Fa 2.000 milions d’anys

Ja us vaig parlar de què era una fissió nuclear i una reacció nuclear en cadena. També vaig dir que al Fermi, el primer en fer una reacció nuclear en cadena, se li havia avançat la Natura uns 2.000 milions d'anys. Doncs d'aquest succés succeït fa 2.000 milions d'anys, d'urani, de reaccions nuclears en cadena i de filosofia parlarem en la nostra història d'avui.

[@more@]

L'urani-235 i urani-238 (a partir d'ara, U235 i U238) són isòtops d'un mateix element. En altres paraules, tots dos tenen el mateix nombre de protons al seu nucli (92) però la resta fins a arribar a els nombres 235 o 238 són els neutrons que té l'esmentat nucli: 143 i 146 respectivament. Hi ha, però, una important diferència en el comportament d'aquests dos isòtops: l'U235 és el fisionable i aquesta diferència és molt important.

Quan extraiem urani de la terra, l'U235 és un 0,7% del total; una concentració realment baixa. I per què? Com és que l'U235 és tan poc abundant enfront l'U238? Doncs perquè la semivida de l'U238 és de 4.500 milions d'anys i la d'U235 (només!) de 700 milions d'anys. Així que si comencem d'una certa quantitat d'urani al 50% de concentració d'ambdues espècies isotópiques, a mesura que passi el temps, l'U235 desapareixerà més de pressa que l'U238. Per tant, com més vella es faci la Terra, més quantitat d'U238 haurà en comparació de la de l'U235. Haurà menys quantitat d'urani en total, però del que aquí parlem és del percentatge d'U235 enfront d'aquest total.

Per construir un reactor nuclear necessitem que la varietat d'U235 no sigui el 0,7%, sinó almenys el 3%. No ens serveix, per tant, l'urani tal com ho extraiem de la terra. Hem d'enriquir-lo, augmentar la concentració d'U235. Quan s'obté un 3% de concentració i es donen les circumstàncies adequades s'obté de forma espontània una reacció nuclear en cadena lenta i automantinguda (la concentració d'U235 de les armes nuclears sol ser de l'ordre d'un 85% o més). Avui dia no podria donar-se cap reacció nuclear en cadena en la Terra tret que la mà de l'home es veiés involucrada.

Si a mesura que passa el temps el percentatge d'U235 va disminuint, la situació s'invertirà si anem cap al passat. Fem aquest càlcul cap a enrere. Per exemple, 700 milions d'anys enrere, havia el doble d'U235 que avui, 1.400 milions d'anys enrere el quàdruple, etc. Si volem que l'U238 creixi al doble del que hi ha ara hauríem de anar 4.600 milions d'anys enrere. El que està clar és que la concentració d'U235 en el passat va ser més gran. La pregunta salta per sí mateixa: va haver algun moment que hagués un percentatge del 3% d'U235? I si fora així, van poder existir reaccions nuclears en cadena de forma espontània? La resposta és que sí, fa uns 2.000 milions d'anys. En aquelles dates la concentració d'U235 va sobrepassar aquest 3% per a poder existir una reacció nuclear en cadena lenta i continuada. Tenim alguna prova d'això? S'ha trobat alguna cosa?

L'any 1972, dos científics de la Comissió d'Energia Atòmica de França, Naudet i Hageman, estaven treballant a l'Àfrica. Es van trobar que el producte que la companyia minera Franceville extreia de la mina d'Oklo, al Gabon, tenia una concentració massa baixa en U235: el 0,3% i no el 0,7% com era d'esperar. Es van quedar molt sorpresos. Van estudiar el problema i van arribar a la conclusió que aquest sistema geològic va estar funcionant com un reactor nuclear en el passat. De fet, van trobar les restes de 17 reactors nuclears naturals però només un és particularment visible en l'actualitat. Resulta que aquell lloc s'havia inundat d'aigües subterrànies que havien actuat com moderador de neutrons (recordeu allò dels neutrons lents?). El procés va durar uns quants centenars de milers d'anys.

Com sabem que allà hi va haver una reacció nuclear en cadena? Per les restes. Mentre aquests reactors van estar actius van generar residus radioactius idèntics als d'una central nuclear actual. Tots els subproductes de fissió, es van trobar. I, sobretot, uns molt concrets: es van trobar subproductes del plutoni 239. Aquest últim element té una semivida de 24.000 anys, així doncs, no podia existir a la Terra en aquell moment; però en estar en marxa una reacció nuclear en cadena, l'element es va generar, es va desintegrar i el que van trobar van ser els residus d'aquestes desintegracions.

Tot això quedaria en una mera anècdota, com una bonica curiositat; però li podem treure molt més suc perquè ens duu a plantejar-nos qüestions més interessants, filosòfiques i profundes. Cal recordar que aquest succés va passar fa 2.000 milions d'anys. Podrien haver estat una mica diferents l'Univers, les seves lleis físiques o les seves constants fonamentals?

Imaginem per un moment que les lleis físiques o que les constants fonamentals de la Natura haguessin canviat. Una minúscula variació en la massa del nucli atòmic hauria bastat per a impedir la creació d'aquests reactors nuclears. Si la càrrega elèctrica hagués estat lleugerament diferent, hi hauria afectat a la interacció electromagnètica entre els protons del nucli que haguessin variat les quantitats trobades de certs elements.

Aquest succés d'Oklo ens ho permet comprovar. Un dels residus trobats, en particular, va ser un element nomnat samari (*Sm), descobert en 1879 pel Lecoq de Boisbaudran. Com curiositat, sapigueu que forma un compost amb el cobalt (SmCo5) que és un poderós imant permanent amb més resistència a la desmagnetizació que qualsevol altre material conegut.

La quantitat de samari que esperaríem trobar avui en un procés similar és exactament la que es va trobar a Oklo. És això important? Doncs prou com per a poder afirmar que fa 2000 milions d'anys, l'Univers estava governat per les mateixes lleis físiques que avui. Però ja se sap, en diferents històries us he anat explicant la importància sobre els errors experimentals o en les mesures que fem ara i sempre hi ha un límit en l'exactitud. Afinem una mica més. Podem afirmar que en tota la vida de l'Univers, les lleis físiques en conjunt, no han pogut variar en una part entre un milió.

Per exemple, és possible que la càrrega elèctrica variï amb el pas del temps? Els científics han calculat que la càrrega elèctrica no ha pogut canviar des del succés d'Oklo en més d'una part entre 10 milions i si això va ser fa 2.000 milions d'anys, significa que no pot variar aproximadament en una part entre cent mil bilions (10-17) per any.

Bé, hi ha més pistes que ens induïxen a creure que no han variat, com observant les galàxies remotes i veient còm es comporten segons les actuals lleis físiques o l'abundància de determinats materials en els meteorits que ens indiquen que les lleis funcionaven igual fa milers de milions d'anys, cosa que deixaria Oklo en una confirmació més. Tanmateix, l'existència de reactors nuclears fa 2.000 milions d'anys a la Terra no deixa de ser una història espectacular.

Us poso una foto. Les zones groguenques són les restes d'òxid d'urani.

Foto de la mina d'Oklo
Vull deixar-vos amb una qüestió. Si podem extreure energia d'alguna cosa sabem que, abans, algun procés va haver d'aportar energia per a construir aquesta cosa. O sigui, si l'urani es fissiona i ens dóna energia, vol dir que el procés que ho va fabricar va haver d'aportar, almenys, aquesta energia. La pregunta és: quin procés va formar l'urani? d'on va sortir l'energia per a formar-lo? Crec que ja teniu en què pensar fins a la nostra pròxima història.
 
Fonts:

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

5 respostes a Fa 2.000 milions d’anys

  1. Joan diu:

    Bon article. Estirua bé veure un reactor nuclear natural. Suposo que llavors s’acabarien els protestants que diuen que és antinatural o bé una cosa artificial XD.

    Pensant en la pregunta que fas sobre l’origen de l’urani suposo que és el mateix que el de molts altres elements. Per exemple en l’explosió de Supernoves o bé per la desintegració d’elements més pesants.

    Pel que fa a l’energia opino que va ser Déu, que com tots sabem abans comprava Duracell i donen per molt XD.

  2. omalaled diu:

    Joan: la resposta que has donat (l’explosió de les supernives) no la saben molts estudiants de físiques.

    Sabent la teva edat i veient els interesos i els temes que t’agraden començo a pensar que ets un superdotat. I no ho dic de broma.

    Salut!

  3. Joan diu:

    Hi ha gent que alguna vegada m’ha dit que sóc una mica anormal… Però res més.

    PS: He estat mirant els comentaris del bloc en castellà i la hipòtesi de les duracell no seria aconsellable subestimar-la.

  4. dan diu:

    Mestre! Es genial aquesta història!!!!

  5. omalaled diu:

    Joan: je jeeee, el Duracell …

    Gràcies, Dan. Venint de tú és tot un honor.

    Salut!

Els comentaris estan tancats.