Introducción
En mayo de 1972, en la planta de enriquecimiento de uranio de Pierrelatte, en el sur de Francia, un espectrómetro de masas arrojó un número que no debería haber existido. Un técnico realizaba una comprobación de rutina en un envío de hexafluoruro de uranio, la forma gaseosa en que se convierte el uranio antes del enriquecimiento. El instrumento medía la fracción de uranio-235, la variante rara y fisible del elemento, la que puede dividirse y mantener una reacción en cadena. En cualquier lugar de la Tierra, en las rocas de la Luna, en los meteoritos, esa fracción es fija: 0,7202 %. La muestra de Pierrelatte marcó 0,7171 %.
Era una diferencia de tres milésimas de punto porcentual. También era imposible.
Se supone que la relación isotópica del uranio es una de las constantes de la naturaleza, tan fiable como el punto de ebullición del agua. Un déficit significaba que se había perdido uranio-235 y, en un país que contabiliza cada gramo de material fisible, que falte uranio fisible es de esas cosas que desencadenan investigaciones. La Comisión Francesa de Energía Atómica, el CEA, abrió una.
Una historia de detectives: siguiendo la pista del uranio desaparecido hasta Gabón
Primero descartaron las explicaciones aburridas. La anomalía no era un fallo del instrumento; se repetía en todas las muestras. Tampoco era contaminación por uranio gastado o empobrecido de la propia planta, porque no había uranio-236, la huella inconfundible del material que ha pasado por un reactor artificial. Así que los investigadores recorrieron la cadena de suministro hacia atrás, desde Pierrelatte hasta la planta de conversión de Malvési, hasta el centro de procesamiento de Gueugnon y, por último, hasta la fuente: mena enviada por la empresa minera COMUF desde un yacimiento de Gabón, antigua colonia francesa de África occidental. El lugar se llamaba Oklo.
Cuanto más profundizaban, más extraño se volvía. El empobrecimiento no era uniforme. Se concentraba en la rica parte norte del yacimiento de Oklo, y en algunos lotes la lectura de uranio-235 descendía hasta el 0,44 %, casi un 40 % por debajo de lo normal. (Décadas después, instrumentos más sensibles reducirían esa cifra aún más, hasta alrededor del 0,36 % en la mena más intensamente quemada.) En el uranio entregado entre 1970 y 1972, faltaban más de 200 kilogramos de uranio-235 solo en la mena enviada, una fracción de lo que los reactores quemaron a lo largo de su vida, pero una masa de material fisible que, según un cálculo de la época, igualaba lo que contendrían media docena de bombas del tamaño de la de Hiroshima, y suficiente para quitarle el sueño durante una semana a cualquier inspector de salvaguardias.
Un físico entendió lo que estaba viendo. Francis Perrin y sus colegas encontraron, junto al uranio-235 desaparecido, los restos químicos de la fisión: proporciones características de elementos como el neodimio y el rutenio que coinciden con lo que deja tras de sí el uranio al fisionarse, y no con lo que contiene una roca normal. El neodimio natural es aproximadamente un 27 % neodimio-142; el neodimio de Oklo contenía menos del 6 %. Solo había una forma de interpretarlo. La mena se había comportado como un reactor. El 25 de septiembre de 1972, el CEA anunció que unas reacciones nucleares en cadena autosostenidas se habían producido, por sí solas, dentro de un cuerpo mineralizado africano casi dos mil millones de años antes de que a nadie se le ocurriera intentarlo.
Lo más asombroso de todo es que alguien lo había predicho. En 1956, un químico de la Universidad de Arkansas llamado Paul Kazuo Kuroda calculó las condiciones en las que una veta de uranio podría encender una reacción en cadena sin ninguna ayuda humana. Expuso los requisitos: suficiente uranio-235, un depósito más grueso que la distancia que recorre un neutrón de fisión, pocas impurezas absorbentes de neutrones y un moderador que domara los neutrones. La idea estuvo durante dieciséis años en el límite de lo plausible, hasta que una medición rutinaria en Francia le dio la razón.
Qué ocurrió realmente bajo tierra en Oklo
Para entender por qué funcionó Oklo, conviene recordar qué necesita un reactor. La fisión es la división de un núcleo atómico pesado, aquí el uranio-235, cuando absorbe un neutrón que pasa por allí. El núcleo se rompe en fragmentos más ligeros llamados productos de fisión, libera energía en forma de calor y expulsa dos o tres neutrones nuevos. Si al menos uno de esos neutrones llega a dividir otro núcleo de uranio-235, el proceso se alimenta a sí mismo: es una reacción en cadena. Un isótopo, por su parte, es simplemente una versión de un elemento: el uranio-235 y el uranio-238 son ambos uranio, con la misma química pero con distinto número de neutrones en el núcleo, y solo el más ligero se divide con facilidad.
El problema es la velocidad. Los neutrones salen disparados de un evento de fisión demasiado rápido para que el siguiente núcleo los capture con fiabilidad. Hay que frenarlos. La sustancia que los frena es un moderador, piensa en él como un árbitro que reduce a los neutrones a un ritmo más suave, la velocidad a la que es más probable que el uranio-235 capture uno. En la mayoría de las centrales modernas el moderador es agua común. En Oklo, el moderador también era agua: agua subterránea que se filtraba por areniscas porosas hasta las vetas ricas en uranio.
Había un ingrediente más que Oklo tenía y que la Tierra actual no tiene: combustible lo bastante rico para arder. Hoy el uranio natural contiene solo un 0,720 % de uranio-235, demasiado diluido para mantener una reacción en cadena en agua común, y por eso mismo las compañías eléctricas enriquecen su combustible hasta alrededor del 3–5 %. Pero hace unos dos mil millones de años, el uranio natural de aquellas vetas gabonesas ya superaba el 3 % de uranio-235, del mismo orden que el combustible de un reactor comercial de agua ligera actual. La naturaleza, en otras palabras, funcionaba con combustible preenriquecido. Echa agua subterránea sobre una lente de esa mena lo bastante gruesa, con pocas impurezas que actúen como veneno neutrónico y lo estropeen, y la roca hace el resto.
Las cifras van contra la intuición tanto en lo grande como en lo pequeño. En los yacimientos de Oklo y del vecino Okélobondo, los geólogos acabaron cartografiando dieciséis zonas de reactor independientes, y una decimoséptima en Bangombé, un pequeño yacimiento situado a unos 30 kilómetros al sureste. Cada zona era pequeña, una losa de mena de unos pocos metros de anchura. Juntas fisionaron varias toneladas de uranio-235 y, además, generaron plutonio, que se desintegró de nuevo en uranio-235 y compensó parte de la pérdida, lo que dejó un agotamiento neto de unas cinco toneladas. Y, sin embargo, la potencia era modesta: por zona, la producción alcanzó en promedio unos 100 kilovatios de calor, comparable a un puñado de estufas domésticas, no a una central eléctrica. Los reactores funcionaron, de forma intermitente, durante unos cientos de miles de años.
Esa expresión, unos cientos de miles de años, importa, porque una cifra muy repetida, «150 millones de años», es sencillamente errónea; procede de un error al enunciarla y no refleja la datación geoquímica. La cifra honesta es de cientos de miles de años, y se estima que cada zona funcionó de forma intermitente durante algo entre decenas de miles y unos pocos cientos de miles de años.
El pulso: un reactor que respiraba como un géiser
El ritmo del reactor es la parte que todavía parece apenas creíble.
En 2004, tres físicos de la Universidad de Washington en San Luis, Alex Meshik, Charles Hohenberg y Olga Pravdivtseva, publicaron en Physical Review Letters un estudio que leyó el latido del reactor. Su prueba era el xenón, un gas noble que se produce cuando el uranio se fisiona, atrapado durante dos mil millones de años dentro de diminutos granos de fosfato aluminoso en la roca de Oklo. Con un láser que vaporizaba los granos poco a poco y un espectrómetro de masas sensible para contar los átomos, midieron las mayores concentraciones de xenón de fisión jamás halladas en cualquier material natural.
Las proporciones de los distintos isótopos de xenón eran extrañas. No se podían explicar con un reactor que simplemente funcionara a fuego lento y constante. Pero encajaban a la perfección si el reactor se había encendido y apagado solo a un ritmo regular. El ciclo que reconstruyeron: unos 30 minutos de fisión activa, seguidos de unas 2,5 horas de inactividad. Y vuelta a empezar. Una y otra vez, mientras el reactor vivió.
«La estructura isotópica específica del xenón en este mineral define un funcionamiento cíclico del reactor, con pulsos activos de 30 min separados por periodos de inactividad de 2,5 h», Meshik, Hohenberg y Pravdivtseva, Physical Review Letters 93, 182302 (2004)
Imagínalo. El agua subterránea se filtra en la mena y modera los neutrones; la reacción en cadena arranca; la roca se calienta. Al cabo de media hora, el agua se evapora hirviendo. Sin su moderador, la reacción se detiene y los neutrones vuelven a volar demasiado rápido para ser capturados. La roca permanece en calma un par de horas, enfriándose lentamente, hasta que el agua líquida vuelve a filtrarse y todo se reenciende. Es exactamente la lógica de un géiser como el Old Faithful, salvo que lo que el ciclo expulsaba no era solo vapor, sino una reacción nuclear controlada. Un reactor, en lo profundo de la roca precámbrica, que exhalaba según un calendario, sin ingenieros, sin barras de control, sin electrónica, gobernado por completo por el punto de ebullición del agua.
Esa misma autorregulación explica por qué Oklo nunca voló por los aires. A medida que la roca se calentaba, el agua se enrarecía y la reacción se frenaba; al enfriarse, el agua regresaba y la reacción se reanudaba. El reactor se mantuvo sujeto con su propia correa durante cientos de miles de años.
Por qué esto solo pudo ocurrir en el pasado remoto
Oklo es un acontecimiento único en la historia de la Tierra, y la razón se reduce a los relojes radiactivos. El uranio-235 y el uranio-238 se desintegran ambos, pero a ritmos distintos, medidos por su periodo de semidesintegración, el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de una muestra. El uranio-235 tiene un periodo de semidesintegración de unos 700 millones de años; el del uranio-238 es de unos 4.500 millones de años, aproximadamente seis veces más largo. El isótopo fisible, en otras palabras, consume su propia vela con mucha más rapidez.
Haz correr el reloj hacia atrás. Como el uranio-235 desaparece más deprisa, constituía una proporción mayor del uranio natural cuanto más atrás en el pasado se vaya. Hoy es el 0,720 %. Hace dos mil millones de años era de alrededor del 3 %. En el nacimiento del Sistema Solar era algo así como el 24 %. La ventana para un reactor natural moderado por agua se cerró de golpe hace mucho; con el combustible diluido de hoy, ningún cuerpo mineralizado de la Tierra puede alcanzar la criticidad solo con agua subterránea. Oklo pudo ocurrir porque ocurrió cuando el uranio del planeta era todavía, en la práctica, apto para un reactor.
Pero un combustible rico no basta; también hay que concentrarlo, y esa parte de la historia está ligada al aire que respiramos. El uranio en su forma reducida apenas se disuelve en agua. En su forma oxidada se disuelve con facilidad, viaja con el agua subterránea y puede acumularse allí donde cambian las condiciones. Durante la mayor parte de la historia temprana de la Tierra, la atmósfera casi no tenía oxígeno libre, de modo que el uranio permanecía en su sitio y disperso. Entonces llegó el Gran Evento de Oxidación, que comenzó hace unos 2.400 millones de años, cuando microbios fotosintéticos inundaron por primera vez el aire y los océanos de oxígeno. El agua subterránea oxigenada ya podía disolver el uranio, transportarlo y, al encontrarse con agentes reductores como la materia orgánica, volver a precipitarlo en forma de mena concentrada. La misma transformación planetaria que rehízo el cielo también reunió el combustible de Oklo. Los reactores funcionaron durante el periodo Orosírico del Paleoproterozoico, hace unos dos mil millones de años, cuando la vida más compleja de la Tierra eran las algas y los primeros eucariotas unicelulares.
Por qué Oklo sigue importando: poner a prueba una constante y enterrar nuestros residuos
Un reactor consumido en Gabón podría parecer un caso cerrado, pero está lejos de serlo. Oklo se ha convertido en un laboratorio natural para dos preguntas que la ciencia moderna no puede plantear fácilmente de ningún otro modo.
¿Ha variado la constante de estructura fina a lo largo del tiempo cósmico?
Esto es lo que está en juego: si una de las constantes básicas del universo ha variado silenciosamente a lo largo de miles de millones de años, habría que reescribir buena parte de la física, y Oklo es uno de los pocos lugares donde podemos comprobarlo. La constante en cuestión es la constante de estructura fina, que se escribe con la letra griega alfa (α) y fija la intensidad de la fuerza electromagnética, es decir, con qué fuerza interactúan la luz y las partículas cargadas. Es uno de los números puros que la física trata como fijos. Pero algunas teorías que intentan unificar las fuerzas o explicar la energía oscura permiten que las «constantes» varíen muy lentamente a lo largo de miles de millones de años. Si alfa hubiera tenido un valor distinto en el pasado remoto, las energías a las que los núcleos atómicos absorben neutrones también habrían cambiado.
En 1976, el físico Alexander Shlyakhter se dio cuenta de que Oklo podía poner a prueba esto. Un isótopo concreto, el samario-149, devora neutrones lentos mediante una resonancia, una energía finamente sintonizada a la que la captura es enormemente eficiente, situada en torno a 0,1 electronvoltios. Esa resonancia es sumamente sensible al valor de alfa. Midiendo cuánto samario-149 quemaron los reactores de Oklo, se puede preguntar si esa resonancia estaba hace dos mil millones de años donde está hoy.
El análisis de referencia llegó en 1996, cuando Thibault Damour y Freeman Dyson revisaron el problema con esmero. Su conclusión, con un nivel de confianza del 95 %, fue un límite estricto: el cambio relativo de alfa desde que funcionó Oklo se sitúa aproximadamente entre −0,9 × 10⁻⁷ y 1,2 × 10⁻⁷. Un reanálisis completo de la física del reactor, realizado por Yuri Petrov y colegas en 2006 con códigos modernos de transporte de neutrones de Monte Carlo, afinó aún más el modelado. El punto crucial, que a menudo se tergiversa en los relatos divulgativos: Oklo no ha demostrado que alfa cambiara; es un resultado nulo, una demostración de que alfa ha sido notablemente estable, que limita cualquier variación a unas pocas partes en diez millones o menos a lo largo de dos mil millones de años. Oklo es uno de los límites más estrictos que tenemos sobre una constante errante, precisamente porque no encontró ninguna deriva.
¿Podemos enterrar residuos nucleares y confiar en que el terreno los contenga?
El segundo beneficio es intensamente práctico. Todo reactor nuclear actual deja tras de sí productos de fisión y elementos más pesados, actínidos como el plutonio, que siguen siendo peligrosos durante decenas de miles de años. El plan, a grandes rasgos, es enterrar estos residuos a gran profundidad y confiar en que la geología los mantenga encerrados. Oklo llevó a cabo exactamente ese experimento, por accidente, en una escala de tiempo de dos mil millones de años.
El veredicto es alentador. En un artículo de 1991 en Nature, Bernd Nagy, François Gauthier-Lafaye y colegas demostraron que, en las zonas de reactor ricas en materia orgánica, los granos de mena de uranio habían quedado envueltos en bitumen grafítico solidificado que los mantuvo en su sitio. «La uraninita encerrada en materia grafítica sólida en las zonas de reactor ricas en materia orgánica no perdió prácticamente ningún isótopo lantánido fisiogénico», escribieron. Los residuos apenas se movieron. Muchos productos de fisión permanecieron en su sitio durante dos mil millones de años; el plutonio, según relatos posteriores, migró solo una corta distancia desde donde se formó. Incluso los gases volátiles xenón y criptón quedaron atrapados en granos minerales, y así fue como el equipo de Meshik pudo leer el pulso del reactor.
Esto no es una garantía general: la geología de Oklo es específica, algunos elementos sí migraron localmente y los ingenieros no pueden limitarse a copiar una veta de arenisca porosa. Pero como análogo natural, es lo más parecido que tenemos a un ensayo de campo a largo plazo, y sostiene que la roca adecuada puede confinar residuos radiactivos durante lapsos de tiempo que empequeñecen toda la historia humana registrada.
Hay una nota a pie de página melancólica. Las zonas de reactor de Oklo se descubrieron dentro de una mina en explotación, y la mayoría han sido excavadas desde entonces para extraer su mena. En 1997, Gauthier-Lafaye suplicó en Nature que se preservara el último reactor intacto, el de Bangombé, y lo calificó de no menos único y mucho más irreemplazable que las rocas más preciadas traídas de la Luna o de Marte. El yacimiento que nos enseñó que la naturaleza podía hacer funcionar un reactor fue en buena parte consumido para alimentar los nuestros.
Esa es la extraña doble visión que Oklo te deja. Es un registro del pasado remoto del planeta: una atmósfera que se rehacía, un combustible lo bastante rico para encenderse, agua que hervía según un calendario bajo un mundo habitado solo por microbios. Es también un mensaje sobre futuros remotos, porque la misma roca que acunó un reactor durante cientos de miles de años puede custodiar sus cenizas durante otros dos mil millones. El reactor más antiguo de la Tierra es también, en silencio, un ensayo general de lo más difícil que le hemos pedido jamás a la geología: guardar un secreto a lo largo de lapsos de tiempo que empequeñecen toda la historia registrada.
Preguntas frecuentes
¿Qué edad tiene el reactor nuclear natural de Oklo?
Los reactores de Oklo alcanzaron la criticidad hace aproximadamente entre 1.700 y 2.000 millones de años, durante el Paleoproterozoico. Funcionaron de forma intermitente durante unos cientos de miles de años, hasta que el combustible se empobreció demasiado y las reacciones en cadena se detuvieron para siempre.
¿Fabricó la naturaleza de verdad un reactor nuclear?
Sí. En Oklo, en Gabón, la mena de uranio enriquecida de forma natural (con más del 3 % de uranio-235 en aquel momento) se combinó con agua subterránea que actuaba como moderador de neutrones para mantener auténticas reacciones de fisión en cadena. La Comisión Francesa de Energía Atómica lo confirmó en 1972 a partir del agotamiento del uranio-235 y de las huellas químicas de los productos de fisión.
¿Podría formarse hoy un reactor nuclear natural en la Tierra?
No. El uranio natural contiene ahora solo un 0,720 % de uranio-235, demasiado diluido para mantener una reacción en cadena con agua común como moderador. Como el uranio-235 se desintegra más deprisa que el uranio-238, el combustible fue lo bastante rico solo en el pasado remoto.
¿Es Oklo radiactivo y peligroso hoy?
Los reactores se agotaron hace unos dos mil millones de años, y la radiactividad de vida corta se desintegró hace mucho tiempo. Lo notable es que los productos de fisión y el plutonio permanecieron en gran parte encerrados en la roca circundante, y por eso Oklo se estudia como análogo natural del almacenamiento de residuos nucleares a largo plazo.
