Reactores de fisión nuclear en la Era Precámbrica

El ININ hoy
REACTORES DE FISIÓN NUCLEAR
EN LA ERA PRECAMBRICA
Por Silvia Bulbulián, Suilma M. Fernández-Valverde, Eduardo
Ordoñez Regil.
Reactores Nucleares
Un reactor nuclear es un sistema diseñado para
producir y sostener la reacción nuclear de fisión
en cadena, de una manera segura y confiable.
Para esto es necesario que se cumplan ciertas
condiciones, como son; tener la cantidad
necesaria de uranio enriquecido, lo que se
conoce como masa crítica, tener un entorno que
disminuya la velocidad de los neutrones
nacientes a lo que se le llama moderador y
finalmente tener un fluido que sea capaz de
extraer el calor generado por la reacción en
cadena, que se conoce como refrigerante.
Estas tres condiciones esenciales para que un
reactor nuclear trabaje adecuadamente, no es
trivial reunirlas ya que para poder tener la masa
crítica es necesario que el uranio se encuentre
enriquecido en uranio 235 en la mayoría de los
casos, aunque existen reactores que utilizan
uranio natural, como los CANDU.
figura 2 se presenta una descripción gráfica de
cómo la cantidad de uranio-238 presente en la
naturaleza, con una vida media muy larga de
4,470,000,000 años, se redujo a la mitad de lo
que había originalmente cuando se formó el
planeta Tierra. Por otro lado el uranio-235, que
tiene una vida media de 704,000,000 años, se
redujo a sólo una fracción pequeñísima de lo
que existía entonces. En la figura 2, T1 representa
una vida media transcurrida, T2 representa dos
vidas medias, T3 tres vidas medias, etc. A su vez
el uranio-234, no representado en esta figura,
con una vida media de 246,000 años, se redujo
casi completamente al final de los primeros mil
millones de años. Por lo tanto, el uranio-234
que se observa actualmente en la naturaleza es
un producto indirecto del decaimiento del uranio238. Así se explican las cantidades de uranio238, uranio-235 y uranio-234 que se encuentran
en las proporciones indicadas (Fig. 1).
Uranio enriquecido
El uranio es el elemento más pesado que hay
en la naturaleza, está formado por tres isótopos
radiactivos de pesos 234 (0.006%), 235 (0.719%)
y 238 (99.275%) (figura 1). El isótopo del uranio
más abundante es el de masa 238 y existe sólo
una pequeña fracción del uranio-235, mientras
que el isótopo de masa 234 es aún menos
abundante. Esto no siempre ha sido así. En la
Figura 1. Composición isotópica
del uranio natural
Sin embargo se presenta una pregunta ¿será
posible que se separen los isótopos del uranio
en los procesos geoquímicos? No, los procesos
químicos pueden hacer que una región sea rica
Contacto Nuclear 1 9
o pobre en uranio, pero el uranio-235, el uranio238 y el uranio-234, son virtualmente
indistinguibles desde el punto de vista químico,
de tal manera que cualquier proceso que afecte
a uno de ellos debe afectar de la misma manera
al otro. Así, el contenido del uranio-235 en el
uranio natural no es casual, se debe al continuo
decaimiento de este isótopo desde la formación
de la Tierra. Es por eso que el contenido de
uranio-235, de 0.719% en el uranio natural, se
considera como constante no sólo en toda la
superficie de la Tierra sino también en las rocas
de la Luna, en meteoritos y posiblemente en
todo el sistema solar. Algunos elementos
presentan relaciones isotópicas anormales, pero
éstas se deben a efectos químicos de
transformaciones nucleares.
Figura 2. Decaimiento del uranio 238 y el uranio 235
Reactores nucleares
Son instalaciones de las que se puede extraer la
energía producida por la fisión nuclear. El núcleo
del uranio-235 se rompe formando dos núcleos
más ligeros, de peso muy variado y libera además
de 2 a 3 neutrones. Este proceso en cadena
produce grandes cantidades de calor.
Dependiendo de la energía producida los
reactores pueden ser de alta potencia como los
que producen energía eléctrica y los de baja
potencia como los reactores de investigación
2 0 Contacto
Nuclear
¿Son factibles los reactores de fisión
nuclear naturales?
Algunos investigadores se preguntaron sobre esa
posibilidad, entre ellos el Dr. Paul K. Kuroda. En
el verano de 1945, en Hiroshima y Nagasaki, se
produjeron las terribles explosiones de las bombas
nucleares con lo que finalizó abruptamente la
Segunda Guerra Mundial. A fines de agosto de
ese mismo año, Kuroda se encontraba ante las
ruinas de Hiroshima y se quedó impresionado
con el poder de la energía nuclear. Dice: «La vista
frente a mí era justo como el fin del mundo, pero
también sentí que el principio del mundo debiera
haber sido semejante a eso». Y de allí le surgió la
duda: ¿sería posible que hubieran ocurrido
reacciones nucleares semejantes en la Tierra en
épocas geológicas pasadas?
En el año de 1956 el Dr. Kuroda publicó un
artículo intitulado: «De la estabilidad nuclear física
de los minerales de uranio». En este trabajo
calculó la proporción de uranio-235 en los
yacimientos de alta concentración de uranio en
la Tierra en épocas remotas. Calculó que hace
2,100,000,000 de años el contenido de uranio235 en los yacimientos de uranio era de 4%, que
de acuerdo con la teoría de los reactores
nucleares, en condiciones favorables debió
permitir la fisión nuclear espontánea en cadena.
El Dr. Paul K. Kuroda defendió la teoría de la
existencia de reactores nucleares naturales de
fisión en épocas geológicas pasadas; sin embargo,
como a menudo suele suceder, sus colegas, los
científicos, no le creyeron. Inclusive personajes
tan destacados como el Dr. Enrico Fermi, pensaban
que una reacción natural de fisión nuclear
espontánea del uranio-235 no podría mantenerse
como una reacción en cadena.
¿Existieron los reactores nucleares
naturales?
En 1972 se observó una anomalía en el proceso
de enriquecimiento de uranio en uranio-235.
Este fenómeno lo observaron Bouzigues y sus
colaboradores en la planta procesadora de
combustible nuclear, en el CEA (Comisariado de
Energía Atómica) en Pierrelatte, Francia.
Obtuvieron un resultado curioso durante el
análisis rutinario de una muestra de mineral de
uranio. La abundancia del uranio-235 en el
uranio natural era de 0.717%, el cual era bajo si
se comparaba con el contenido normal de
0.719%. Aunque la diferencia entre ambos
valores nos parezca pequeña, para quienes
enriquecen el uranio ese 0.002% es muy
importante. Aquí hacemos un paréntesis para
comentar que un proceso común para enriquecer
el uranio en su isótopo uranio-235 es el de
difusión gaseosa del hexafluoruro de uranio. El
análisis de Bouzigues se llevó a cabo por
espectrometría de masas, en el cual las
moléculas se ionizan y son aceleradas, y
finalmente se desvían por un campo magnético.
La masa de la molécula se revela por la cantidad
que es desviada. Esta técnica es muy delicada y
precisa, y cuando se aplica a un material en
forma gaseosa se logran aún mayores precisiones
que las que se logran en general por otras
técnicas. La discrepancia que encontró Bouzigues
era pequeña, pero significativa. El CEA empezó
a investigar para encontrar la causa de esta
discrepancia.
A mediados de 1972 encontraron que en
embarques de la mina de Oklo, en 700 toneladas
de uranio, se habían perdido aproximadamente
200 Kg de uranio-235.
Este descubrimiento llevó a los investigadores a
pensar en la posibilidad de que el uranio-235
perdido se hubiera destruido in situ. Se pensó la
posibilidad de que reactores nucleares naturales
hubieran consumido el uranio-235 en épocas
geológicas pasadas y se detuvo la explotación
de las minas para entender lo sucedido.
Gabón, país donde se perdió uranio-235
La República de Gabón se encuentra en la costa
occidental de África, la atraviesa el ecuador. Su
capital es la ciudad portuaria de Libreville, que
es la más grande del país.
Gabón es rico en recursos minerales. El país
tiene depósitos de uranio, manganeso y petróleo,
en la actualidad se explotan todos ellos; se han
encontrado grandes yacimientos de mineral de
hierro, algunos de ellos entre los más ricos del
mundo. También se han encontrado yacimientos
de minerales de plomo y plata. Debido a la gran
cantidad de recursos naturales, el país ha basado
su economía en su explotación, como es el caso
de las minas de uranio.
En las tierras bajas de la cuenca del río Ogooué,
en las que hay gran cantidad de colinas con
vegetación de tipo sabana y estrechos corredores
de vegetación espesa, se encuentra una microregión geográfica que se conoce como «Oklo»
Allí se encuentran unos yacimientos uraníferos
muy importantes con concentraciones altas de
uranio. Esta región se encuentra en la parte
sureste de la República de Gabón y forma parte
de la cuenca de Franceville.
Pero ¿por qué estamos relatando esto? Porque
algo muy extraño pasó en Gabón. Se encontró
que parte del U-235 había desaparecido de los
yacimientos de Gabón, como lo comprobó el
equipo Francés de Pierrelate. Este es un hecho
extraordinario en la naturaleza. ¿Qué pudo
haberle pasado al uranio-235?
Presencia de uranio en las minas de Gabón
En la mayoría de los reactores nucleares
fabricados por el hombre la materia prima
principal es el uranio con un alto contenido de
uranio-235. De acuerdo con las condiciones
establecidas por Kuroda, sería posible el
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El estrato geológico de formación más reciente o
cuenca de Franceville está formado esencialmente
por cinco capas geológicas pertenecientes a
diferentes períodos de tiempo. El investigador
Francés F. Weber (1968) las estudió y clasificó
por muchos años en diferentes campañas de
prospección minera.
Yacimientos de uranio
Para entender cómo se formaron los yacimientos
de uranio de Gabón es necesario hacer una
descripción de cómo se extiende el yacimiento
uranífero en la cuenca de Franceville. El
Figura 3. Sitios de Oklo, Okelobondo y Bangombé.
funcionamiento de reactores naturales siempre
y cuando hubiera yacimientos con alto contenido
de uranio-235, condición que sólo se puede
encontrar en yacimientos uraníferos muy
antiguos, lo cual nos lleva a estudiar los
yacimientos de uranio en Gabón que
discutiremos a continuación (Figura 3). Los
yacimientos muy antiguos de uranio son los sitios
de Oklo, Okelobondo y Bangombé, los dos
primeros se encuentran separados tan sólo por
5 kilómetros, mientras que Bangombé se
encuentra a 30 kms, en la dirección sur, sureste
de Oklo.
yacimiento uranífero abarca las regiones
geográficas de Oklo, Okelobondo y Bangombé,
con espesores que varían de 200 a 400 metros,
extendidos en varios kilómetros cuadrados. Se ha
determinado que movimientos tectónicos
posteriores a su formación le han dado un relieve
muy accidentado. El borde norte del basamento
se fracturó y una parte se elevó de su nivel
original adquiriendo una pendiente muy inclinada,
de casi 45 grados, que hacen llegar a este
basamento cerca de la superficie, arrastrando
consigo las capas de formación posterior. Esta
parte, por ser la más superficial fue muy apropiada
para iniciar la explotación minera del yacimiento
uranífero.
Figura 4. Croquis del reactor No. 10 de Oklo
2 2 Contacto
Nuclear
Durante la época en que se conformó esta
cuenca, los agentes climáticos como son las
lluvias, erosión, etc. dispersaron al uranio de
manera más o menos homogénea en el material
granítico que conforma la capa profunda, por lo
que la concentración normal de mineral en esta
zona es de 1 a 20 por ciento. Debido a esta
concentración de uranio se considera como zona
rica en uranio por lo cual ha sido explotada
durante varias décadas por la compañía de minas
de uranio de Franceville, la cual provee de una
importante cantidad de uranio para el
funcionamiento de los reactores nucleares
franceses.
Dentro de la zona geológica de Oklo existen otros
dos yacimientos uraníferos que presentan el
mismo fenómeno de fisión espontánea Los
yacimientos de Okelobondo (que se encuentran
a una profundidad 300 metros) pertenecen al
mismo perfil geológico y forman parte del mismo
yacimiento uranífero que los de Oklo, aunque
existe una distancia de 5 km entre ambos. Otro
sitio más se encuentra en Bangombé. Este
yacimiento que se encuentra a 30 kms. de Oklo,
figura 5, está extendido en una superficie de 1.5
Km2 y se encuentra casi en la superficie. Tiene
un contenido de uranio bastante bajo, cerca de
0.1%, pero con acumulaciones locales muy fuertes
de uranio. El yacimiento se encuentra contenido
en una depresión tipo cubeta rellena de material
granítico que se encuentra casi en superficie el
material en que reposa tiene un gran contenido
de manganeso.
Formación de los yacimientos de uranio
El fenómeno de la formación de los yacimientos
de uranio se llevó a cabo hace aproximadamente
2000 millones de años. Del uranio total que se
encontraba en las rocas ígneas y las rocas
volcánicas, se separó el uranio en estado de
valencia VI, que es soluble en agua. Por un
proceso de lixiviación, se desprendió de las rocas
Figura 5. Croquis de las zonas de reacción que
funcionaron como reactores nucleares
y se disolvió en el agua. El uranio en solución
se infiltró a través de los sedimentos y
posteriormente se redujo y precipitó en forma
de uranio en estado de valencia IV que es
insoluble. La materia orgánica presente fue la
causa de la reducción del uranio.
Al conjuntarse las condiciones adecuadas en
las vetas ricas en uranio, funcionaron diferentes reactores naturales, que se muestran en la
figura 5, obteniéndose mucha información
sobre cómo funcionaron los reactores y cómo
se comportaron los productos de fisión desde
hace 2000 millones de años, hasta nuestros
días.
Referencias
S. Bulbulian, E. Ordóñez Regil, S.M. Fernández Valverde. «Reactores
de Fisión Nuclear de Hace Miles de Millones de Años. La Ciencia
para Todos, 209, Fondo de Cultura Económica, Julio, 2005.
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