En 1938 los investigadores Otto Hahn, Fritz Strassmanny Lise Meitner descubrieron la fisión nuclear: la liberación de energía a partir de un átomo de uranio golpeado por neutrones. Dos mil millones de años antes —Sí, 2.000.000.000 de años—, en África occidental, una arenisca de color oscuro generó la primera reacción en cadena de la historia de la Tierra. Hoy existen 437 reactores nucleares de fisión, pero hace dos mil eones solamente había uno.
Aquel reactor nuclear generó el equivalente al encendido de 1.000 bombillas, algo que no serviría ni para el 0,1% del alumbrado navideño de Vigo y, sin embargo, hay varias cosas fascinantes:
La duración de la reacción se sostuvo sin ayuda durante 1 millón de años (piénselo, hace un millón de años el ser humano no había casi ni salido de África). Además, encontrar las pruebas de su existencia trascurrido ese tiempo es milagroso. Tanto es así, que el Museo de Historia Natural de Viena (probablemente el mejor de Europa) atesora la muestra de roca de incalculable valor.
El equilibrio milagroso de un reactor
Que una reacción ocurra de manera espontánea es relativamente sencillo. Sin embargo, mantenerla estable es muy complicado. Por un lado, los átomos pueden dividirse de forma espontánea. Al romperse, emiten pequeños fragmentos muy veloces que avivan “el fuego”: los neutrones. Por otra parte, para que estos neutrones choquen al ritmo sostenido de una reacción nuclear hay que frenarlos. Es decir, si no frenamos a los neutrones, hay dos opciones (y ninguna buena): o bien la reacción se acelera demasiado (como en una bomba nuclear), o bien se frena por no haber interacción entre los neutrones y los átomos. Si se logra mantener un ritmo adecuado, los neutrones golpearán a los átomos, rompiéndolos y desprendiendo otros neutrones, que golpearán a otros átomos: la famosa reacción en cadena.
Figura 1. Esquema de la reacción en cadena en una fisión nuclear. En el primer paso un neutrón choca contra un átomo de U-235. En el segundo, debido al impacto, el átomo se comienza a dividir. En el tercer paso la división del átomo emite energía y otros neutrones que chocarán en el cuarto paso para volver a dividir a otros átomos de U-235.
Para evitar los efectos indeseables de una bomba, o el frenado excesivo de la reacción, se utilizan moderadores: el agua combinada con plata, iridio o boro. Dichos moderadores ayudan a controlar la velocidad con la que la reacción en cadena ocurre.
Receta para cocinar un reactor nuclear
El uranio es el elemento más común utilizado en las plantas de energía nuclear. Posee tres isótopos naturales: uranio-238, uranio-235 y uranio-234. De ellos, el U-235 es el que tiene más facilidad para dividirse al ser golpeado por neutrones. Sin embargo, actualmente solo el 0,720% de uranio terrestre es U-235 y se distribuye homogéneamente en la corteza de la tierra. Por tanto, si analizamos cualquier muestra de uranio natural, encontraremos que siempre tiene el 0,720% de U-235, —quédense con esto para más adelante—.
Por tanto, para que una reacción nuclear se produzca de manera natural, tienen que ocurrir estos factores:
- Debe haber una buen grosor de uranio –2 a 3 metros–.
- El uranio debe contener una cantidad adecuada de U-235 (el 3 – 5%).
- Debe aparecer un moderador que evite que la reacción se descontrole.
- Debe haber elementos que frenen neutrones (como plata o boro).
En la actualidad, es imposible que exista una reacción en cadena natural y sostenida de este tipo, entre otras cosas, ya que la cantidad de U-235 disponible es solo del 0,720% respecto al 99,275% de U-238. Sin embargo, cuando la Tierra se formó, la cantidad de Uranio-235 era de más del 30% del total, y hace dos mil millones de años la cantidad de U-235 era del 3,6%: suficiente para generar un reactor nuclear natural.
¡Ese canto fue una central nuclear!
En 1972, los franceses explotaban las minas de Uranio de Gabón para abastecer sus plantas nucleares. Durante un examen rutinario de muestras de roca, notaron algo muy extraño: el uranio que había no tenía un 0,720% de U-235, tenía solo un 0,717%. Podría parecer una pequeña variación, pero no lo es. Con todo el asunto de la guerra fría y la importancia del uranio en las armas, ya se sabía que todos los minerales que poseían uranio (incluyendo rocas lunares y meteoritos) tenía justo un 0,720% de U-235. Así que solo había una respuesta: esa roca había sufrido fisión atómica, ese canto fue un reactor.
Figura 2. Esquema de la morfología de yacimiento del reactor nuclear de Gabón
Desde aquel momento, geólogos y físicos han trabajado durante los últimos 40 años para conocer cómo aparecieron los cuatro ingredientes de un reactor nuclear natural:
- El grosor. En la mayoría de las rocas terrestres, el uranio es como el oro: un elemento traza. Aparece, con suerte, en una parte de cada millón. Para que el uranio alcance un grosor de 2 o 3 metros formando sus propios minerales (monacita, thorita y uraninita) es necesario agruparlo. Al igual que sucede con el oro, el uranio de Gabón se aglutino en depósitos por la acción de fluidos que lo transportaron: fluidos hidrotermales.
- La cantidad de U-235. Los cálculos físicos indican que la cantidad de uranio combustible era del 3,6% lo cual es más que suficiente para una reacción de fisión.
- El moderador. Los geólogos han notado que los depósitos de Gabón están rodeados de una arenisca marina, es decir, el ambiente sedimentario uranio era acuoso, el ingrediente moderador perfecto.
- Los frenos. Además de uranio, los fluidos hidrotermales llevaban plata y boro, fundamentales para evitar el desmadre de la reacción.
En Gabón se celebraba un baile milagroso entre neutrones frenados por agua de mar que golpeaban a átomos de uranio, calentando el ambiente. Cuando la reacción se animaba, el agua se evaporaba frenando el desastre; cuando se desactivaba, el agua líquida volvía a favorecer un nuevo ciclo de fisión del uranio favorecido por la plata y el boro. Algo que sucedió durante casi un millón de años.
Figura 3. Muestra de arenisca marina con contenido de U-235 al 0,717% procedente de Oklo, Gabón. Actualmente expuesta en el museo de Ciencias Naturales de Viena. Fuente: www.iaea.org
Los geólogos conocen a aquella época como el eón proterozoico. Desde entonces en la Tierra ha cambiado casi todo: multitud de choques continentales, apertura y cierre de océanos, formación y erosión de cadenas montañosas, etc. Con todo ese jaleo, la preservación del reactor es casi tan milagrosa como su propio funcionamiento. Pero eso lo dejaremos para las próximas semanas.
Para saber más.
https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/natures-nuclear-reactors-the-2-billion-year-old-natural-fission-reactors-in-gabon-western-africa/
https://www.usias.fr/en/news-events/events/event/article/symposium-50th-anniversary-oklo-natural-nuclear-reaction/
