen recaudo sus equivalentes nacidos en el interior de centrales nucleares. Y, por si esto fuera poco, al tener a mano los materiales resultantes de reacciones de fisión mantenidas durante tanto tiempo, los minerales de Oklo están sirviendo para verificar ciertas hipótesis sobre la “constancia” de ciertas constantes físicas pero esa, cómo no, es otra historia… ;-)

Como fuente documental para elaborar este artículo he acudido al imponente artículo que publicó Alex P. Meshik en Scientific American, cuya lectura recomiendo vivamente: The Workings of an Ancient Nuclear Reactor.

Imagen modificada a partir de: OCRWM – Oklo: Natural Nuclear Reactors


20 Comentarios

29.10.09

Sumario RSS abducido y compartido, ea.

[...] Reactores nucleares naturaleswww.alpoma.net/tecob/?p=1447 por JanSmite hace pocos segundos [...]

29.10.09

Gracias por escribir sobre este asunto… ya había leido el artículo del SciAm, pero sólo porque estoy en el mundillo.

Aparte de la curiosidad histórico-científica, lo más importante es sin duda que los residuos nucleares generados apenas se han movido del lugar en el que se generaron. El plutonio, por ejemplo, ha migrado poco más de 3 metros en estos millones de años.

http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00285784.pdf

Si esto ocurrió en un terreno natural, sin contención de ningún tipo y lleno de grietas por las que fluía el agua, es lógico pensar que un almacén geológico con múltiples barreras podría contener los residuos de alta actividad durante todo el tiempo necesario para que su radiactividad decaiga al nivel de fondo natural.

Otra cosa es que sea buena idea hacerlo, ya que se sigue investigando la posibilidad de transmutar y reducir así aún más la vida de los residuos.

29.10.09

#200MeV: Gracias por el comentario y por la referencia sobre el documento de la FAS, es muy interesante. :-)

29.10.09

Muy interesante ;-)

29.10.09

Tremendo articulo, muy interesante, y para los científicos nucleares debe haber sido como descubrir la atlantida, porque la información que se puede sacar es tremenda.

29.10.09

Éste proceso del mantenimiento de la reacción de fisión es fantástico. Hay que ver que maravillas nos brinda el azar.

30.10.09

Enhorabuena, me has enseñado un error de ¿ortografía? que jamás había visto:
“Nadie hico caso”

30.10.09

#Miguelius: Más que de ortografía diría problema de exceso de velocidad. ;-)
Muchas gracias por el aviso, queda corregido.

30.10.09

muy interesante.

solo añadir que el uso del agua como moderador y refrigerante se usa en la mayoría de reactores nucleares. Evidentemente, el hecho de que cuando la temperatura aumenta, disminuye la densidad y por lo tanto disminuye la moderación es uno de los principios básicos de seguridad de los reactores.

[...] Original source : http://www.alpoma.net/tecob/?p=1447… [...]

30.10.09

Y no dejo de pensar en aquellos tiempos cuando se formuló la idea en papel, que la gran mayoria habrian dicho/pensado “son demasiadas variables como para que suceda de forma natural/azarosa, la unica forma es que la mano del hombre crea una central nuclear”. Ha.

30.10.09

Intento seguir su blog aunque nunca dejo comentarios… Nunca es tarde.
No soy un gran culto de los temas que tratas pero me paracen interesantisimos y aprendo mucho con ellos. Muchas gracias

30.10.09

#Triskel: Muchas gracias a ti, por leerme. :-)

30.10.09

Fuaaaaa, alta historia =).

[...] Shared Reactores nucleares naturales. [...]

02.11.09

Muy interesante, la verdad. Es un gusto leer blogs como este. Un saludo.

02.11.09

#Dragossani: ¡Gracias! :-)

03.11.09

Si estos reactores nucleares naturales fueron equilibrios, fruto de muchas casualidades, después de que la naturaleza hiciera muchas pruebas… ¿no deberíamos hallar los experimentos “fallidos” con explosiones u otros?

Por Dios, qué blog tan bien hecho.

Saludos

22.09.10

[...] http://error98.blogspot.com/2007/07/…r-natural.html http://www.alpoma.net/tecob/?p=1447 Puedo seguir trayendo lugares donde se habla de la posibilidad de esto mismo. Entonces le [...]

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blog editado por Alejandro Polanco Masa.



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