De gadolinio, venenos y neutrones

Este artículo ha sido finalista del concurso de divulgación Ciencia Jot Down con la temática «Elementos críticos: del wolframio a las tierras raras» en la modalidad de ensayo.

En 1942, James B. Conant, en la Universidad de Harvard, recibía una llamada telefónica con el siguiente mensaje en clave: «Le interesará saber que el navegante italiano acaba de desembarcar en el Nuevo Mundo. La Tierra no era tan grande como habíamos estimado y ha llegado al Nuevo Mundo antes de lo previsto».

—¿Fueron amistosos los indígenas? —contestó Conant emocionado.

—Todos han desembarcado seguros y contentos —le respondió Arthur Compton desde el otro lado de la línea.

Aquel 2 de diciembre de 1942, Enrico Fermi y su equipo culminaron con éxito un peligroso experimento. Trabajaban bajo el mayor secreto posible en una pista de squash bajo las gradas del estadio de fútbol de la Universidad de Chicago. Montaron una estructura en la que se apilaban miles de bloques de grafito, algunos de ellos perforados y rellenos con uranio en forma de óxido o metal. Según sus cálculos, cuando la estructura alcanzara los siete metros de lado se produciría poco a poco la reacción en cadena, pero antes de finalizar su construcción las mediciones indicaron que el tamaño crítico con el que se produciría era algo inferior al previsto en el diseño. Habían alcanzado el Nuevo Mundo: la era nuclear.

La primera pila nuclear generada por el hombre —hoy la llamaríamos reactor— contaba con tres barras de control de cadmio. Una se podía controlar a distancia. Otra era para una emergencia; si todo se ponía feo, con un hacha cortarían la cuerda que aseguraba el contrapeso que la controlaba y se introduciría de forma rápida. La última frenaba la reacción hasta que se deseara que comenzase. No sabían qué pasaría al retirarla, así que, por si acaso, había un sistema de emergencia en el techo preparado para inundar la sala con una solución de sales de cadmio.

Tras la Segunda Guerra Mundial, la etapa de exploración de la energía nuclear produjo decenas de pilas y, desde finales de los años cincuenta, se desarrollaron varias tecnologías para reactores nucleares. Muchos de los 118 elementos conocidos, y algunos de sus compuestos, fueron decisivos en estos desarrollos; unos como combustibles, otros como materiales estructurales, refrigerantes y moderadores. Algunos, como el cadmio en la Chicago Pile-1, se usaron como venenos debido a su capacidad para absorber neutrones. Entre ellos destaca el boro, pero también algunos elementos de las tierras raras, como el disprosio, el hafnio, el erbio y, sobre todo, uno de los más usados en la actualidad: el elemento 64, el gadolinio.

Curiosamente, la palabra «veneno» proviene de la diosa romana Venus, pues las pociones mágicas de amor se llamaban originalmente «venenum», pero con el tiempo se extendió a todas las drogas, pociones y medicamentos, incluso a los que causaban la muerte. En español, la palabra «veneno» significa «una sustancia que, si se introduce en un ser vivo, puede causarle graves problemas de salud e incluso la muerte». En inglés se diferencia claramente entre poison y venom. El primero es equivalente al término en español y es el que se usa en tecnología nuclear.

Los venenos, al margen de su peligrosidad, también aportan beneficios en el control de poblaciones, por ejemplo, la de palomas en el entorno urbano. Su eficacia en la cadena de control dependerá de detalles imperceptibles: conocer bien los mecanismos físicos de nuestro sistema, elegir el veneno adecuado y dosificarlo correctamente. En el mundo nuclear, su misión es mantener la población de neutrones (N) en un número y contexto compatibles con la obtención de una reacción en cadena autosostenida.

La importancia del control

El mecanismo por el que se genera energía en un reactor nuclear es la fisión, una reacción que la científica austriaca Lise Meitner interpretó en 1938. Un núcleo pesado (²³⁵U) se rompe en dos nuevos productos más ligeros (productos de fisión) al impactar sobre él un neutrón de la velocidad adecuada (neutrón lento o térmico), liberando a su vez gran cantidad de energía y, lo que es más interesante, liberando dos o tres nuevos neutrones muy rápidos. Estos podrán impactar, tras reducir su velocidad, contra otros átomos pesados que se encuentren en su camino. Se producirá así una nueva fisión y nuevos neutrones que, a su vez, producirán otra fisión y otros neutrones, y así sucesivamente hasta «el infinito y más allá».

No, hasta el infinito no. La reacción se mantendrá mientras haya átomos pesados que se puedan fisionar. El concepto de reacción en cadena fue patentado en 1934, cuatro años antes del descubrimiento de la fisión, por el físico húngaro Leo Szilárd. Se dice que se le ocurrió mientras esperaba el cambio de semáforo en una calle de Londres. Szilárd también intuyó y temió que, si esa reacción se producía muy rápidamente, podría causar una explosión nuclear. Sin embargo, si se controla, se obtiene un reactor; precisamente eso consiguió Fermi y su equipo de Chicago.

Si siguiéramos al neutrón desde su nacimiento en una fisión hasta provocar la siguiente, comprobaríamos que no siempre lo logra. Muchos obstáculos pueden impedírselo: ser absorbido por los materiales del combustible y del reactor, escapar del área de interés o no encontrar nuevos átomos de ²³⁵U en su camino. Para que la reacción se mantenga por sí misma, es decir, para alcanzar la criticidad, el número de neutrones generados por fisión debe ser igual al de los que se escapan, más los que son absorbidos por los materiales y los que producen una nueva fisión (N = E + A + F).

Esto tiene que ver con un concepto denominado factor de multiplicación o «K efectiva». Cuando un reactor está crítico, la «K efectiva» = 1. Si hay pocos átomos de ²³⁵U o neutrones, el reactor es subcrítico, «K efectiva» < 1, y la reacción se apagará. Pero si hay demasiados, estamos ante una situación de supercriticidad, «K efectiva» > 1, y podríamos perder el control.

Para producir energía, los reactores consumen combustible que hay que reponer periódicamente. En cada nuevo ciclo de operación se extrae un tercio del combustible gastado y se reemplaza por otros tantos elementos frescos. El ciclo comienza siempre con un exceso de reactividad que se mantiene controlado mediante el uso de venenos y finaliza cuando esta disminuye y ya no se necesitan. Cuando el reactor se vuelve subcrítico, se apaga por sí solo.

En el ámbito nuclear, al igual que en el culinario, es posible hallar recetas con ingredientes y pasos minuciosamente especificados, pero cuyo resultado puede variar según el profesional que las ejecute. Del mismo modo, la combinación de elementos combustibles y venenos, tanto en cantidades como en posiciones, depende en gran medida de la pericia del diseñador. Es crucial obtener la máxima energía sin utilizar un exceso de elementos frescos o de enriquecimiento en ²³⁵U, garantizando al mismo tiempo la seguridad y el control durante todo el ciclo. La forma más efectiva de controlar la población de neutrones a largo plazo es, sin duda, la combinación de métodos que funcionan bien juntos. El boro disuelto en el agua sirve para controlar la reactividad de manera general. Los venenos integrados en el combustible —como el gadolinio— permiten controlar la reactividad de forma local en zonas de alto flujo de neutrones y con gran cantidad de ²³⁵U. Las barras de control y de parada, con otros venenos (Ag, In, Cd o B), se utilizan para detener el reactor.

Los venenos se consumen, pero el gadolinio lo hace mejor

Me topé por primera vez con el gadolinio a mediados de los años noventa. Entonces poco sabía sobre él; ni siquiera estaba al corriente de que perteneciera a las tierras raras. Tampoco de que estas tuvieran un vínculo tan estrecho con el mundo nuclear, pues el uranio y el torio aparecen junto a las tierras raras en algunos minerales como la monacita. Ni que decir tiene de mi ignorancia sobre la contribución del Proyecto Manhattan a los métodos de separación de las tierras raras y al descubrimiento del prometio.

Comencé diseñando el núcleo de la central José Cabrera, popularmente conocida como Zorita. —¡Qué mona! —dijo alguien. No recuerdo quién fue, pero lo decía por su cúpula pintada de rojo y su pequeño tamaño. Zorita era lo suficientemente pequeña como para que el control del exceso de reactividad se realizara exclusivamente mediante boro disuelto en el agua del refrigerante, el cual disminuía conforme absorbía neutrones (¹⁰B (n, α) ⁷Li). Por este motivo, los venenos de neutrones también se conocen como venenos consumibles. Como también disminuían los átomos físiles según se producían fisiones, era evidente que la reactividad era cada vez menor y las necesidades de boro para controlarla también lo eran. El ciclo terminaba cuando la concentración de boro era prácticamente nula.

El núcleo de Zorita no necesitaba venenos para controlar los picos locales de potencia que se producían en los elementos frescos, ya que esto se conseguía combinando adecuadamente los elementos frescos y los quemados, o bien utilizando elementos frescos con distinto enriquecimiento en ²³⁵U.

Años más tarde, pasé a diseñar el núcleo de una central más grande. El control ya no era tan sencillo. Además del boro disuelto en el agua, se necesitaban venenos para el control de los picos locales. En aquella época, en España se utilizaban unos tubos concéntricos de zircaloy rellenos de pastillas de carburo de boro y óxido de aluminio (Al₂O₃-B₄C), conocidos como WABAS (Wet Annular Burnable Absorber). Al no estar integrados en el combustible, estos venenos suponían un residuo que había que gestionar al finalizar el ciclo.

El gadolinio fue, desde el principio, un veneno de uso habitual, tanto en forma de nitrato de gadolinio (Gd(NO₃)₃), inyectado en el refrigerante de los reactores que usan uranio natural y están moderados por agua pesada (D₂O), como en forma de trióxido de gadolinio (Gd₂O₃) en el combustible nuclear de los reactores de agua en ebullición. Sin embargo, no era popular en los reactores de agua a presión (PWR), los más numerosos en la actualidad. Fue a mediados de los años noventa cuando comenzó su estudio como veneno integrado para las centrales españolas de este tipo. La fábrica de combustible nuclear de Juzbado (Salamanca) comenzó a fabricar barras de combustible PWR con gadolinio que se introdujeron en elementos de demostración y se irradiaron en una de las cinco centrales españolas de este tipo. El estudio de su comportamiento tras varios ciclos de operación confirmó sus beneficios, por lo que en 1997 todas las centrales españolas lo adoptaron como veneno neutrónico.

Siete isótopos forman el gadolinio natural, de los cuales el ¹⁵⁵Gd y el ¹⁵⁷Gd representan el 30 % y tienen una de las mayores secciones eficaces de captura de neutrones térmicos para elementos estables. Esto significa que puede reducir eficazmente la población de neutrones incluso con una concentración muy baja.

A diferencia de los WABAS, el gadolinio es uno de los venenos que se incorporan a las pastillas de combustible de UO₂, lo que evita la manipulación de residuos una vez que han dejado de utilizarse. Por otro lado, los diseños de venenos basados en boro presentan el inconveniente de generar helio (α), lo que tiene consecuencias negativas dentro de la pastilla combustible, por lo que no suelen incorporarse en la matriz de UO₂. El gadolinio, el erbio y el disprosio se usan integrados en las pastillas como óxidos mixtos (UO₂-Gd₂O₃, UO₂-Er₂O₃ y UO₂-Dy₂O₃) y concentrados espacialmente en un pequeño número de barras dentro del elemento combustible en lugar de estar disueltos en el refrigerante.

Esto permite aprovechar una de sus mejores cualidades: el autoblindaje espacial. Como si fueran las capas de una cebolla, los neutrones térmicos que entran en la barra de combustible envenenada se absorben primero cerca de la superficie, en la capa exterior; los átomos de ¹⁵⁵Gd y ¹⁵⁷Gd cercanos al centro ven un flujo de neutrones térmicos prácticamente nulo. Por ello, protegidos de la captura de neutrones, se prolonga el tiempo de agotamiento de ambos isótopos. Esto concede al diseñador nuclear cierta flexibilidad para controlar tanto el efecto de absorción inicial como la velocidad de agotamiento de forma independiente y diseñar así ciclos más eficientes.

No obstante, hay que admitir que la introducción del gadolinio también conlleva costes, como la reducción de la conductividad térmica del combustible o la producción de grietas durante la fabricación. Es por ello que las concentraciones de gadolinio a introducir en el combustible están limitadas; el enriquecimiento del ²³⁵U de las pastillas se reduce para garantizar la seguridad y, para evitar efectos no deseados, el proceso de fabricación está rigurosamente supervisado.

Del pasado al futuro

La biografía del gadolinio está estrechamente ligada a la historia del descubrimiento de las tierras raras. Su nombre se lo debe a uno de los primeros químicos en estudiar la «piedra pesada de Ytterby» o gadolinita: el finlandés Johan Gadolin. Sin embargo, la gadolinia fue descubierta en 1880 por Jean Charles de Marignac y la separación del gadolinio en estado puro, en 1889, se la debemos a Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran. Pertenece a la familia de los lantánidos, esos escurridizos elementos que atormentaron a Dmitri Mendeléiev en su intento por clasificarlos.

Curiosamente, la proporción de gadolinio en la gadolinita es relativamente escasa. En la actualidad, su suministro está estrechamente vinculado a la industria minera mundial de tierras raras: se extrae principalmente de la monacita y la bastnasita en China, Estados Unidos, Australia, Rusia, India, Brasil, Vietnam y Canadá.

Debido a sus cualidades, además de como veneno neutrónico, el gadolinio ha encontrado múltiples aplicaciones: en microondas, en los tubos de imagen de televisores a color y también como agente de contraste radiológico intravenoso en la resonancia magnética (RM).

Aunque hoy se albergan dudas respecto a su toxicidad como agente de contraste, como veneno neutrónico sus beneficios le auguran un futuro prometedor. Frente a otros combustibles con tierras raras, como el Dy₂O₃, Sm₂O₃ y el Eu₂O₃, cuyo uso comercial es prácticamente inexistente, el gadolinio está ampliamente extendido y testado. Pero, junto a ellos, también sigue teniéndose en cuenta en los reactores de investigación y en tecnologías de nueva generación de reactores y combustibles. Las oportunidades de investigación en los reactores avanzados también son amplias, ya que puede contribuir a resolver o mitigar algunos problemas derivados del uso de otro tipo de venenos.

Su potencial, sin embargo, se extiende más allá de este ámbito, con nuevas posibilidades en la detección de neutrinos. Cuando Wolfgang Pauli propuso su existencia en 1930, afirmó: «He hecho algo terrible. He postulado una partícula que no se puede detectar». Veinticinco años después, en 1956, Clyde Cowan y Frederick Reines detectaron por primera vez un neutrino emitido por un reactor.

Los reactores nucleares constituyen la mayor fuente de neutrinos conocida: cada fisión nuclear es seguida por aproximadamente seis desintegraciones beta y, en cada una de ellas, se emite un antineutrino. Por ello, la monitorización de antineutrinos con detectores compactos es primordial y en ellos el gadolinio es clave para lograr un mayor rechazo del fondo.

Es más, la mera posibilidad de añadir gadolinio al agua del detector Super-Kamiokande es ya una realidad que permitirá incrementar significativamente sus capacidades de detección y, por tanto, nuestra comprensión del universo. Un avance que ni siquiera Pauli hubiera podido anticipar.