Un reactor de fisión nuclear natural es un depósito de uranio donde ocurren reacciones nucleares en cadena autosostenidas . La idea de un reactor nuclear existente in situ dentro de un cuerpo mineral moderado por agua subterránea fue explorada brevemente por Paul Kuroda en 1956. [1] La existencia de un reactor de fisión nuclear extinto o fósil , donde han ocurrido reacciones nucleares autosostenidas en el pasado, se establece mediante el análisis de las proporciones isotópicas del uranio y de los productos de fisión (y los nucleidos hijos estables de esos productos de fisión). El primer reactor fósil de este tipo fue descubierto por primera vez en 1972 en Oklo , Gabón, por investigadores de la Comisión de Energía Atómica y Energías Alternativas de Francia (CEA) cuando los químicos que realizaban el control de calidad para la industria nuclear francesa notaron fuertes disminuciones de los materiales fisionables. 235
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en uranio gaseoso elaborado a partir de mineral de Gabón.
Oklo es el único lugar donde se sabe que ocurrió este fenómeno, y consta de 16 sitios con parches de capas de mineral de tamaño centimétrico. Allí, se cree que tuvieron lugar reacciones de fisión nuclear autosostenidas hace aproximadamente 1.700 millones de años, durante el período Estatiario del Paleoproterozoico . La fisión en el mineral de Oklo continuó intermitentemente durante unos cientos de miles de años y probablemente nunca superó los 100 kW de potencia térmica. [2] [3] [4] La vida en la Tierra en este momento consistía principalmente en algas marinas y los primeros eucariotas , que vivían bajo una atmósfera de oxígeno del 2% . Sin embargo, incluso este escaso oxígeno probablemente fue esencial para la concentración de uranio en cuerpos de mineral fisionables, ya que el uranio se disuelve en agua solo en presencia de oxígeno. Antes de la producción de oxígeno a escala planetaria por los primeros fotosintetizadores, no se cree que los reactores nucleares naturales moderados por aguas subterráneas hayan sido posibles. [4]
En mayo de 1972, en el sitio de enriquecimiento de uranio de Tricastin en Pierrelatte, Francia, la espectrometría de masas de rutina que comparaba muestras de UF6 de la mina Oklo mostró una discrepancia en la cantidad de235
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isótopo. Donde las concentraciones habituales de235
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eran 0,72% las muestras de Oklo mostraron solo 0,60%. Esta fue una diferencia significativa: las muestras tenían un 17% menos235
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[5] Esta discrepancia requería una explicación, ya que todas las instalaciones de manipulación de uranio civil deben contabilizar meticulosamente todos los isótopos fisionables para garantizar que ninguno se desvíe hacia la construcción de armas nucleares no autorizadas . Además, como el material fisionable es la razón principal para la extracción de uranio, el 17% faltante también era una preocupación económica directa.
La Comisión de Energía Atómica y Energías Alternativas (CEA) francesa inició una investigación. Una serie de mediciones de las abundancias relativas de los dos isótopos más importantes del uranio extraído en Oklo arrojó resultados anómalos en comparación con los obtenidos para el uranio de otras minas. Investigaciones posteriores en este depósito de uranio descubrieron mineral de uranio con una235
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concentración tan baja como 0,44% (casi 40% por debajo del valor normal). El examen posterior de isótopos de productos de fisión como el neodimio y el rutenio también mostró anomalías, como se describe con más detalle a continuación. Sin embargo, el radioisótopo traza 234
El uranio no se desvió significativamente en su concentración de otras muestras naturales. Tanto el uranio empobrecido como el uranio reprocesado generalmente tendrán234
Concentraciones de U significativamente diferentes del equilibrio secular de 55 ppm 234
U relativo a238
U. Esto se debe a234
U enriqueciéndose junto con235
U y debido a que se consume por captura de neutrones y se produce a partir de235
U por reacciones (n,2n) inducidas por neutrones rápidos en reactores nucleares. En Oklo, cualquier posible desviación de234
La concentración de U presente en el momento en que el reactor estuvo activo se habría desintegrado hace mucho tiempo.236
El U también debe haber estado presente en proporciones más altas de lo habitual durante el tiempo en que el reactor estuvo en funcionamiento, pero debido a su vida media de2,348 × 10 7 años, casi dos órdenes de magnitud más corto que el tiempo transcurrido desde que el reactor funcionó, se ha desintegrado aproximadamente1,4 × 10 −22 su valor original y por lo tanto básicamente nada y por debajo de cualquier capacidad de detección de los equipos actuales.
Esta pérdida en235
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Esto es exactamente lo que ocurre en un reactor nuclear. Una posible explicación fue que el mineral de uranio había funcionado como un reactor de fisión natural en un pasado geológico lejano. Otras observaciones llevaron a la misma conclusión y el 25 de septiembre de 1972 la CEA anunció su hallazgo de que hace unos 2.000 millones de años se habían producido reacciones nucleares en cadena autosostenidas en la Tierra. Más tarde se descubrieron otros reactores de fisión nuclear naturales en la región. [4]
El neodimio encontrado en Oklo tiene una composición isotópica diferente a la del neodimio natural: este último contiene un 27%142
Dakota del Norte
, mientras que el de Oklo contiene menos del 6%.142
Dakota del Norte
no se produce por fisión; el mineral contiene neodimio tanto producido por fisión como natural.142
Dakota del Norte
contenido, podemos restar el neodimio natural y obtener acceso a la composición isotópica del neodimio producido por la fisión de235
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Los dos isótopos143
Dakota del Norte
y145
Dakota del Norte
conducen a la formación de144
Dakota del Norte
y146
Dakota del Norte
por captura de neutrones. Este exceso debe corregirse (ver arriba) para obtener una concordancia entre esta composición isotópica corregida y la deducida a partir de los rendimientos de fisión.
Investigaciones similares sobre las proporciones isotópicas del rutenio en Oklo encontraron una relación mucho más alta.99
Ru
concentración que la que se produce de forma natural (27-30% frente a 12,7%). Esta anomalía podría explicarse por la descomposición de99Tca99
Ru
En el gráfico de barras, la firma isotópica natural normal del rutenio se compara con la del producto de fisión rutenio, que es el resultado de la fisión de235
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con neutrones térmicos. El rutenio de fisión tiene una firma isotópica diferente. El nivel de100
Ru
en la mezcla de productos de fisión es baja porque la fisión produce isótopos ricos en neutrones que posteriormente se desintegran en beta y100
Ru
Sólo se produciría en cantidades apreciables mediante la doble desintegración beta de los elementos de vida muy larga (vida media).7,1 × 10 18 años) isótopo de molibdeno100
Mo. En la escala de tiempo en que los reactores estaban en funcionamiento, muy poco (aproximadamente 0,17 ppb ) se desintegra en100
Ru
se habrán producido otras vías de100
Producción de Ru como captura de neutrones en99
Ru o99
La desintegración Tc (seguida rápidamente por la desintegración beta) sólo pudo haber ocurrido durante un alto flujo de neutrones y, por lo tanto, cesó cuando se detuvo la reacción en cadena de fisión.
El reactor nuclear natural de Oklo se formó cuando un depósito mineral rico en uranio se inundó con agua subterránea , que podría actuar como moderador de los neutrones producidos por la fisión nuclear. Se produjo una reacción en cadena , que produjo calor que hizo que el agua subterránea se evaporara; sin embargo, sin un moderador que pudiera ralentizar los neutrones, la reacción se ralentizó o se detuvo. Por lo tanto, el reactor tenía un coeficiente de reactividad de vacío negativo , algo que se emplea como mecanismo de seguridad en los reactores de agua ligera fabricados por el hombre . Después de enfriar el depósito mineral, el agua regresó y la reacción se reinició, completando un ciclo completo cada 3 horas. Los ciclos de reacción de fisión continuaron durante cientos de miles de años y terminaron cuando los materiales fisionables cada vez más escasos, junto con la acumulación de venenos neutrónicos , ya no pudieron sostener una reacción en cadena.
La fisión del uranio produce normalmente cinco isótopos conocidos del gas producto de fisión xenón ; los cinco se han encontrado atrapados en los restos del reactor natural, en concentraciones variables. Las concentraciones de isótopos de xenón, encontrados atrapados en formaciones minerales 2 mil millones de años después, permiten calcular los intervalos de tiempo específicos de funcionamiento del reactor: aproximadamente 30 minutos de criticidad seguidos de 2 horas y 30 minutos de enfriamiento (disminución exponencial del calor de desintegración residual ) para completar un ciclo de 3 horas. [6] El xenón-135 es el veneno neutrónico más fuerte conocido. Sin embargo, no se produce directamente en cantidades apreciables, sino como un producto de desintegración del yodo-135 (o uno de sus nucleidos parentales ). El xenón-135 en sí es inestable y se desintegra en cesio-135 si no se le permite absorber neutrones. Si bien el cesio-135 tiene una vida relativamente larga, todo el cesio-135 producido por el reactor Oklo se ha desintegrado desde entonces hasta convertirse en bario-135 estable . Mientras tanto, el xenón-136, el producto de la captura de neutrones en el xenón-135, se desintegra de manera extremadamente lenta a través de la desintegración doble beta y, por lo tanto, los científicos pudieron determinar la neutrónica de este reactor mediante cálculos basados en esas proporciones de isótopos casi dos mil millones de años después de que dejara de fisionar el uranio.
Un factor clave que hizo posible la reacción fue que, en el momento en que el reactor se volvió crítico hace 1.700 millones de años, el isótopo fisionable235
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representaba aproximadamente el 3,1% del uranio natural, lo que es comparable a la cantidad utilizada en algunos de los reactores actuales. (El 96,9% restante era238
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y aproximadamente 55 ppm234
U , ninguno de los cuales es fisionable por neutrones lentos o moderados.) Porque235
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tiene una vida media más corta que238
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, y por lo tanto se desintegra más rápidamente, la abundancia actual de235
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En el uranio natural, el contenido de uranio es de tan solo el 0,72%. Por lo tanto, ya no es posible un reactor nuclear natural en la Tierra sin agua pesada o grafito . [7]
Los yacimientos de uranio de Oklo son los únicos lugares conocidos en los que existieron reactores nucleares naturales. Otros yacimientos ricos en uranio también habrían tenido suficiente uranio para sustentar reacciones nucleares en esa época, pero la combinación de uranio, agua y condiciones físicas necesarias para sustentar la reacción en cadena era exclusiva, hasta donde se sabe actualmente, de los yacimientos de Oklo. También es posible que otros reactores nucleares de fisión naturales estuvieran en funcionamiento en el pasado, pero que desde entonces hayan sido alterados geológicamente hasta el punto de ser irreconocibles, posiblemente incluso "diluyendo" el uranio hasta el punto de que la proporción isotópica ya no serviría como una "huella digital". Sólo una pequeña parte de la corteza continental y ninguna parte de la corteza oceánica alcanza la edad de los yacimientos de Oklo o una edad durante la cual las proporciones isotópicas del uranio natural habrían permitido una reacción en cadena autosostenida con agua como moderador.
Otro factor que probablemente contribuyó al inicio del reactor nuclear natural Oklo hace 2 mil millones de años, en lugar de antes, fue el creciente contenido de oxígeno en la atmósfera de la Tierra . [4] El uranio está presente de forma natural en las rocas de la Tierra y la abundancia de material fisionable235
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era al menos del 3% o superior en todo momento antes de la puesta en marcha del reactor. El uranio es soluble en agua solo en presencia de oxígeno . [ cita requerida ] Por lo tanto, el aumento de los niveles de oxígeno durante el envejecimiento de la Tierra puede haber permitido que el uranio se disolviera y transportara con las aguas subterráneas a lugares donde se pudiera acumular una concentración lo suficientemente alta como para formar ricos yacimientos de mineral de uranio. Sin el nuevo entorno aeróbico disponible en la Tierra en ese momento, estas concentraciones probablemente no podrían haber tenido lugar.
Se estima que las reacciones nucleares en el uranio en vetas de un tamaño de centímetros a metros consumieron alrededor de cinco toneladas de235
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y temperaturas elevadas de unos pocos cientos de grados Celsius. [4] [8] La mayoría de los productos de fisión no volátiles y actínidos solo se han movido centímetros en las vetas durante los últimos 2 mil millones de años. [4] Los estudios han sugerido que esto es un análogo natural útil para la eliminación de desechos nucleares. [9] El defecto de masa total de la fisión de cinco toneladas de235
El U es de aproximadamente 4,6 kilogramos (10 lb). Durante su vida útil, el reactor produjo aproximadamente 100 megatones de TNT (420 PJ) en energía térmica, incluidos los neutrinos . Si se ignora la fisión del plutonio (que constituye aproximadamente un tercio de los eventos de fisión en el curso de la combustión normal en los reactores de agua ligera modernos fabricados por el hombre ), entonces los rendimientos de productos de fisión ascienden a aproximadamente 129 kilogramos (284 lb) de tecnecio-99 (desde entonces desintegrado en rutenio-99), 108 kilogramos (238 lb) de circonio-93 (desde entonces desintegrado en niobio -93), 198 kilogramos (437 lb) de cesio-135 (desde entonces desintegrado en bario-135, pero el valor real es probablemente menor ya que su nucleido original, el xenón-135, es un fuerte veneno neutrónico y habrá absorbido neutrones antes de desintegrarse en135
Cs
en algunos casos), 28 kilogramos (62 libras) de paladio-107 (desde hace mucho tiempo desintegrado en plata), 86 kilogramos (190 libras) de estroncio-90 (desde hace mucho tiempo desintegrado en circonio) y 185 kilogramos (408 libras) de cesio-137 (desde hace mucho tiempo desintegrado en bario).
El reactor natural de Oklo se ha utilizado para comprobar si la constante de estructura fina atómica α podría haber cambiado a lo largo de los últimos 2.000 millones de años. Esto se debe a que α influye en la velocidad de varias reacciones nucleares. Por ejemplo,149
Pequeño
captura un neutrón para convertirse en150
Pequeño
, y dado que la tasa de captura de neutrones depende del valor de α , la relación de los dos isótopos de samario en muestras de Oklo se puede utilizar para calcular el valor de α de hace 2 mil millones de años.
Varios estudios han analizado las concentraciones relativas de isótopos radiactivos que quedaron en Oklo, y la mayoría han concluido que las reacciones nucleares de entonces eran muy similares a las de hoy, lo que implica que α también era el mismo. [10] [11] [12]
