{"id":6248,"date":"2016-03-16T08:11:36","date_gmt":"2016-03-16T08:11:36","guid":{"rendered":"https:\/\/wp.rinconeducativo.org\/?recursos=el-uranio-un-elemento-que-mantiene-la-vida-en-la-tierra"},"modified":"2024-12-13T12:47:56","modified_gmt":"2024-12-13T11:47:56","slug":"uranio-elemento-mantiene-vida-tierra","status":"publish","type":"re_recurso","link":"https:\/\/rinconeducativo.org\/es\/recursos-educativos\/uranio-elemento-mantiene-vida-tierra\/","title":{"rendered":"El uranio, un elemento que mantiene la vida en la Tierra"},"content":{"rendered":"\n
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La desintegraci\u00f3n de los is\u00f3topos 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 magn\u00e9tico, imprescindible para mantener la vida en el planeta.<\/p>\n\n\n\n

El uranio natural en el pasado lejano ten\u00eda un enriquecimiento superior al que en la actualidad se utiliza en los reactores nucleares. Se conservan restos inequ\u00edvocos de que existieron centrales nucleares naturales hace dos mil millones de a\u00f1os, su estudio puede tener implicaciones importantes en la b\u00fasqueda de una teor\u00eda general m\u00e1s all\u00e1 del modelo est\u00e1ndar. Aunque improbable, el centro del n\u00facleo interno de la Tierra podr\u00eda ser de uranio, su verificaci\u00f3n aportar\u00eda nuevas pruebas sobre las condiciones que se dieron en la formaci\u00f3n del sistema solar.<\/p>\n\n\n\n

El calor que viene de interior de la Tierra<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

A partir de unos centenares de metros al penetrar en la corteza terrestre se observa un incremento constante de la temperatura. Hay minas subterr\u00e1neas en la que se superan los 40\u00ba 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 \u00b1 1,0\u2009Terawatios (TW). Parte tiene su origen en el calor residual que a\u00fan se conserva de los impactos de planetes\u00edmales, incluso de las prototierras, que dar\u00edan lugar a nuestro planeta.<\/p>\n\n\n\n

Pero esta causa explicar\u00eda como mucho la mitad del flujo medido, la otra mitad procede de la desintegraci\u00f3n de is\u00f3topos radiactivos existentes en la Tierra, restos de la supernova que origin\u00f3 nuestro sistema solar hace unos 4,6 eones. En la nube de la que surgir\u00eda el sistema solar, y otras estrellas hermanas, la mayor parte de los elementos estar\u00edan formados por is\u00f3topos radiactivos, pero solo persisten los que ten\u00edan vidas muy largas: U238, Th232, U235 y K40, y sus descendientes, el resto se desintegr\u00f3 para formar is\u00f3topos estables. Estos is\u00f3topos se desintegran emitiendo part\u00edculas alfa, beta y gammas que al ser absorbidas en el medio originan calor.<\/p>\n\n\n\n

En el proceso de desintegraci\u00f3n se emiten adem\u00e1s antineutrinos, su medida, realizada combinando los detectores Kamioka Liquid-Scintillator (Jap\u00f3n) y Borexino (Italia), ha permitido estimar que las cadenas de desintegraci\u00f3n del U238 y Th232 explican el 20,0 \u00b1 8,7\u2009TW del calor interno emitido por la Tierra. Sin este calor, la temperatura superficial del planeta ser\u00eda unos grados menos que la que tiene. Adem\u00e1s, no existir\u00eda el campo magn\u00e9tico que nos protege de las radiaciones c\u00f3smicas, 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 a\u00f1os era mucho m\u00e1s densa, pero el viento solar, a falta de un campo magn\u00e9tico, la fue eliminando). Sin la radiactividad del uranio no estar\u00edamos aqu\u00ed.<\/p>\n\n\n\n

Reactores nucleares hace miles de millones de a\u00f1os<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Se suele creer que el empleo de uranio en las centrales nucleares es un producto plenamente humano, realmente lo que Fermi realiz\u00f3 es replicar un proceso que en la Tierra se hab\u00eda producido de forma natural hace miles de millones de a\u00f1os.<\/p>\n\n\n\n

En la planta francesa de enriquecimiento de Pierrelatte, en mayo de 1972, el analista qued\u00f3 estupefacto al comprobar que el espectr\u00f3metro de masas indicaba un contenido de 0,717% \u00e1tomos de U-235 en una muestra de uranio natural.<\/p>\n\n\n

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Los resultados de miles de an\u00e1lisis en uranio natural en todas las partes del mundo mostraban que la fracci\u00f3n de \u00e1tomos de U-235 en el total de uranio era siempre 0,720% (que expresado en porcentaje en peso equivale a 0,711%). Incluso los an\u00e1lisis de las rocas lunares y de meteoritos daban siempre ese contenido del is\u00f3topo U-235. La discrepancia era peque\u00f1a pero Pierrelatte era una instalaci\u00f3n militar donde se contabilizaba rigurosamente el material nuclear. El Comisariado de Energ\u00eda At\u00f3mica franc\u00e9s inici\u00f3 una investigaci\u00f3n. Se encontr\u00f3 que se trataba de uranio que proced\u00eda de la mina de Oklo, situada en sudeste de Gab\u00f3n (\u00c1frica). An\u00e1lisis de muestras del mismo lugar mostraron incluso una concentraci\u00f3n de U-235 menor. En una de ellas el contenido de U-235 era de s\u00f3lo el 0,44%.<\/p>\n\n\n\n

La cuesti\u00f3n que se planteaba era c\u00f3mo pod\u00eda explicarse semejante anomal\u00eda. Tras descartar distintas hip\u00f3tesis se lleg\u00f3 a una explicaci\u00f3n aparentemente descabellada: En los yacimientos de Oklo uno o varios reactores nucleares naturales hab\u00eda funcionado hac\u00eda casi dos mil millones de a\u00f1os donde se hab\u00eda consumido el U235..<\/p>\n\n\n\n

La posibilidad de que hubiera reactores naturales hace miles de millones de a\u00f1os en yacimientos de uranio hab\u00eda sido predicha a mediados del siglo XX. Visto con retrospectiva, como veremos, la existencia de procesos de fisi\u00f3n automantenida en el pasado lejano de la Tierra parec\u00eda casi inevitable:<\/p>\n\n\n\n

El uranio est\u00e1 compuesto por dos is\u00f3topos U238 y U235, en la actualidad el 99,27% es U238, 0,72% U235, tambi\u00e9n contiene U234 pero este es un producto de desintegraci\u00f3n de la cadena del U238 (hay trazas de otros is\u00f3topos del uranio pero es irrelevante para lo que sigue). El U238 y U235 se desintegran con enorme lentitud, pero el U235 lo hace con m\u00e1s rapidez que el U238. Como consecuencia la proporci\u00f3n en el pasado de U235 era considerablemente m\u00e1s alta que en la actualidad. Es f\u00e1cil calcular a partir del semiperiodo de desintegraci\u00f3n del U-238, 4468 millones de a\u00f1os, y del U235, 704 millones de a\u00f1os que cuando se form\u00f3 la Tierra, hace unos 4,5 mil millones de a\u00f1os, el uranio natural ten\u00eda un 17% de U-235 y hace dos mil millones de a\u00f1os el 3% (Con uranio natural a\u00fan hoy en d\u00eda se puede hacer un reactor nuclear, sin embargo se requieren condiciones tan especiales que no es cre\u00edble que puedan darse de forma natural.<\/p>\n\n\n

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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 concentraci\u00f3n de uranio y con la presencia de agua se pueden dar de forma espont\u00e1nea las condiciones para iniciar una reacci\u00f3n en fisi\u00f3n. Esas condiciones se dieron hace cerca de dos mil millones de a\u00f1os en varias de las menas del yacimiento de Oklo. En total se ha encontrado una veintena de reactores naturales de fisi\u00f3n en Oklo y en dos yacimientos pr\u00f3ximos. Adem\u00e1s de la anomal\u00eda isot\u00f3pica en la relaci\u00f3n U-235\/U-238, la presencia de otros isotopos estables resultantes de la desintegraci\u00f3n de productos de fisi\u00f3n y transuranidos ratificaban sin lugar a dudas que all\u00ed se hab\u00edan producido reacciones automantenidas de fisi\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

Una primera cuesti\u00f3n que se plantea es c\u00f3mo se form\u00f3 un yacimiento con una concentraci\u00f3n de uranio tan alta. Como todos los elementos pesados, los is\u00f3topos del uranio se hab\u00edan formado en supernovas. Durante el proceso de formaci\u00f3n de la Tierra habr\u00edan acabado altamente diluidos en la corteza terrestre. La intensa actividad orog\u00e9nica en Oklo fue depositando accidentalmente uranio en una capa de arenisca de hasta 1 km de anchura. \u00c9sta estaba situada sobre capas de granito inclinadas 45\u00ba lo que favorec\u00eda la escorrent\u00eda del agua hacia el subsuelo profundo.<\/p>\n\n\n\n

Hace dos mil millones de a\u00f1os la aparici\u00f3n de los primeros seres vivos \u2013 las algas azul verdosa \u2013 que utilizaban el proceso de fotos\u00edntesis fue reduciendo el alto contenido de CO2, que hasta entonces ten\u00eda la atmosfera, e incrementando el de ox\u00edgeno. Esta alcanz\u00f3 una concentraci\u00f3n comparable a la actual. El ox\u00edgeno atrapado en el agua infiltrada favorec\u00eda la oxidaci\u00f3n de los dep\u00f3sitos de uranio que de esta manera se hac\u00edan algo solubles y eran arrastrados hacia la superficie concentr\u00e1ndose en algunas zonas donde la ley del mineral lleg\u00f3 a alcanzar el 10%. En estas zonas las fisiones espont\u00e1neas de los is\u00f3topos de uranio proporcionaban los neutrones necesario inducir las reacciones de fisi\u00f3n. La presencia de las corrientes de agua subterr\u00e1nea favorec\u00eda 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 fisi\u00f3n las reacciones se paraban hasta que el enfriamiento. La fuga de los productos de fisi\u00f3n y la presencia de nuevo de agua l\u00edquida reiniciaba el proceso. En cierto sentido el fen\u00f3meno es parecido al de los geiseres.<\/p>\n\n\n\n

Se han realizado varios estudios del material depositado en Oklo, de los que se ha deducido que la potencia liberada era muy peque\u00f1a, del orden de 100 kilowatios, pero el ciclo se mantuvo por varios centenares de miles de a\u00f1os. Se calcula que en este periodo la energ\u00eda total liberada fue de unos 130 millones de megawatios-hora.<\/p>\n\n\n\n

Residuos nucleares almacenados durante millones de a\u00f1os<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

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 a\u00f1os a\u00fan mantiene atrapado un gas noble como es el xen\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

Esto puede ser de gran utilidad para el dise\u00f1o de almacenamientos geol\u00f3gicos profundos donde almacenar los residuos de alta actividad de las centrales nucleares hasta que estos pierdan su radiactividad. Demuestra que la capacidad de retenci\u00f3n de algunas formaciones geol\u00f3gicas permitir\u00eda perfectamente mantener confinado los productos de fisi\u00f3n y los transuranidos, como el plutonio 239, por millones de a\u00f1os, hasta que se desintegren la pr\u00e1ctica totalidad de esos residuos radiactivos. Los yacimientos de Oklo permanecieron a una profundidad suficiente para estar suficientemente aislados durante cientos de millones de a\u00f1os. S\u00f3lo durante los \u00faltimos dos millones de a\u00f1os los movimientos orog\u00e9nicos aproximaron al mineral de uranio lo suficiente a la superficie para permitir su explotaci\u00f3n por los seres humanos.<\/p>\n\n\n\n

Se suele creer que los residuos radiactivos de vida larga son los m\u00e1s peligrosos, yo siempre digo que ojala fuese m\u00e1s larga. Es as\u00ed 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 fisi\u00f3n del uranio a la larga disminuir\u00e1 la radiactividad en la superficie terrestre pues los productos de fisi\u00f3n tienen una vida m\u00e1s corta que la los is\u00f3topos del uranio.<\/p>\n\n\n\n

Reacciones asombrosas<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Hay otro aspecto sorprendente relacionado con el reactor de Oklo. Los dise\u00f1adores 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 desintegraci\u00f3n del producto de fisi\u00f3n neodimio 149. El samario 149 se comporta como un veneno neutr\u00f3nico, es decir posee una alta probabilidad de capturar neutrones de cierta energ\u00eda. El samario 149 al capturar un neutr\u00f3n se trasforma en samario 150 que es estable. En 1976 el f\u00edsico ruso A. Shlyakhter se dio cuenta de que la reacci\u00f3n de captura de un neutr\u00f3n por el samario 149 se produce debido a una rara resonancia del n\u00facleo. Las resonancias ocurren en fen\u00f3menos naturales (todos hemos visto c\u00f3mo un robusto puente puede hacerse a\u00f1icos al vibrar con una frecuencia determinada). Afortunadamente son infrecuentes, de otro modo vivir\u00edamos en un mundo completamente inestable.<\/p>\n\n\n

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En el caso de una reacci\u00f3n nuclear una resonancia se produce cuando la suma de las energ\u00edas de los componentes que intervienen es pr\u00f3xima a un estado estable del is\u00f3topo resultante. Existe una conocida y milagrosa reacci\u00f3n de resonancia que explica por qu\u00e9 el carbono es tan abundante en el universo. El carbono posee un nivel energ\u00e9tico a 7,667 MeV, que est\u00e1 ligeramente por encima de la suma de las energ\u00edas de helio m\u00e1s berilio, que es de 7,367 MeV. Cuando la energ\u00eda t\u00e9rmica del interior de la estrella se a\u00f1ade a la del helio m\u00e1s berilio se alcanza justamente la necesaria para formar carbono. Esta reacci\u00f3n es resonante produciendo ingentes cantidades de carbono, y es la raz\u00f3n por lo que la vida de las estrellas es tan prolongada. Una situaci\u00f3n similar a la formaci\u00f3n de carbono se da en la reacci\u00f3n la interacci\u00f3n del samario 149 con un neutr\u00f3n. La energ\u00eda resultante es casi exactamente la correspondiente al samario 150.<\/p>\n\n\n\n

De no haber sido as\u00ed el samario 149 raramente capturar\u00eda al neutr\u00f3n y de hacerlo ser\u00eda transform\u00e1ndose en un is\u00f3topo inestable. Shlyakhter se pregunt\u00f3 si estas condiciones tambi\u00e9n se daban hace 2000 millones de a\u00f1os. Esta reflexi\u00f3n es m\u00e1s profunda de lo que a primera vista pudiera parecer como se ver\u00e1 a continuaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

El modelo est\u00e1ndar (ME), conjuntamente con la teor\u00eda general de la relatividad (TGR), que explica la gravedad, utilizan unas veinte constantes fundamentales entre las que est\u00e1n: la velocidad de la luz (c), la constante de Planck (h), la carga del electr\u00f3n (e), y la constante de gravitaci\u00f3n universal (G).  Estas teor\u00edas 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 teor\u00edas se ven reiteradamente confirmada por los datos emp\u00edricos. Si estas constantes tuviesen otros valores el universo nada tendr\u00eda que ver con el que conocemos; por ejemplo: peque\u00f1as modificaciones en alguna de estas contantes no permitir\u00edan impedir\u00edan que se formasen \u00e1tomos estables.<\/p>\n\n\n\n

El sue\u00f1o de muchos f\u00edsicos es construir una teor\u00eda m\u00e1s fundamental que integre el ME y la TGR. Un aspecto fundamente para construir esa TGU ser\u00eda saber si estas constantes fundamentales son realmente constantes o si son par\u00e1metros 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 reacci\u00f3n que permite la formaci\u00f3n del Sm 150. Como dec\u00edamos, esta es posible gracias a la presencia de la elevada secci\u00f3n eficaz que presenta el Sm 149 para la captura de los neutrones de determinadas energ\u00edas. En el ME en el c\u00e1lculo de las secciones eficaces aparece la denominada constante de estructura fina (\u03b1).<\/p>\n\n\n\n

Esta constante es adimensional y se obtiene a partir de las constantes fundamentales e, h y c (en las unidades apropiadas \u03b1 = e2\/(h c)). Es decir, la secci\u00f3n eficaz de captura del Sm 149 y por consiguiente la tasa de captura neutr\u00f3nica depende del valor de \u03b1. El valor de la constante de estructura fina es conocido con una precisi\u00f3n y exactitud extraordinaria [1\/\u03b1 = 137,035999070 (98)]. Si su valor en el pasado hubiese sido diferente al actual la tasa de producci\u00f3n de Sm 150 a partir del Sm 149 ser\u00eda distinta a la que se produce en los reactores actuales. Medidas de gran precisi\u00f3n de la relaci\u00f3n Sm 150\/Sm 149 en las muestras de Oklo deber\u00edan permitir determinar el valor de \u03b1 hace casi dos mil millones de a\u00f1os.<\/p>\n\n\n\n

Sin embargo, hay un problema a\u00f1adido: la secci\u00f3n eficaz del Sm 149 depende tambi\u00e9n de la temperatura en la que se produjeron las reacciones de fisi\u00f3n. Para ello es necesario simular con las caracter\u00edsticas 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 astron\u00f3micas procedentes de emisiones de hace miles de millones de a\u00f1os tambi\u00e9n son otras fuente de informaci\u00f3n sobre si estas constantes son constantes. Parece ser que si lo han sido o su cambio ha sido muy peque\u00f1o, pero sigue siendo un tema abierto.<\/p>\n\n\n\n

\u00bfUn reactor nuclear en el centro de la Tierra?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Probablemente con anterioridad a Oklo, se hab\u00edan producido reactores similares, pues el enriquecimiento del uranio era considerablemente mayor, pero ha trascurrido demasiado tiempo como para que queden restos. Incluso hay una hip\u00f3tesis seg\u00fan la cual en el centro del n\u00facleo interior de la Tierra podr\u00eda ser de uranio, incluso podr\u00edan haberse dado las condiciones para que esta hubiese comportado como un gigantesco reactor reproductor de fisi\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

Esta hip\u00f3tesis no es descabellada, el uranio metal es el elemento natural m\u00e1s pesado que existe, sustancialmente m\u00e1s que el oro y el plomo, y su mayor densidad habr\u00eda favorecido que este se hubiese acumulado justo en el centro de la Tierra. Que esto haya sido as\u00ed depende de las condiciones que se dieron en la formaci\u00f3n de la Tierra: Si fue en condiciones de alta oxidaci\u00f3n, como parece m\u00e1s probable, el uranio habr\u00eda formado \u00f3xidos, sustancialmente menos denso que el uranio metal, no se habr\u00eda acumulado en el centro pero si se hubiese formado en condiciones pobre en oxigeno habr\u00eda ocurrido lo contrario. Hay propuestas que permitir\u00edan verificar si este hipot\u00e9tico reactor existe empleando detectores de neutrinos.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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