En unas minas de uranio en Oklo, Gabón, hace 1.700.000.000 años, se produjeron reacciones en cadena moderadas por agua, y de forma natural se formaron pequeños reactores nucleares. Estudiando este fenómeno podemos aprender algo sobre cómo almacenar residuos nucleares a larguísimo plazo.
Antes de entrar en materia, recordemos lo que es una reacción en cadena.
Cuando un neutrón choca contra el núcleo de un átomo de uranio 235, lo convierte en un átomo de uranio 236. Este isótopo es extremadamente inestable, y casi inmediatamente se fisiona, se parte en dos, liberando varios neutrones y energía. Lo más normal es que las dos partes resultantes sean un núcleo de kriptón 91 y otro de bario 142, y que se produzcan tres neutrones, pero hay otras posibilidades que liberan dos o tres neutrones, y, de hecho, en raras ocasiones el núcleo de uranio 236 se parte en tres pedazos. También existen otras reacciones en cadena, como la del plutonio 239, que es la que se usa en las bombas de plutonio, o la del americio 231, que tiene la particularidad de poder generar explosiones atómicas tan pequeñas que se ha sugerido usarlas para impulsar naves espaciales.
Cada uno de los tres neutrones producidos durante una fisión de uranio 235 seguirá su propio camino. Si todos ellos impactasen contra otros núcleos de uranio 235, causando su fisión, se producirían 9 neutrones, que a su vez podrían fisionar 9 átomos, liberando 27 neutrones, que ... y en muy poco tiempo se liberaría una enorme cantidad de energía.
En realidad, no es probable que los tres neutrones vayan a producir tres fisiones. Si cada fisión provoca, en promedio, más de una fisión "hija", se dice que la reacción en cadena es supercrítica; el número de neutrones y fisiones aumentará muy rápidamente y se liberará una cantidad enorme de energía en una explosión atómica. Si cada fisión provoca, en promedio, exactamente una fisión hija, entonces el número de neutrones en circulación permanecerá constante; esto es una reacción crítica, y es lo que se quiere que ocurra en un reactor nuclear, para generar energía a un ritmo constante. Si cada fisión provoca, en promedio, menos de una fisión hija, el número de neutrones y de fisiones irá disminuyendo hasta que no quede ninguno, y la reacción en cadena se detendrá; esto es una reacción subcrítica, y ocurre durante el apagado de un reactor nuclear.
Hay una complicación: para que un neutrón pueda ser absorbido por un núcleo de uranio 235, tiene que tener poca energía y moverse lentamente. Pero los neutrones producidos durante la fisión tienen mucha energía y salen disparados a velocidades relativistas. Es decir, los neutrones producidos en una fisión no sirven directamente para fisionar otros átomos. Para poder mantener una reacción en cadena de uranio 235 es necesario que los neutrones generados en las fisiones sean frenados mediante choques con otros átomos. También es necesario que este frenado se produzca muy rápidamente, porque no serviría de nada que los neutrones fuesen frenados cuando ya estuviesen lejos del lugar donde se está produciendo la reacción en cadena. Para conseguir esto se mezcla el uranio con un moderador, cualquier sustancia que sea especialmente eficaz frenando neutrones. En los reactores nucleares artificiales se usa grafito (carbono), agua, o agua pesada (agua donde los dos átomos de hidrógeno 1 han sido reemplazados por átomos de hidrógeno 2).
La "calidad" del combustible nuclear viene dada por el porcentaje que contiene de uranio 235, o uranio rico, que es el que se fisiona. El uranio 238, o uranio pobre, no sirve para gran cosa, porque fisionarlo es muchísimo más difícil que fisionar el uranio 235. En la naturaleza aparecen mezclados un poquito de uranio 235, un mucho de uranio 238, y unas cantidades minúsculas de uranio 234. Esta mezcla no sirve para mantener una reacción en cadena, porque el uranio 238 absorbe muchos neutrones e impide que lleguen a los átomos de uranio 235. Para poder producir una reacción en cadena hay que enriquecer esta mezcla, es decir, aumentar el porcentaje de uranio 235 que contiene.
Bien, tras este refresco, volvamos a los reactores nucleares de Oklo.
Su descubrimiento se produjo en 1972, curiosamente en Francia, en la planta nuclear de Pierrelatte. En estas instalaciones se recogía el uranio de diversas fuentes y se enriquecía, para fabricar barras de combustible para centrales nucleares. En esta planta se controlaban con todo rigor las cantidades de uranio 235 que entraban y salían, para asegurar que no se estaba desviando uranio enriquecido para construir armas nucleares. Durante una de las mediciones rutinarias, el físico francés Francis Perrin se encontró con una muestra que contenía menos uranio 235 del esperado. La discrepancia era minúscula: el uranio 235 es normalmente el 0,7202% de todo el uranio procedente de cualquier mina del planeta, pero en esa muestra era sólo el 0,7171%. Una diferencia de una parte en 30.000 puede parecer poco, pero los isótopos aparecen siempre muy bien mezclados en la naturaleza, de forma que algo raro tenía que haber pasado con esa muestra. Lo primero que se pensó es que ese uranio habría sido contaminado con uranio empobrecido de la planta; esto sería muy grave, porque indicaría que existía una fuga de uranio. Había que investigar.
Gracias al minucioso sistema de archivado de muestras, rápidamente se encontraron minerales de uranio procedentes de Gabón que contenían incluso menos de la mitad del uranio 235 de lo que era normal. Esta discrepancia era enorme; la diferencia que llamó la atención de Perrin era tan pequeña porque se había mezclado el uranio procedente de muchas fuentes. Un análisis de esos minerales pobres en uranio 235 reveló que contenían isótopos muy parecidos a los que hay en los desechos de los reactores nucleares, lo cual puso a Perrin en el camino correcto. Las muestras procedían de la cantera de Oklo, un yacimiento de uranio de 35.000 kilómetros cuadrados; encontrar el punto exacto de donde se habían tomado requirió un poco de paciencia, pero finalmente se descubrió el primer "reactor nuclear fósil". Desde entonces se han descubierto al menos quince más en Oklo, y es posible que bastantes otros hayan sido destruidos antes de ser descubiertos.
El descubrimiento de los reactores produjo gran sorpresa, pero, ya en 1956, P. K. Fukoda, un físico norteamericano, había propuesto que en el pasado se podrían haber producido espontáneamente reacciones en cadena.
La idea de Fukoda se basaba en la siguiente observación. El uranio 235 se desintegra con más rapidez que el uranio 238. Concretamente, la semivida del uranio 235, o el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de una cantidad inicial de uranio 235, es de 710 millones de años, mientras que la semivida del uranio 238 es de 4.510 millones de años. Es decir, cuando la Tierra se formó, hace unos 4.500 millones de años, tenía el doble de uranio 238 que ahora, pero unas 70 veces más uranio 235 que ahora. Esto implica que, en el momento de formarse la Tierra, el uranio de las minas sería lo suficientemente rico como para poder usarlo en reactores nucleares sin tener que enriquecerlo más. De aquí a preguntarse si realmente ocurrieron reacciones en cadena sólo hay un paso.
Ahora sabemos que en las minas de uranio se pueden producir reacciones en cadena críticas, como en los reactores nucleares, pero no sabemos si alguna vez se llegó a producir una reacción en cadena supercrítica, es decir, una explosión atómica natural. En cualquier caso, ambos fenómenos son hoy en día imposibles; el porcentaje de uranio 235 en la Tierra es actualmente demasiado bajo como para que se puedan producir sin enriquecimiento.
Nosotros operamos los reactores nucleares en dos etapas: primero los construimos, y luego los ponemos en marcha. Obviamente, esto no ocurrió así en los reactores de Oklo, que posiblemente empezaron a funcionar mientras se estaba formando la mina.
Las reacciones en cadena sólo se pueden producir en aquellas zonas de una mina de uranio donde la concentración de mena sea suficientemente grande y donde haya algún moderador. En Oklo, el único moderador presente era el agua que se filtraba entre las rocas. Cuando uno de los reactores estaba húmedo, se iniciaba espontáneamente la reacción en cadena; para ello basta con un simple neutrón procedente de alguna desintegración (los átomos de uranio no producen neutrones al desintegrarse, pero su radioactividad causa la formación de muchos otros isótopos radioactivos a su alrededor que sí emiten neutrones).
Una vez iniciada la reacción en cadena, progresaba muy lentamente, y la roca se iba calentando. Cuando se calentaba mucho, el agua hervía y el reactor nuclear se quedaba sin moderador, con lo cual la reacción en cadena se detenía y luego el reactor se enfriaba. Entonces podía volver a ser humedecido, y el ciclo se reiniciaba, pero esta vez con un poco menos de uranio 235. Finalmente, había tan poco uranio 235 que por mucha agua que hubiera alrededor no era posible tener una reacción en cadena crítica, y el reactor se apagaba definitivamente.
Diversos estudios han concluido que los reactores de Oklo estuvieron funcionando hace unos 1.700 millones de años. Cada uno de los reactores estuvo activo durante más o menos un millón de años, poco después de la formación de la mina. En cada uno de los reactores se fisionaron del orden de 500 kilos de uranio 235, y la temperatura de los reactores se elevó entre 50 y 200 grados centígrados sobre su entorno. Es decir, estamos hablando de una producción de energía muy pequeña comparada con la que se alcanza en un reactor nuclear artificial; los reactores no llegaron a modificar las rocas a su alrededor ni la circulación del agua.
Los subproductos de Oklo han sido usados para realizar varios experimentos científicos. Quizás el más famoso sea uno en que se intentó comprobar si las velocidades de desintegración de los isótopos hace 1.700 millones de años eran diferentes a las de ahora (parece que no, pero los resultados no fueron concluyentes).
Bien, todo esto es muy interesante, ¿pero qué aporta Oklo al debate sobre la energía nuclear?
Varios grupos ecologistas se oponen a la energía nuclear argumentando que es imposible almacenar los residuos radioactivos de los reactores de forma segura. Sin embargo, Oklo nos permite comprobar qué ha pasado con los residuos de un reactor nuclear que funcionó hace 1.700 millones de años ... y bueno, hablando rápido y mal, no ha pasado nada.
Por ejemplo, en un reactor que contiene uranio 238 se forma plutonio 239, que se desintegra formando unos isótopos conocidos, y cuya semivida es de 40.000 años, bastante menor que el millón de años que estuvo operando cada reactor. Actualmente, estos isótopos procedentes del plutonio 239 se encuentran a, como mucho, tres metros de los núcleos de los reactores, lo cual nos indica que mientras los reactores estuvieron funcionando, sus fugas radioactivas alcanzaron sólo esa distancia.
Bien, ¿y qué ocurre con los deshechos después de que se apagase el reactor? Sus isótopos han sido detectados sólo a 40 metros ... y eso es siguiendo el curso de las corrientes de agua.
Quizás hubo suerte, claro; es posible que en otras minas de uranio se produjesen contaminaciones enormes. Pero es que nadie escogió Oklo para depositar desechos nucleares porque fuese una zona de baja actividad sísmica o alejada de poblaciones. Y la estructura geológica del terreno no era exactamente la más idónea; de hecho, como hemos visto, no era impermeable al agua.
¿Por qué pensamos entonces que es imposible enterrar de forma segura desechos radioactivos?
Pero para poner las cosas en perspectiva, baste recordar que en algunos pozos de agua cerca de Helsinki hay una radioactividad natural que es un millón de veces mayor que la normal; es literalmente más peligroso pasear por esos pozos que visitar un reactor de Oklo. En la imagen, un científico sin ninguna protección apunta al núcleo de uno de los reactores, reconocible por el color amarillento del óxido de uranio. Recordemos también que hay varias poblaciones construidas en mitad de minas de uranio; es el caso de Ramsar, Irán, donde la radioactividad natural de fondo alcanza los 260 mili Sieverts, 17 veces mayor que la máxima exposición permitida al personal que trabaja en centrales nucleares europeas ... y no se notan efectos en la población.
Esto no quiere decir que no tengamos que preocuparnos por cómo almacenamos nuestros desechos radioactivos, obviamente. Pero es que es fácil encontrar debates en los que se adoptan "posturas morales" del tipo de "no importa cuán pequeños sean los riesgos, si hay riesgos no debemos hacerlo". Quizás habría que enfatizar más que los riesgos son cuantitativos, no cualitativos.
Fuente: http://www.nocturnar.com/forum/estudios/189754-reactores-nucleares-naturales.html
Samuel Alberto Beracasa Robles C.I. Nº 15775106 Comunicaciones de RadioFrecuencia (CRF)
Antes de entrar en materia, recordemos lo que es una reacción en cadena.
Cuando un neutrón choca contra el núcleo de un átomo de uranio 235, lo convierte en un átomo de uranio 236. Este isótopo es extremadamente inestable, y casi inmediatamente se fisiona, se parte en dos, liberando varios neutrones y energía. Lo más normal es que las dos partes resultantes sean un núcleo de kriptón 91 y otro de bario 142, y que se produzcan tres neutrones, pero hay otras posibilidades que liberan dos o tres neutrones, y, de hecho, en raras ocasiones el núcleo de uranio 236 se parte en tres pedazos. También existen otras reacciones en cadena, como la del plutonio 239, que es la que se usa en las bombas de plutonio, o la del americio 231, que tiene la particularidad de poder generar explosiones atómicas tan pequeñas que se ha sugerido usarlas para impulsar naves espaciales.
Cada uno de los tres neutrones producidos durante una fisión de uranio 235 seguirá su propio camino. Si todos ellos impactasen contra otros núcleos de uranio 235, causando su fisión, se producirían 9 neutrones, que a su vez podrían fisionar 9 átomos, liberando 27 neutrones, que ... y en muy poco tiempo se liberaría una enorme cantidad de energía.
En realidad, no es probable que los tres neutrones vayan a producir tres fisiones. Si cada fisión provoca, en promedio, más de una fisión "hija", se dice que la reacción en cadena es supercrítica; el número de neutrones y fisiones aumentará muy rápidamente y se liberará una cantidad enorme de energía en una explosión atómica. Si cada fisión provoca, en promedio, exactamente una fisión hija, entonces el número de neutrones en circulación permanecerá constante; esto es una reacción crítica, y es lo que se quiere que ocurra en un reactor nuclear, para generar energía a un ritmo constante. Si cada fisión provoca, en promedio, menos de una fisión hija, el número de neutrones y de fisiones irá disminuyendo hasta que no quede ninguno, y la reacción en cadena se detendrá; esto es una reacción subcrítica, y ocurre durante el apagado de un reactor nuclear.
Hay una complicación: para que un neutrón pueda ser absorbido por un núcleo de uranio 235, tiene que tener poca energía y moverse lentamente. Pero los neutrones producidos durante la fisión tienen mucha energía y salen disparados a velocidades relativistas. Es decir, los neutrones producidos en una fisión no sirven directamente para fisionar otros átomos. Para poder mantener una reacción en cadena de uranio 235 es necesario que los neutrones generados en las fisiones sean frenados mediante choques con otros átomos. También es necesario que este frenado se produzca muy rápidamente, porque no serviría de nada que los neutrones fuesen frenados cuando ya estuviesen lejos del lugar donde se está produciendo la reacción en cadena. Para conseguir esto se mezcla el uranio con un moderador, cualquier sustancia que sea especialmente eficaz frenando neutrones. En los reactores nucleares artificiales se usa grafito (carbono), agua, o agua pesada (agua donde los dos átomos de hidrógeno 1 han sido reemplazados por átomos de hidrógeno 2).
La "calidad" del combustible nuclear viene dada por el porcentaje que contiene de uranio 235, o uranio rico, que es el que se fisiona. El uranio 238, o uranio pobre, no sirve para gran cosa, porque fisionarlo es muchísimo más difícil que fisionar el uranio 235. En la naturaleza aparecen mezclados un poquito de uranio 235, un mucho de uranio 238, y unas cantidades minúsculas de uranio 234. Esta mezcla no sirve para mantener una reacción en cadena, porque el uranio 238 absorbe muchos neutrones e impide que lleguen a los átomos de uranio 235. Para poder producir una reacción en cadena hay que enriquecer esta mezcla, es decir, aumentar el porcentaje de uranio 235 que contiene.
Bien, tras este refresco, volvamos a los reactores nucleares de Oklo.
Su descubrimiento se produjo en 1972, curiosamente en Francia, en la planta nuclear de Pierrelatte. En estas instalaciones se recogía el uranio de diversas fuentes y se enriquecía, para fabricar barras de combustible para centrales nucleares. En esta planta se controlaban con todo rigor las cantidades de uranio 235 que entraban y salían, para asegurar que no se estaba desviando uranio enriquecido para construir armas nucleares. Durante una de las mediciones rutinarias, el físico francés Francis Perrin se encontró con una muestra que contenía menos uranio 235 del esperado. La discrepancia era minúscula: el uranio 235 es normalmente el 0,7202% de todo el uranio procedente de cualquier mina del planeta, pero en esa muestra era sólo el 0,7171%. Una diferencia de una parte en 30.000 puede parecer poco, pero los isótopos aparecen siempre muy bien mezclados en la naturaleza, de forma que algo raro tenía que haber pasado con esa muestra. Lo primero que se pensó es que ese uranio habría sido contaminado con uranio empobrecido de la planta; esto sería muy grave, porque indicaría que existía una fuga de uranio. Había que investigar.
Gracias al minucioso sistema de archivado de muestras, rápidamente se encontraron minerales de uranio procedentes de Gabón que contenían incluso menos de la mitad del uranio 235 de lo que era normal. Esta discrepancia era enorme; la diferencia que llamó la atención de Perrin era tan pequeña porque se había mezclado el uranio procedente de muchas fuentes. Un análisis de esos minerales pobres en uranio 235 reveló que contenían isótopos muy parecidos a los que hay en los desechos de los reactores nucleares, lo cual puso a Perrin en el camino correcto. Las muestras procedían de la cantera de Oklo, un yacimiento de uranio de 35.000 kilómetros cuadrados; encontrar el punto exacto de donde se habían tomado requirió un poco de paciencia, pero finalmente se descubrió el primer "reactor nuclear fósil". Desde entonces se han descubierto al menos quince más en Oklo, y es posible que bastantes otros hayan sido destruidos antes de ser descubiertos.El descubrimiento de los reactores produjo gran sorpresa, pero, ya en 1956, P. K. Fukoda, un físico norteamericano, había propuesto que en el pasado se podrían haber producido espontáneamente reacciones en cadena.
La idea de Fukoda se basaba en la siguiente observación. El uranio 235 se desintegra con más rapidez que el uranio 238. Concretamente, la semivida del uranio 235, o el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de una cantidad inicial de uranio 235, es de 710 millones de años, mientras que la semivida del uranio 238 es de 4.510 millones de años. Es decir, cuando la Tierra se formó, hace unos 4.500 millones de años, tenía el doble de uranio 238 que ahora, pero unas 70 veces más uranio 235 que ahora. Esto implica que, en el momento de formarse la Tierra, el uranio de las minas sería lo suficientemente rico como para poder usarlo en reactores nucleares sin tener que enriquecerlo más. De aquí a preguntarse si realmente ocurrieron reacciones en cadena sólo hay un paso.
Ahora sabemos que en las minas de uranio se pueden producir reacciones en cadena críticas, como en los reactores nucleares, pero no sabemos si alguna vez se llegó a producir una reacción en cadena supercrítica, es decir, una explosión atómica natural. En cualquier caso, ambos fenómenos son hoy en día imposibles; el porcentaje de uranio 235 en la Tierra es actualmente demasiado bajo como para que se puedan producir sin enriquecimiento.
Nosotros operamos los reactores nucleares en dos etapas: primero los construimos, y luego los ponemos en marcha. Obviamente, esto no ocurrió así en los reactores de Oklo, que posiblemente empezaron a funcionar mientras se estaba formando la mina.
Las reacciones en cadena sólo se pueden producir en aquellas zonas de una mina de uranio donde la concentración de mena sea suficientemente grande y donde haya algún moderador. En Oklo, el único moderador presente era el agua que se filtraba entre las rocas. Cuando uno de los reactores estaba húmedo, se iniciaba espontáneamente la reacción en cadena; para ello basta con un simple neutrón procedente de alguna desintegración (los átomos de uranio no producen neutrones al desintegrarse, pero su radioactividad causa la formación de muchos otros isótopos radioactivos a su alrededor que sí emiten neutrones).
Una vez iniciada la reacción en cadena, progresaba muy lentamente, y la roca se iba calentando. Cuando se calentaba mucho, el agua hervía y el reactor nuclear se quedaba sin moderador, con lo cual la reacción en cadena se detenía y luego el reactor se enfriaba. Entonces podía volver a ser humedecido, y el ciclo se reiniciaba, pero esta vez con un poco menos de uranio 235. Finalmente, había tan poco uranio 235 que por mucha agua que hubiera alrededor no era posible tener una reacción en cadena crítica, y el reactor se apagaba definitivamente.
Diversos estudios han concluido que los reactores de Oklo estuvieron funcionando hace unos 1.700 millones de años. Cada uno de los reactores estuvo activo durante más o menos un millón de años, poco después de la formación de la mina. En cada uno de los reactores se fisionaron del orden de 500 kilos de uranio 235, y la temperatura de los reactores se elevó entre 50 y 200 grados centígrados sobre su entorno. Es decir, estamos hablando de una producción de energía muy pequeña comparada con la que se alcanza en un reactor nuclear artificial; los reactores no llegaron a modificar las rocas a su alrededor ni la circulación del agua.
Los subproductos de Oklo han sido usados para realizar varios experimentos científicos. Quizás el más famoso sea uno en que se intentó comprobar si las velocidades de desintegración de los isótopos hace 1.700 millones de años eran diferentes a las de ahora (parece que no, pero los resultados no fueron concluyentes).
Bien, todo esto es muy interesante, ¿pero qué aporta Oklo al debate sobre la energía nuclear?
Varios grupos ecologistas se oponen a la energía nuclear argumentando que es imposible almacenar los residuos radioactivos de los reactores de forma segura. Sin embargo, Oklo nos permite comprobar qué ha pasado con los residuos de un reactor nuclear que funcionó hace 1.700 millones de años ... y bueno, hablando rápido y mal, no ha pasado nada.
Por ejemplo, en un reactor que contiene uranio 238 se forma plutonio 239, que se desintegra formando unos isótopos conocidos, y cuya semivida es de 40.000 años, bastante menor que el millón de años que estuvo operando cada reactor. Actualmente, estos isótopos procedentes del plutonio 239 se encuentran a, como mucho, tres metros de los núcleos de los reactores, lo cual nos indica que mientras los reactores estuvieron funcionando, sus fugas radioactivas alcanzaron sólo esa distancia.
Bien, ¿y qué ocurre con los deshechos después de que se apagase el reactor? Sus isótopos han sido detectados sólo a 40 metros ... y eso es siguiendo el curso de las corrientes de agua.
Quizás hubo suerte, claro; es posible que en otras minas de uranio se produjesen contaminaciones enormes. Pero es que nadie escogió Oklo para depositar desechos nucleares porque fuese una zona de baja actividad sísmica o alejada de poblaciones. Y la estructura geológica del terreno no era exactamente la más idónea; de hecho, como hemos visto, no era impermeable al agua.
¿Por qué pensamos entonces que es imposible enterrar de forma segura desechos radioactivos?
Pero para poner las cosas en perspectiva, baste recordar que en algunos pozos de agua cerca de Helsinki hay una radioactividad natural que es un millón de veces mayor que la normal; es literalmente más peligroso pasear por esos pozos que visitar un reactor de Oklo. En la imagen, un científico sin ninguna protección apunta al núcleo de uno de los reactores, reconocible por el color amarillento del óxido de uranio. Recordemos también que hay varias poblaciones construidas en mitad de minas de uranio; es el caso de Ramsar, Irán, donde la radioactividad natural de fondo alcanza los 260 mili Sieverts, 17 veces mayor que la máxima exposición permitida al personal que trabaja en centrales nucleares europeas ... y no se notan efectos en la población.
Esto no quiere decir que no tengamos que preocuparnos por cómo almacenamos nuestros desechos radioactivos, obviamente. Pero es que es fácil encontrar debates en los que se adoptan "posturas morales" del tipo de "no importa cuán pequeños sean los riesgos, si hay riesgos no debemos hacerlo". Quizás habría que enfatizar más que los riesgos son cuantitativos, no cualitativos.
Fuente: http://www.nocturnar.com/forum/estudios/189754-reactores-nucleares-naturales.html
Samuel Alberto Beracasa Robles C.I. Nº 15775106 Comunicaciones de RadioFrecuencia (CRF)
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