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El Uranio, un elemento que mantiene la vida en la Tierra

La desintegración de los isótopos del uranio, a pesar de que son extremadamente poco radiactivos (la radiactividad de 1 g de cobalto 60, disponible en cualquier hospital, es similar a la de toneladas de uranio natural), generan calor que contribuye a mantener la temperatura interna de la Tierra y su campo magnético, imprescindible para mantener la vida en el planeta.

El uranio natural en el pasado lejano tenía un enriquecimiento superior al que en la actualidad se utiliza en los reactores nucleares. Se conservan restos inequívocos de que existieron centrales nucleares naturales hace dos mil millones de años, su estudio puede tener implicaciones importantes en la búsqueda de una teoría general más allá del modelo estándar. Aunque improbable, el centro del núcleo interno de la Tierra podría ser de uranio, su verificación aportaría nuevas pruebas sobre las condiciones que se dieron en la formación del sistema solar.

El calor que viene de interior de la Tierra

A partir de unos centenares de metros al penetrar en la corteza terrestre se observa un incremento constante de la temperatura. Hay minas subterráneas en la que se superan los 40º C. Este calor procede del interior de la Tierra. Se estima que el flujo total de calor emitido hacia el espacio es de 44,2 ± 1,0 Terawatios (TW). Parte tiene su origen en el calor residual que aún se conserva de los impactos de planetesímales, incluso de las prototierras, que darían lugar a nuestro planeta.

Pero esta causa explicaría como mucho la mitad del flujo medido, la otra mitad procede de la desintegración de isótopos radiactivos existentes en la Tierra, restos de la supernova que originó nuestro sistema solar hace unos 4,6 eones. En la nube de la que surgiría el sistema solar, y otras estrellas hermanas, la mayor parte de los elementos estarían formados por isótopos radiactivos, pero solo persisten los que tenían vidas muy largas: U238, Th232, U235 y K40, y sus descendientes, el resto se desintegró para formar isótopos estables. Estos isótopos se desintegran emitiendo partículas alfa, beta y gammas que al ser absorbidas en el medio originan calor.

En el proceso de desintegración se emiten además antineutrinos, su medida, realizada combinando los detectores Kamioka Liquid-Scintillator (Japón) y Borexino (Italia), ha permitido estimar que las cadenas de desintegración del U238 y Th232 explican el 20,0 ± 8,7 TW del calor interno emitido por la Tierra. Sin este calor, la temperatura superficial del planeta sería unos grados menos que la que tiene. Además, no existiría el campo magnético que nos protege de las radiaciones cósmicas, en particular del viento solar que permite que aun conservemos una atmosfera suficientemente densa para que exista la vida tal y como la conocemos (la atmosfera de Marte es el 1% de la terrestre, hace miles de millones de años era mucho más densa, pero el viento solar, a falta de un campo magnético, la fue eliminando). Sin la radiactividad del uranio no estaríamos aquí.

Reactores nucleares hace miles de millones de años

Se suele creer que el empleo de uranio en las centrales nucleares es un producto plenamente humano, realmente lo que Fermi realizó es replicar un proceso que en la Tierra se había producido de forma natural hace miles de millones de años.

En la planta francesa de enriquecimiento de Pierrelatte, en mayo de 1972, el analista quedó estupefacto al comprobar que el espectrómetro de masas indicaba un contenido de 0,717% átomos de U-235 en una muestra de uranio natural.

Los resultados de miles de análisis en uranio natural en todas las partes del mundo mostraban que la fracción de átomos de U-235 en el total de uranio era siempre 0,720% (que expresado en porcentaje en peso equivale a 0,711%). Incluso los análisis de las rocas lunares y de meteoritos daban siempre ese contenido del isótopo U-235. La discrepancia era pequeña pero Pierrelatte era una instalación militar donde se contabilizaba rigurosamente el material nuclear. El Comisariado de Energía Atómica francés inició una investigación. Se encontró que se trataba de uranio que procedía de la mina de Oklo, situada en sudeste de Gabón (África). Análisis de muestras del mismo lugar mostraron incluso una concentración de U-235 menor. En una de ellas el contenido de U-235 era de sólo el 0,44%.

La cuestión que se planteaba era cómo podía explicarse semejante anomalía. Tras descartar distintas hipótesis se llegó a una explicación aparentemente descabellada: En los yacimientos de Oklo uno o varios reactores nucleares naturales había funcionado hacía casi dos mil millones de años donde se había consumido el U235..

La posibilidad de que hubiera reactores naturales hace miles de millones de años en yacimientos de uranio había sido predicha a mediados del siglo XX. Visto con retrospectiva, como veremos, la existencia de procesos de fisión automantenida en el pasado lejano de la Tierra parecía casi inevitable:

El uranio está compuesto por dos isótopos U238 y U235, en la actualidad el 99,27% es U238, 0,72% U235, también contiene U234 pero este es un producto de desintegración de la cadena del U238 (hay trazas de otros isótopos del uranio pero es irrelevante para lo que sigue). El U238 y U235 se desintegran con enorme lentitud, pero el U235 lo hace con más rapidez que el U238. Como consecuencia la proporción en el pasado de U235 era considerablemente más alta que en la actualidad. Es fácil calcular a partir del semiperiodo de desintegración del U-238, 4468 millones de años, y del U235, 704 millones de años que cuando se formó la Tierra, hace unos 4,5 mil millones de años, el uranio natural tenía un 17% de U-235 y hace dos mil millones de años el 3% (Con uranio natural aún hoy en día se puede hacer un reactor nuclear, sin embargo se requieren condiciones tan especiales que no es creíble que puedan darse de forma natural.

Por ejemplo: Los reactores CANDU lo consiguen utilizando agua rica en deuterio). Con un enriquecimiento del 3% o superior, en un yacimiento de uranio con una elevada concentración de uranio y con la presencia de agua se pueden dar de forma espontánea las condiciones para iniciar una reacción en fisión. Esas condiciones se dieron hace cerca de dos mil millones de años en varias de las menas del yacimiento de Oklo. En total se ha encontrado una veintena de reactores naturales de fisión en Oklo y en dos yacimientos próximos. Además de la anomalía isotópica en la relación U-235/U-238, la presencia de otros isotopos estables resultantes de la desintegración de productos de fisión y transuranidos ratificaban sin lugar a dudas que allí se habían producido reacciones automantenidas de fisión.

Una primera cuestión que se plantea es cómo se formó un yacimiento con una concentración de uranio tan alta. Como todos los elementos pesados, los isótopos del uranio se habían formado en supernovas. Durante el proceso de formación de la Tierra habrían acabado altamente diluidos en la corteza terrestre. La intensa actividad orogénica en Oklo fue depositando accidentalmente uranio en una capa de arenisca de hasta 1 km de anchura. Ésta estaba situada sobre capas de granito inclinadas 45º lo que favorecía la escorrentía del agua hacia el subsuelo profundo.

Hace dos mil millones de años la aparición de los primeros seres vivos – las algas azul verdosa – que utilizaban el proceso de fotosíntesis fue reduciendo el alto contenido de CO2, que hasta entonces tenía la atmosfera, e incrementando el de oxígeno. Esta alcanzó una concentración comparable a la actual. El oxígeno atrapado en el agua infiltrada favorecía la oxidación de los depósitos de uranio que de esta manera se hacían algo solubles y eran arrastrados hacia la superficie concentrándose en algunas zonas donde la ley del mineral llegó a alcanzar el 10%. En estas zonas las fisiones espontáneas de los isótopos de uranio proporcionaban los neutrones necesario inducir las reacciones de fisión. La presencia de las corrientes de agua subterránea favorecía que las reacciones en cadena persistiesen un tiempo hasta que el calor producido hacia hervir el agua. El vapor resultante se filtraba hacia fuera del mineral. Sin apenas agua y con el envenenamiento producido por los productos de fisión las reacciones se paraban hasta que el enfriamiento. La fuga de los productos de fisión y la presencia de nuevo de agua líquida reiniciaba el proceso. En cierto sentido el fenómeno es parecido al de los geiseres.

Se han realizado varios estudios del material depositado en Oklo, de los que se ha deducido que la potencia liberada era muy pequeña, del orden de 100 kilowatios, pero el ciclo se mantuvo por varios centenares de miles de años. Se calcula que en este periodo la energía total liberada fue de unos 130 millones de megawatios-hora.

Residuos nucleares almacenados durante millones de años

Otro hecho sorprendente es la extraordinaria capacidad del yacimiento para mantener retenida sustancias radiactivas por tiempo suficiente para que se conviertan en productos estables. Por ejemplo el fosfato de aluminio que rodea algunas de las menas de uranio, trascurrido dos mil millones de años aún mantiene atrapado un gas noble como es el xenón.

Esto puede ser de gran utilidad para el diseño de almacenamientos geológicos profundos donde almacenar los residuos de alta actividad de las centrales nucleares hasta que estos pierdan su radiactividad. Demuestra que la capacidad de retención de algunas formaciones geológicas permitiría perfectamente mantener confinado los productos de fisión y los transuranidos, como el plutonio 239, por millones de años, hasta que se desintegren la práctica totalidad de esos residuos radiactivos. Los yacimientos de Oklo permanecieron a una profundidad suficiente para estar suficientemente aislados durante cientos de millones de años. Sólo durante los últimos dos millones de años los movimientos orogénicos aproximaron al mineral de uranio lo suficiente a la superficie para permitir su explotación por los seres humanos.

Se suele creer que los residuos radiactivos de vida larga son los más peligrosos, yo siempre digo que ojala fuese más larga. Es así pues vida larga implica baja actividad por volumen, y como consecuencia una trasferencia a los alimentos baja, comparable a la que estos inevitablemente tienen de forma natural. Otra curiosidad: la fisión del uranio a la larga disminuirá la radiactividad en la superficie terrestre pues los productos de fisión tienen una vida más corta que la los isótopos del uranio.

Reacciones asombrosas

Hay otro aspecto sorprendente relacionado con el reactor de Oklo. Los diseñadores nucleares y los operadores de los reactores nucleares ponen especial cuidado en controlar el contenido de samario 149.   Este isotopo estable se produce a partir de la desintegración del producto de fisión neodimio 149. El samario 149 se comporta como un veneno neutrónico, es decir posee una alta probabilidad de capturar neutrones de cierta energía. El samario 149 al capturar un neutrón se trasforma en samario 150 que es estable. En 1976 el físico ruso A. Shlyakhter se dio cuenta de que la reacción de captura de un neutrón por el samario 149 se produce debido a una rara resonancia del núcleo. Las resonancias ocurren en fenómenos naturales (todos hemos visto cómo un robusto puente puede hacerse añicos al vibrar con una frecuencia determinada). Afortunadamente son infrecuentes, de otro modo viviríamos en un mundo completamente inestable.

En el caso de una reacción nuclear una resonancia se produce cuando la suma de las energías de los componentes que intervienen es próxima a un estado estable del isótopo resultante. Existe una conocida y milagrosa reacción de resonancia que explica por qué el carbono es tan abundante en el universo. El carbono posee un nivel energético a 7,667 MeV, que está ligeramente por encima de la suma de las energías de helio más berilio, que es de 7,367 MeV. Cuando la energía térmica del interior de la estrella se añade a la del helio más berilio se alcanza justamente la necesaria para formar carbono. Esta reacción es resonante produciendo ingentes cantidades de carbono, y es la razón por lo que la vida de las estrellas es tan prolongada. Una situación similar a la formación de carbono se da en la reacción la interacción del samario 149 con un neutrón. La energía resultante es casi exactamente la correspondiente al samario 150.

De no haber sido así el samario 149 raramente capturaría al neutrón y de hacerlo sería transformándose en un isótopo inestable. Shlyakhter se preguntó si estas condiciones también se daban hace 2000 millones de años. Esta reflexión es más profunda de lo que a primera vista pudiera parecer como se verá a continuación.

El modelo estándar (ME), conjuntamente con la teoría general de la relatividad (TGR), que explica la gravedad, utilizan unas veinte constantes fundamentales entre las que están: la velocidad de la luz (c), la constante de Planck (h), la carga del electrón (e), y la constante de gravitación universal (G).  Estas teorías utilizan las constantes fundamentales como datos de partida, es decir no las explican simplemente las toman como datos cuyos valores han sido determinados experimentalmente. Las predicciones de ambas teorías se ven reiteradamente confirmada por los datos empíricos. Si estas constantes tuviesen otros valores el universo nada tendría que ver con el que conocemos; por ejemplo: pequeñas modificaciones en alguna de estas contantes no permitirían impedirían que se formasen átomos estables.

El sueño de muchos físicos es construir una teoría más fundamental que integre el ME y la TGR. Un aspecto fundamente para construir esa TGU sería saber si estas constantes fundamentales son realmente constantes o si son parámetros que van variando muy lentamente con el tiempo. En este sentido los restos de las reacciones nucleares de Oklo pueden ser un laboratorio excepcional. Para ello retomemos la reacción que permite la formación del Sm 150. Como decíamos, esta es posible gracias a la presencia de la elevada sección eficaz que presenta el Sm 149 para la captura de los neutrones de determinadas energías. En el ME en el cálculo de las secciones eficaces aparece la denominada constante de estructura fina (α).

Esta constante es adimensional y se obtiene a partir de las constantes fundamentales e, h y c (en las unidades apropiadas α = e2/(h c)). Es decir, la sección eficaz de captura del Sm 149 y por consiguiente la tasa de captura neutrónica depende del valor de α. El valor de la constante de estructura fina es conocido con una precisión y exactitud extraordinaria [1/α = 137,035999070 (98)]. Si su valor en el pasado hubiese sido diferente al actual la tasa de producción de Sm 150 a partir del Sm 149 sería distinta a la que se produce en los reactores actuales. Medidas de gran precisión de la relación Sm 150/Sm 149 en las muestras de Oklo deberían permitir determinar el valor de α hace casi dos mil millones de años.

Sin embargo, hay un problema añadido: la sección eficaz del Sm 149 depende también de la temperatura en la que se produjeron las reacciones de fisión. Para ello es necesario simular con las características reales de las reacciones que se dieron en Oklo, y eso implica que hay que hacer suposiciones que puede no coincidir con la realidad. Las observaciones astronómicas procedentes de emisiones de hace miles de millones de años también son otras fuente de información sobre si estas constantes son constantes. Parece ser que si lo han sido o su cambio ha sido muy pequeño, pero sigue siendo un tema abierto.

¿Un reactor nuclear en el centro de la Tierra?

Probablemente con anterioridad a Oklo, se habían producido reactores similares, pues el enriquecimiento del uranio era considerablemente mayor, pero ha trascurrido demasiado tiempo como para que queden restos. Incluso hay una hipótesis según la cual en el centro del núcleo interior de la Tierra podría ser de uranio, incluso podrían haberse dado las condiciones para que esta hubiese comportado como un gigantesco reactor reproductor de fisión.

Esta hipótesis no es descabellada, el uranio metal es el elemento natural más pesado que existe, sustancialmente más que el oro y el plomo, y su mayor densidad habría favorecido que este se hubiese acumulado justo en el centro de la Tierra. Que esto haya sido así depende de las condiciones que se dieron en la formación de la Tierra: Si fue en condiciones de alta oxidación, como parece más probable, el uranio habría formado óxidos, sustancialmente menos denso que el uranio metal, no se habría acumulado en el centro pero si se hubiese formado en condiciones pobre en oxigeno habría ocurrido lo contrario. Hay propuestas que permitirían verificar si este hipotético reactor existe empleando detectores de neutrinos.