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Web El Patíbulo

jueves, septiembre 08, 2005

Cuando la Tierra imita al hombre...

Tradicionalmente, las grandes obras de la Ingeniería Civil, como puentes, ferrocarriles, carreteras… se han construído, considerando el tiempo como una variable a despreciar, o por lo menos a considerar solo muy ligeramente. Las técnicas de contrucción avanzan, y a la hora de hacer estas obras, se hacían y hacen pensando en que aguanten lo suficiente como para que sean rentables hasta que los nuevos medios de contrucción permitan hacer algo mejor. ¿Cuánto es esto? Como mucho unos mil años. Es indudable, que ningún ingeniero en su sano juicio, encargado del proyecto de contrucción de una autopista, se plantea el hecho de que quizás dentro de 25000 años entremos en una era glaciar y sobre esa autopista habrá glaciares.
Sin embargo, con el siglo XX surgió un nuevo tipo de reto ingenieril, y con él, un problema que hasta entonces no se había planteado. Con el advenimiento de la Era Atómica, llega una nueva forma de producir energía. Y como lastre a este avance, los residuos radiactivos. De esta manera nacen las llamadas Instalaciones de Almacenamiento Geológico Profundo (AGP´s).
Se llegó al convencimiento de que la forma más efectiva y menos peligrosa de almacenar estos residuos era su emplazamiento en formaciones geológicas profundas.
Sin embargo, como obras de ingeniería que son, las AGP´s plantean un problema: han de desempeñar su función durante lapsos dilatados de tiempo. Ya no se habla de siglos, ni de mil años. Si no, de decenas y cientos de miles de años, pues no hay que olvidar que son residuos de alta actividad. Por este motivo, se hace necesario un conocimiento del comportamiento de estos sistemas durante largos períodos de tiempo.
Para la contrucción de estos sistemas de Almacenamiento Profundo, una parte importante lo representa la modelización geoquímica, geológica… , las observaciones sobre el terreno y los estudios experimentales y ensayos de laboratorio.
Sin embargo, en todo este proceso de análisis y estudio, siempre quedan incertidumbres, huecos… que no se pueden resolver.
Por fortuna, por uno de esos extraños guiños de la naturaleza (o quizás porque la Tierra es más buena de lo que habitualmente pensamos, a pesar del poco respeto que le procesamos), han existido fenómenos y casos naturales, que han funcionado durante escalas de tiempo considerables, que son análogos al problema de ingenieria que se nos plantea, y cuyo estudio puede proporcionar una preciosa, valiosa y excepcional información. Tales casos, se conocen como Análogos naturales.
Vamos a un caso paradigmático.

EL CASO DE OKLO: YA UN CLÁSICO

Comenzemos describiendo de manera sucinta en qué consiste una central nuclear.
La parte más importante de una central nuclear lo constituye el reactor; el reactor, está formado por los siguientes componentes:
- El combustible: Normalmente Uranio. Es el encargado de producir energía, mediante el proceso de fisiíon nuclear, que consiste en la “rotura” de los núcleos atómicos en otros más ligeros. En este proceso se desprenden neutrones, partículas subatómicas que se mueven a gran velocidad, y que se emplean para “romper” otros átomos de uranio (en estas nuevas “rupturas”, se “desprenden” nuevos neutrones que se emplean para “romper” otros átomos,… y así sucesivamente en un proceso que se conoce como reacción en cadena).
- El moderador: La probabilidad de que los procesos de fisión tengan lugar de manera continuada, y pueda así tener lugar la reacción en cadena, aumenta al disminuir la velocidad de los neutrones. Por ello, los reactores nucleares incorporan algún sistema formado por un compuesto químico determinado, como barras de grafito u otro material ligero, o agua pesada (agua cuyas moléculas poseen un isótopo del hidrógeno que se conoce como deuterio), cuya misión es “frenar” a los neutrones. El empleo del moderador, hace que se hable de reactores nucleares de neutrones lentos (existe otra modalidad, el reactor nuclear de neutrones rápidos, en el que en lugar de emplear un moderador, se enriquece la muestra en núcleos capaces de experimentar fisión).
- Un controlador: Normalmente consisten en barras de algún material absorbente de neutrones, como boro o cadmio, y permiten controlar el desarrollo de la reacción nuclear al actuar sobre el “número” de neutrones. Si los neutrones superan un número crítico, la reacción en cadena tendría lugar de forma descontrolada, la liberación de energía sería descomunal, e inexorablemente, el reactor nuclear explosionaría. De este elemento, depende, por tanto, la seguridad del reactor nuclear.
- Un refrigerante: El encargado de extraer la energía liberada en forma de calor durante la fisión, que puede ser gas carbónico a presión, agua pesada, agua ordinaria o sodio líquido.

Ahora hagamos unas consideraciones sobre el combustible, el uranio. El uranio en estado natural aparece en forma de 3 isótopos, de los cuales aquí vamos a considerar dos, el Uranio-238 (el isótopo más abundante), y el Uranio-235. El isótopo 235 es un isótopo que se dice “muy fisionable”: cuando se somete a la acción de neutrones, se “rompe” (en realidad, se debe decir se fisiona) en 2 núcleos más ligeros al tiempo que emite 2,5 neutrones (en término medio). El isótopo 238, por el contrario, absorbe muchos neutrones sin experimentar el proceso de fisión. Por este motivo, en una masa de uranio en que solo hubiese 238 (o muy poco de 235, como sucede en el Uranio natural), una vez iniciada la reacción de fisión, esta acabaría deteniéndose por si sola al poco tiempo, puesto que los neutrones (necesarios como hemos visto, para que tenga lugar la reacción en cadena) producidos en la fisión no sería suficientes para compensar las perdidas por absorción y fugas del sistema (algunos neutrones rebeldes, se escapan). Esto explica que a la relación Uranio 235/Uranio 238 se le llame enriquecimiento, y a una masa de Uranio en que haya un porcentaje elevado de Uranio-235 se le dice que está enriquecida.
En la naturaleza, el enriquecimiento es del 0,72 % (hay 0,72 átomos del isótopo 235 por cada 100 del 238, o lo que es lo mismo, hay aproximadamente 2 núcleos de 235 por cada 300 de 238), y este valor es insuficiente para que la reacción de fisión pueda propagarse.(Más adelante veremos, como este porcentaje no ha permanecido, ni mucho menos, constante a lo largo de los tiempos geológicos.)
A causa de ésto, en las centrales nucleares se hace preciso enriquecer el combustible en uranio 235, hasta valores, que en el caso de las centrales nucleares de neutrones lentos llegan al 3% (y en las de neutrones rápidos pueden llegar al 15%). Las bombas atómicas, por su parte, emplean masas de Uranio 235 prácticamente puro, con la consiguiente liberación descomunal de energía (uranio muy enriquecido).
Una cuestión que se hace importante para poder entender luego el caso Oklo será la siguiente ¿Cómo se presenta el Uranio en estado natural?
El uranio muestra una gran afinidad para con el oxígeno y con iones disueltos en el agua, formando sales complejas muy solubles en el agua, lo que le confiere una gran movilidad desde un punto de vista geoquímico (lo que ya plantea un primer problema para las AGP´s, pues en estas instalaciones lo que interesa es que su movilidad sea reducida). Sin embargo, en condiciones reductoras estos compuestos se reducen, apareciendo el compuesto reducido y más importante (en cuanto a abundancia y a cuestiones de extracción) del uranio, la uraninita o pechblenda (dióxido de uranio, UO2). Y este compuesto, es insoluble. Es importante retener esta característica química (la insolubilidad, se entiende) pues será importante desde un punto de vista geológico a la hora de comprender la dinámica de formación de los yacimientos de uranio.

Ya es hora de ir al fondo de la cuestión. Muchos detractores de la energía nuclear, se sorprenderían si leen la siguiente afirmación: la primera central nuclear de la historia, funcionó hace 2000 millones de años. No, no hablo de astronautas de la antigüedad, de civilizaciones perdidas ni de extraterrestres que visitasen la Tierra en el Precámbrico. Voy a tratar de explicarme.

Volvamos al tema del enriqucimiento. Hemos dicho que su valor en estado natural es del 0,72%. Sin embargo, debido a sus particularidades respectivas, el Uranio 235 se fisiona más rápidamente que el Uranio 238. Debido a ello, el valor del enriquecimiento habrá ido descendiendo conforme transcurriesen los tiempos geológicos. Así en el momento de formación de la Tierra, hace 4500 millones de años, su valor era de un 22%, y hace 2000 millones de años (que como veremos, es la fecha que nos va a interesar) era de un 3,6%.
En base a esto, en los años 50s, los ingleses Wetherill e Inghram por un lado, y por otro el norteamericano Kuroda, sugirieron la posibilidad de que hace 1000- 2000 millones de años, en los depósitos de uranio se pudieron haber dado las condiciones naturales como para que hubiese podido tener lugar el proceso de fisión nuclear. Para ello tendría que cumplirse la condición de que en estos depósitos, la ganga (en un yacimiento mineral, los materiales estériles que acompañan al mineral útil) no estuviese compuesta por elementos absorbentes de neutrones, tales como el Boro.
En el año 1972, Naudet y Hageman, dos científicos de la Comisión de Energía Atómica de Francia que estaban trabajando en África, se encontraron con que el producto que la compañía minera Franceville extraía de una mina de Gabón, la mina de Oklo, tenía un contenido demasiado bajo en Uranio-235 (del 0,3%). Tras el estudio exhaustivo de este descubrimiento extraordinario, se llegó al convencimiento de que hace 2000 millones de años, este sistema geológico estuvo funcionando como un reactor nuclear.
La erosión por corrientes fluviales de las áreas vecinas, enriqueció el agua en uranio. Cuando estos fluídos se encontraron con condiciones reductoras, los complejos de uranio se redujeron a UO2, insoluble, precipitando y formándose el depósito de Uranio. Esto tuvo lugar sobre un basamento granítico, un cratón, las cuales son áreas geológicamene muy estables. En este contexto, además, la ganga estaba compuesta fundamentalmente por O, Si, Al, K, Fe y Mg, elementos poco absorbentes de neutrones y asimismo, el agua que circulaba sobre el sistema pudo desempeñar el papel de moderador. Vemos, por tanto, como hace 2000 millones de años, en este caso, se reunieron las condiciones adecuadas para que tuviese lugar la reacción en cadena de fisión nuclear: una sustancia, el agua, que actuo como moderadora, y que debido a sus propiedades algo absorbentes, también desempeñó el papel de controladora; la ausencia de elementos químicos muy absorbentes en la ganga; y el hecho de que se desarrollase en un área geológica estable permitió que tanto el uranio como los productos de reacción no se viesen sometidos a procesos importantes de movilidad, permietiendo que se conservasen en el lugar de formación, llegando incluso hasta nuestros días (¡eso después de 2000 millones de años!).
El estudio exhaustivo sobre el terreno reveló que hubo un total de 16 focos en los que se alcanzó la masa crítica de pechblenda (la masa mínima necesaria que tiene el contenido suficiente de neutrones para que tenga lugar la reacción en cadena), en los que tuvo lugar la reacción de fisión, y que el sistema estuvo funcionando como un reactor durante unos 500.000 años.
Los valores tan bajos de Uranio 235 se explicaron como debido a que fueron extraídos por la reacción en cadena. Como apoyo a esta idea está el hecho de que alli se encontraron en porcentajes similares (haciendo la consideración del tiempo transcurrido) a las centrales nucleares, compuestos muy extraños en estado natural, así como proporciones isotópicas (como la del Neodimio) infrecuentes en condiciones naturales.
Se ha señalado, aunque no se le ha prestado mucha atención, que probablemente haya habido muchos más sistemas como éste, máxime si tenemos en cuenta que para edades superiores a 2500 millones de años, las condiciones generales de la atmósfera terrestre eran reductoras (lo que explica que la gran mayoría de yacimientos de pechblenda tengan esa edad) y que los valores de enriquecimiento eran más que significativos.

El caso de Oklo constituye, por tanto, como modelo de referencia a la hora de escoger y estudiar un emplazamiento en el que alojar productos de alta actividad, para los que es muy importante que la movilidad sea reducida. Casos como éste, o el de Cygar Lake (Canadá), donde un recubrimiento de arcillas impide que el uranio llegue a las aguas de superficie (a pesar de tratarse de uno de los yacimientos de Uranio más ricos del mundo) o el caso similar de Morro do Ferro (en Brasil), constituyen excelentes ejemplos de análogos naturales en los que buscar respuestas a problemas que se plantean a la hora de instalar AGP´s.
El caso de Oklo, en su excepcionalidad, ha recibido la atención por parte de los Físicos, pues se está tratando de buscar en él la respuesta a la pregunta sobre si las constantes físicas, como la velocidad de la luz, han permanecido constantes a lo largo de la historia del Universo.

Espero que haya resultado atractiva esta presentación del asombroso mundo de los análogos naturales. Hasta otra.