reactor de fisión nuclear natural

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 ocurrieron reacciones nucleares autosostenidas en el pasado, se estableció 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 descubrimiento de un reactor de este tipo ocurrió en 1972 en Oklo , Gabón , por investigadores de la Comisión Francesa de Energía Atómica (CEA) cuando los químicos que realizaban el control de calidad para la industria nuclear francesa notaron fuertes agotamientos del isótopo fisionable ^235.U en hexafluoruro de uranio gaseoso obtenido a partir de mineral de Gabón.

Oklo es el único lugar donde se sabe que ocurrió este fenómeno, y consta de dieciséis sitios con parches de capas de mineral de tamaño centimétrico. Allí, se cree que tuvieron lugar reacciones de fisión nuclear autosostenidas hace aproximadamente 1700 millones de años, durante el período Statheriano 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 ese momento consistía principalmente en algas marinas y los primeros eucariotas , que vivían bajo una atmósfera con un 2 % de oxígeno . 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 agua subterránea fueran 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 UF ₆ de la mina Oklo mostró una discrepancia en la cantidad de ²³⁵Isótopo de U. Donde las concentraciones habituales de ²³⁵Las muestras U fueron 0,72%, mientras que las muestras Oklo mostraron solo 0,60%. Esta fue una diferencia significativa: las muestras contenían un 17% menos de ^235.U de lo esperado. ^{[ 5 ]} Esta discrepancia requería una explicación, ya que todas las instalaciones civiles de manejo de uranio deben contabilizar meticulosamente todos los isótopos fisionables para garantizar que ninguno se desvíe a la construcción de armas nucleares no autorizadas . Además, dado que el material fisionable es la razón principal para la extracción de uranio, el 17% faltante también era de interés económico directo.

Así, la Comisión Francesa de Energía Atómica (CEA) inició una investigación. Una serie de mediciones de las abundancias relativas de los dos isótopos más significativos del uranio extraído en Oklo mostraron resultados anómalos en comparación con los obtenidos para el uranio de otras minas. Investigaciones posteriores en este yacimiento de uranio descubrieron mineral de uranio con un ²³⁵La concentración de U era tan baja como 0,44% (casi un 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 ²³⁴La concentración de U no se desvió significativamente de otras muestras naturales. Tanto el uranio empobrecido como el uranio reprocesado suelen tener ²³⁴Las concentraciones de U difieren significativamente del equilibrio secular de 55 ppm ²³⁴U en relación con ²³⁸U. Esto se debe a ²³⁴U se enriquece junto con ²³⁵U y debido a que es consumido por captura de neutrones y producido a partir de ²³⁵U por reacciones (n,2n) inducidas por neutrones rápidos en reactores nucleares. En Oklo, cualquier posible desviación de ²³⁴La concentración de uranio presente en el momento en que el reactor estaba activo ya se habría desintegrado hace mucho tiempo. ²³⁶El U también debe haber estado presente en proporciones más altas de lo habitual durante el tiempo que el reactor estuvo en funcionamiento, pero debido a su vida media de2,348 × 10 ⁷ años siendo casi dos órdenes de magnitud más corto que el tiempo transcurrido desde que el reactor estuvo en funcionamiento, se ha reducido aproximadamente a1,4 × 10 ⁻²² su valor original y por debajo de cualquier capacidad de detección de los equipos actuales.

Esta pérdida en ²³⁵El U es exactamente lo que ocurre en un reactor nuclear. Una posible explicación era que el mineral de uranio había funcionado como un reactor de fisión natural en un pasado geológico remoto. Otras observaciones llevaron a la misma conclusión, y el 25 de septiembre de 1972, el CEA anunció su hallazgo de que se habían producido reacciones nucleares en cadena autosostenidas en la Tierra hace unos 2000 millones de años. Posteriormente, se descubrieron otros reactores de fisión nuclear naturales en la región. ^{[ 4 ]}

El reactor nuclear natural de Oklo se formó cuando un yacimiento mineral rico en uranio se inundó con agua subterránea , que actuaba como moderador de los neutrones producidos por la fisión nuclear. Se produjo una reacción en cadena que generó calor, lo que provocó que el agua subterránea se evaporara; sin embargo, sin un moderador que pudiera frenar los neutrones, la reacción se ralentizó o se detuvo. Por lo tanto, el reactor tenía un coeficiente de reactividad de vacío negativo, un mecanismo de seguridad empleado en los reactores de agua ligera artificiales . Tras el enfriamiento del yacimiento 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 la disminución constante de los materiales fisionables, junto con la acumulación de venenos neutrónicos , ya no pudo mantener una reacción en cadena.

La fisión del uranio normalmente produce 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 operación del reactor: aproximadamente 30 minutos de criticidad seguidos de 2 horas y 30 minutos de enfriamiento ( calor residual de desintegración que disminuye exponencialmente ) para completar un ciclo de 3 horas. ^{[ 6 ]} El xenón-135 es el veneno de neutrones más potente conocido. Sin embargo, no se produce directamente en cantidades apreciables, sino como un producto de desintegración del yodo-135 (o uno de sus nucleidos padres ). 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 útil relativamente larga, todo el cesio-135 producido por el reactor Oklo se ha desintegrado posteriormente en bario-135 estable . Mientras tanto, el xenón-136, producto de la captura de neutrones en el xenón-135, se desintegra extremadamente lento mediante desintegración beta doble , por lo que los científicos pudieron determinar la neutrónica de este reactor mediante cálculos basados ​​en esas proporciones isotópicas casi dos mil millones de años después de que dejara de fisionar uranio.

Un factor clave que hizo posible la reacción fue que, en el momento en que el reactor alcanzó la criticidad hace 1.700  millones de años, el isótopo fisionable ²³⁵El U constituía aproximadamente el 3,1% del uranio natural, lo cual es comparable a la cantidad utilizada en algunos de los reactores actuales. (El 96,9% restante era ²³⁸U y aproximadamente 55 ppm ²³⁴U , ninguno de los cuales es fisionable por neutrones lentos o moderados.) Porque ²³⁵El uranio tiene una vida media más corta que ^{el 238.}U , y por lo tanto se desintegra más rápidamente, la abundancia actual de ²³⁵El contenido de U en el uranio natural es de tan solo el 0,72 %. Por lo tanto, un reactor nuclear natural ya no es posible en la Tierra sin agua pesada o grafito . ^{[ 7 ]}

Los yacimientos de uranio de Oklo son los únicos sitios conocidos donde existieron reactores nucleares naturales. Otros yacimientos ricos en uranio también habrían tenido suficiente uranio para sustentar reacciones nucleares en aquella época, pero la combinación de uranio, agua y condiciones físicas necesarias para sustentar la reacción en cadena era única, hasta donde se sabe actualmente, en los yacimientos de Oklo. También es posible que otros reactores de fisión nuclear naturales hayan estado en funcionamiento en el pasado, pero que desde entonces hayan sufrido alteraciones geológicas tan graves que resulten irreconocibles, posiblemente incluso "diluyendo" el uranio hasta tal punto que la proporción isotópica ya no sirva como "huella dactilar". Solo 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 hubieran permitido una reacción en cadena autosostenible con el agua como moderador.

Otro factor que probablemente contribuyó al inicio del reactor nuclear natural de Oklo a los 2  mil millones de años, en lugar de antes, fue el aumento del contenido de oxígeno en la atmósfera terrestre . ^{[ 4 ]} El uranio está presente de forma natural en las rocas de la tierra, y la abundancia de ^{235 fisionable}La concentración de uranio fue de al menos un 3 % o superior en todo momento antes de la puesta en marcha del reactor. El uranio es soluble en agua únicamente en presencia de oxígeno . Por lo tanto, el aumento de los niveles de oxígeno durante el envejecimiento de la Tierra pudo haber permitido que el uranio se disolviera y se transportara con las aguas subterráneas a lugares donde se pudo acumular una concentración suficientemente alta como para formar ricos yacimientos de mineral de uranio. Sin el nuevo entorno aeróbico disponible en la Tierra en aquel momento, estas concentraciones probablemente no se habrían producido.

Se estima que las reacciones nucleares en el uranio en vetas de centímetros a metros de tamaño consumieron alrededor de cinco toneladas de ²³⁵U y temperaturas elevadas a unos pocos cientos de grados Celsius. ^{[ 4 ] [ 8 ]} La mayoría de los productos de fisión no volátiles y los actínidos solo se han movido centímetros en las vetas durante los últimos 2 mil millones de años. ^{[ 4 ]} Los estudios han sugerido esto como un análogo natural útil para la eliminación de desechos nucleares. ^{[ 9 ]} El defecto de masa total de la fisión de cinco toneladas de ²³⁵El 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 durante el curso de la combustión normal en los reactores modernos de agua ligera artificiales ), 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 zirconio-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 padre, el xenón-135, es un veneno neutrónico fuerte y habrá absorbido neutrones antes de desintegrarse en ¹³⁵     Cs en algunos casos), 28 kilogramos (62 lb) de paladio-107 (que desde entonces se ha desintegrado en plata), 86 kilogramos (190 lb) de estroncio-90 (que hace mucho tiempo se ha desintegrado en circonio) y 185 kilogramos (408 lb) de cesio-137 (que hace mucho tiempo se ha desintegrado en bario).   

El reactor natural de Oklo se ha utilizado para comprobar si la constante de estructura fina atómica α podría haber cambiado en los últimos 2000 millones de años. Esto se debe a que α influye en la velocidad de diversas reacciones nucleares. Por ejemplo, ¹⁴⁹El Sm captura un neutrón para convertirse en ¹⁵⁰Sm , 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 ha concluido que las reacciones nucleares de entonces eran muy parecidas a las de hoy, lo que implica que α también era la misma. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

• Depósito geológico profundo
• Geología de Gabón
• Montaña
• Oklo Inc

• Bentridi, SE; Gall, B.; Gauthier-Lafaye, F.; Seghour, A.; Medjadi, D. (2011). "Génèse et évolution des réacteurs naturalls d'Oklo" [ Inicio y evolución de los reactores nucleares naturales de Oklo ] . Comptes Rendus Geoscience (en francés). 343 ( 11– 12): 738– 748. Bibcode : 2011CRGeo.343..738B . doi : 10.1016/j.crte.2011.09.008 .

• El reactor nuclear natural de Oklo: una comparación con los reactores nucleares modernos, Radiation Information Network, abril de 2005.
• Reactores fósiles de Oklo
• Imagen astronómica del día de la NASA: NASA, Oklo, reactor fósil, zona 15 (16 de octubre de 2002)
• הכור הגרעיני של הטבע (en idioma hebreo )