Doblemente responsable

Antonio M. Eff-Darwich Peña / 22-05-2012

El 11 de marzo de 2011, el mundo asistió atónito al desastre que provocó sobre Japón un colosal terremoto y el tsunami a él asociado. En los días posteriores nos enteramos de que una central nuclear, la de Fukushima, había sufrido graves daños que podrían provocar efectos tan devastadores como los que sucedieron en la tristemente famosa central de Chernobyl. Las personas fallecidas se contaron por decenas de miles, una cifra terrible que podría haberse multiplicado por cien si el desastre hubiese ocurrido en un país que no tuviera la preparación y los recursos de Japón.

Lo que sucedió el 11 de marzo y los meses posteriores se debió a un fenómeno geológico, el terremoto, combinado con un accidente industrial, el de la central nuclear de Fukushima. En este relato quiero identificar al responsable directo o indirecto de este desastre, al "doble culpable", que no es otro que la radioactividad. Ustedes podrían estar de acuerdo con "culpar" a la radioactividad del accidente de Fukushima, pero ¿y del terremoto?

Voy a contarles una historia geológica fascinante que nos va a llevar en el tiempo al principio mismo de la vida y a lugares tan remotos como una mina en Gabón. Empecemos el viaje.

Desde finales del siglo XIX y durante buena parte de la primera mitad del siglo XX, numerosos científicos estudiaron en muchos países el fenómeno de la radioactividad, su origen y aplicaciones. Que un material radioactivo emita calor es un fenómeno físico sorprendente, máxime porque lo hace por sí mismo, sin necesitar ser calentado. En 1903, Pierre Curie y su colaborador Albert Laborde anunciaron que el radio (un elemento radioactivo) produce tanto calor que es capaz de fundir su propio peso en hielo en menos de una hora. Esta cualidad de las sustancias radioactivas conlleva que si tuviésemos suficiente cantidad de ellas dispondríamos de una fuente energética de primer orden y, también hay que decirlo, si fuésemos capaces de liberar esa energía de forma casi instantánea poseeríamos un arma muy potente.

¿Qué es eso de la radioactividad? Si nos olvidamos de los electrones, un átomo es una especie de racimo de uvas, donde las uvas serían los protones y neutrones, que se mantienen unidos por unas fuerzas de cohesión atómicas. Estas fuerzas deben vencer a una fuerza repulsiva, pues los protones son de igual carga eléctrica, por lo que tienden a separarse unos de otros (algo parecido ocurre cuando intentamos unir dos imanes por el mismo polo). En definitiva, el núcleo atómico es un ambiente donde existe un equilibrio muy precario entre fuerzas de cohesión y de repulsión. Esta precariedad aumenta cuando los átomos tienen muchos protones y neutrones, como por ejemplo los átomos de uranio, donde hay por lo general 238 protones y neutrones. Al ser inestables, tienden a romperse para formar átomos más estables, emitiendo en este proceso calor y partículas subatómicas con nombres tales como neutrinos, positrones o antineutrinos. Lo importante de la radioactividad es que átomos muy grandes tienden a romperse en átomos más simples liberando calor, que es capaz de fundir el hielo como observaron asombrados Curie y Laborde. El término radioactividad proviene del hecho que estos elementos emiten radiación (calor).

Muchos de ustedes se estarán preguntando qué tiene que ver la radioactividad con el terremoto de Japón. ¿Es la radioactividad responsable del terremoto? En cierto modo sí.

Hace miles de millones de años una gigantesca estrella estalló en algún lugar cercano a lo que hoy es el Sistema Solar. Esa explosión, denominada supernova, esparció en el medio interestelar enormes cantidades de elementos que no se pueden producir de manera ‘estándar’ en las estrellas, como el oro, uranio, polonio, hafnio, radón, bismuto, platino y un largo etcétera. Este material acabó en una enorme nube rotante de gas y polvo. Con el tiempo, esta nube colapsó hacia su núcleo, formando el Sol, los planetas y otros cuerpos del Sistema Solar.

Por consecuencia, todos los planetas del Sistema Solar tienen en su seno cantidades importantes de elementos radioactivos formados durante la explosión de supernova de una estrella ya desaparecida. Si en el interior de la Tierra hay uranio y otros elementos radioactivos, estos se estarán desintegrando, liberando calor y emitiendo aquellas partículas subatómicas de extraños nombres como los positrones y antineutrinos. Pero ¿cuánto calor es ese? La respuesta llega de unos experimentos que parecen sacados de un libro de ciencia-ficción.

También en Japón, se construyó un gigantesco detector, el KamLand, cuya finalidad es estudiar los neutrinos y su masa. En un principio este experimento era más bien astrofísico, orientado a entender una serie de cuestiones teóricas sobre el funcionamiento interno del Sol. Sin embargo, en 2005, los científicos de KamLand se dedicaron a contar neutrinos (en realidad antineutrinos) procedentes de los procesos de desintegración radioactiva del interior de nuestro planeta. Contando partículas sabrían cuánto material se desintegra y cuánto calor se libera. No se lo van a creer, pero parece ser que más de la mitad del calor que genera nuestro planeta procede de la desintegración de elementos como el uranio.

Ese calor es el responsable de que la Tierra sea tan dinámica desde el punto de vista geológico: hace que haya volcanes, que las placas tectónicas se muevan, que a lo largo de su historia hayan surgido y desaparecido continentes y océanos. Si ese calor es el causante de que las placas tectónicas se muevan y choquen unas con otras provocando terremotos y el terremoto de Japón se debió al choque entre las placas Pacífica y Euroasiática, entonces sí que es cierto que la radioactividad es en cierto modo responsable del terremoto de Japón.

Efectivamente, el calor interno del planeta (provocado en gran medida por la radioactividad) genera movimientos colosales ascendentes y descendentes de material en el interior del planeta que arrastran o mueven las placas tectónicas en la superficie. La placa Pacífica avanza casi ocho centímetros por año en dirección hacia Asia. ¿Se imaginan ustedes la energía necesaria para mover todo el Pacífico unos ocho centímetros por año?

Los elementos radioactivos que generan parte del calor interno del planeta se desintegran de forma espontánea, aunque es imposible saber cuándo un determinado átomo se va a desintegrar. Lo que sí podemos determinar es la vida media de una muestra grande de material radioactivo. Esto sería parecido a conocer la esperanza de vida en un país: desconocemos cuándo morirá alguien en particular, pero podemos estimar esa edad para un conjunto grande de población. Por ejemplo, la vida media del uranio más común es de 4.400 millones de años. Esto es mucho tiempo. Como la Tierra tiene unos 4.500 millones de años de antigüedad, hoy en día sólo queda la mitad de uranio que había cuando el planeta se formó.

Al ser la vida media del uranio tan elevada, si queremos generar energía eficientemente a partir de él, debemos acelerar su proceso de desintegración. A esto se dedicaron científicos como Ernest Rutherford o Enrico Fermi. Ellos comprobaron que si átomos grandes como los del uranio absorben o colisionan con un neutrón, se vuelven inestables y empiezan a vibrar hasta que se rompen: esto es lo que se conoce como fisión nuclear. De esa rotura surgen átomos más pequeños, se liberar varios neutrones y, lo más importante para nosotros, se libera radiación (calor). Es interesante recalcar que la desintegración del átomo de uranio inicial libera neutrones que pueden ser absorbidos por otros átomos de uranio que se desintegrarán a su vez, liberando más radiación (luz y calor) y neutrones que a su vez desestabilizarán más átomos de uranio. ¿Se dan cuenta? Estamos ante una reacción en cadena; si no quitamos los neutrones, los átomos de uranio seguirán desintegrándose y liberando calor como fichas de un dominó cayendo una tras otra.

Fermi, un genio de la física, fue el encargado de plasmar la idea de la reacción en cadena en un mecanismo capaz de generar energía. Es el padre de los reactores nucleares, que vieron la luz en la década de los cuarenta del siglo XX. ¿Qué necesitamos para construir un reactor nuclear? Primero el combustible, que podría ser uranio. Después algún tipo de material que permita controlar la cantidad de neutrones y con ello la velocidad de la reacción en cadena. A este material se le llama controlador.

El controlador suele consistir en unas varillas, por ejemplo de cadmio, que al ser insertadas entre las varillas de combustible absorben neutrones y frenan la reacción. Si retiramos las varillas controladoras, la reacción se acelera, lo que podría ser catastrófico. Otro elemento fundamental en un reactor es el moderador, un material, como agua o grafito, que frena la velocidad de los neutrones. ¿Y por qué? Pues porque los átomos a fisionar interaccionan mejor con neutrones lentos. En los columpios no consigue elevarse más alto el niño que más rápido se mueve, sino el que lo hace a un ritmo más lento y acompasado para que el columpio gane energía en cada impulso. En el caso que nos atañe, el columpio es el átomo de uranio y el neutrón el niño que juega. El último elemento es un refrigerante, como el agua, que es el material al que se transfiere el calor de las varillas de combustible.

Por lo tanto un reactor nuclear es un recipiente que contiene unas varillas de un material radioactivo como el uranio, el cual sufre procesos de desintegración por reacción en cadena. Esta reacción debe ser mantenida a una velocidad determinada, y esto se consigue mediante las varillas controladoras. La eficiencia de la reacción viene dada por el papel del moderador; si los neutrones van muy rápido, los átomos del combustible no se desintegran.

La reacción está en marcha y se libera calor, mucho calor. Calienta agua que está a mucha presión en un circuito primario cerrado en contacto con el material radioactivo. Esta agua, calienta a su vez un circuito secundario de agua, que al convertirse en vapor mueve unas turbinas eléctricas. El vapor es enfriado por un circuito terciario de agua (en general recogida del mar o de un río) y vuelve mediante bombas hasta entrar en contacto con el circuito primario de agua. Y el proceso comienza de nuevo. Parece complejo, pero en resumen el agua a presión del circuito primario genera vapor en el circuito secundario, vapor que es enfriado por un circuito terciario. El agua fría del circuito secundario vuelve a calentarse al entrar en contacto con el circuito primario.

Así funciona Fukushima y cualquier reactor del mundo: tengo un elemento radioactivo (como el uranio), lo bombardeo con neutrones y se fisiona liberando calor que puedo usar para mover las turbinas de una central eléctrica. La reacción en cadena la podré controlar si soy capaz de controlar el número de neutrones libres que pueden chocar con los átomos de uranio.

¿Por qué falló Fukushima tras el terremoto? ¿Fallaron las varillas de combustible? No. ¿Fallaron los moderadores o los controladores? No. Tras el terremoto, el reactor nuclear se apagó automáticamente, aunque obviamente no se enfrió inmediatamente, pues hacen falta semanas para que las varillas de combustible se enfríen. Lo que falló fue algo ajeno al núcleo del reactor: la bomba que movía el agua del circuito secundario terminó por pararse (los tanques de gasoil de las bombas de agua quedaron inutilizados por el tsunami asociado al terremoto) y el agua al no circular no se enfrió y por ello el agua del circuito primario empezó a sobrecalentarse, lo que afectó a las varillas de combustible y de ahí sobrevino el desastre.

En definitiva, la radioactividad es doblemente responsable del desastre que ocurrió en Japón en marzo de 2011 pues:

- Produce el calor que sirve de motor a las placas tectónicas y el terremoto que sufrió Japón fue debido a la interacción de dos de estas placas.

- Es el fenómeno físico que hay detrás de la generación de energía en los reactores nucleares, como el fallido reactor de Fukushima.

La historia de Oklo

Genial la idea de Fermi. Por tanto, ¿el primer reactor nuclear data de los años cuarenta del siglo XX? Bueno, tal y como lo describimos sí. Pero veremos que tiene un antecesor "algo" más viejo, ¡de casi dos mil millones de años!, que funcionó durante un millón de años. Es una historia que me parece tan fascinante que no puedo acabar este texto sin contarles lo que pasó en Oklo, una región minera que en la actualidad se encuentra en África, concretamente en Gabón, en esa época remota de la historia de nuestro planeta.

En 1972 se encontraron grandes cantidades de elementos procedentes de la fisión del uranio en las minas de uranio de Oklo (recordemos que el uranio se fisiona y da lugar a otros átomos más pequeños). Ya no eran radioactivos, por lo que la fisión nuclear que los formó debió tener lugar hace unos dos mil millones de años. Esto parecía imposible, en esa época no había en el planeta vida inteligente que pudiera manipular el uranio. Es más, prácticamente no había vida. Hubo quien pensó en algún tipo de civilización extraterrestre para explicar el hallazgo de esta especie de cementerio nuclear. Pero la explicación a este descubrimiento, fechado en 1972, la había dado un físico japonés, Paul Kuroda, dieciséis años antes, en 1956. Kuroda propuso que si se daban ciertas condiciones ambientales, era posible que se formara un reactor nuclear natural.

Hace unos 3.500 millones de años, la vida en la Tierra estaba representada por unos organismos bacterianos que realizaban la fotosíntesis y que formaban colonias conocidas como estromatolitos. Estas bacterias empezaron a contaminar la atmósfera de la época, rica en dióxido de carbono, con un gas nocivo para ellas, el oxígeno. Poco a poco la atmósfera y las aguas superficiales (ríos incluidos) se empezaron a oxigenar.

Desde hace unos 2.800 millones de años, el agua de lluvia y los ríos oxigenados pudieron fácilmente arrastrar el uranio contenido en las rocas superficiales, que fue a parar a las capas de sedimentos que se formaban en los deltas de los ríos y los océanos. Estas capas más ricas en uranio fueron cubiertas por nuevos sedimentos (de hasta miles de metros de grosor) a lo largo de millones de años. Con los cambios geológicos del planeta, lo que eran sedimentos marinos pasaron a estar sobre el nivel del mar en la actual Gabón. La lluvia actuó sobre ellos arrastrando el uranio hasta capas aún más profundas, donde se concentró dando lugar a auténticas varillas de combustible, como las que se usan en los reactores nucleares.

Hace unos 2.000 millones de años ya se daban en Oklo las condiciones requeridas para que el reactor empezara a funcionar. La concentración de uranio fisionable era muy elevada y la roca donde se encontraba el uranio muy porosa, por lo que contenía mucha agua y esa agua actuó de moderador de neutrones. Sorprendentemente, gracias al agua percolada, se dieron las condiciones para que el uranio fisionase de forma natural durante casi un millón de años y no estallase al descontrolarse la reacción en cadena.Los productos radioactivos de aquel reactor nuclear quedaron confinados en las capas de sedimentos y simplemente han desaparecido (se han vuelto no radioactivos) al transcurrir más de 2.000 millones de años.

¿No les parece increíble que la aparición de la vida desencadenase la primera reacción nuclear controlada del planeta? En la Tierra, existe y ha existido una compleja interrelación entre todos los aspectos que definen a nuestro planeta: la Geosfera, la Biosfera, la Atmósfera y la Hidrosfera.

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El autor

Antonio M. Eff-Darwich Peña es Doctor en Ciencias Físicas (especialidad Astrofísica) por la Universidad de La Laguna e investigador y profesor en el Departamento de Edafología y Geología de dicho centro, donde compagina estudios de heliofísica y geofísica.

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