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.
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Enhorabuena, qué gran artículo!
me ha recordado mucho a los libros de Benjamin Labatut!
Gracias, K.
Me encanta Bejamin Labatout, nunca hubiera esperado que alguien me comparara con él. No creo que esté a su altura, pero seguiré practicando.
Fantástico e interesantísimo artículo, ¡gracias Isabel! Aguardamos con ganas muchos más sobre el tema, u otros relacionados :) Además con detalles sobre los reactores patrios, algo que no suele ser tan inmediato de encontrar por internet como las ya manidas descripciones o extrapolaciones de los reactores pioneros americanos o soviéticos.
Por aportar mi granito de arena, efectivamente el gadolinio se usa en SK desde hace un lustro (la concentración se va alzando poco a poco a base de disolver sulfatos hidratados del elemento en el agua ultrapura que sirve de medio de detección del experimento, desde el 0.11‰ a 0.33‰ actualmente, y hasta un 1‰ planeado para el futuro). Conviene señalar que el gadolinio es un metal pesado, y el detector es básicamente una caverna excavada en una mina inutilizada que usa las aguas freáticas que se filtran de la roca. Pero la estanqueidad de sus paredes no es perfecta ni se mantiene siempre la misma agua contenida en la cavidad, sino que existía una renovación periódica, reponiendo lo que se perdía por diseño o por filtraciones. Es decir, que con el diseño «de siempre», el detector vertería cantidades significativas de metales pesados al medio ambiente, incluyendo el río Takahara, afluente del Jinzu que desemboca en Toyama. La zona ya está acostumbrada a envenenamientos por metales pesados (en concreto, cadmio) visto que fue y todavía es hasta cierto punto una importante zona minera. Hay museos donde se explican los impactos de la enfermedad itai-itai (duele-duele) en la población local en la posguerra, y cómo sólo se consiguió concluir la limpieza y renaturalización de las aguas hace poco más de una década (oficialmente), así que es un tema sensible. Como parte del vaciado y rehabilitación del detector en 2018-19 (en la que participé personalmente), se hizo un gran trabajo de impermeabilización de las paredes externas y preparación para albergar el gadolinio disuelto, de modo que las aguas efluyentes pasaran al 100% por un sistema de filtrado por resinas que capturara la práctica totalidad del elemento. A parte, hay un monitoreo extensivo de todas las fuentes de agua de la zona.
Pero hecho bien, como parece que está siendo el caso en Japón, el gadolinio efectivamente permite cosas inimaginables con otras técnicas. Tiene casi un millón de veces mayor sección eficaz de captura de neutrones que el hidrógeno/protón del agua, y permite con la bajísima concentración disuelta en SK una captura del 75% de los neutrones que pasan por allí. Como bien dice el artículo, su inclusión permite rechazar fondos que de otra manera harían indistinguible la señal de los antineutrinos buscados (sean de reactores o, en el caso más científicamente interesante -y de flujo muchísimo menor-, de supernovas). Esto es porque, al igual que las desintegraciones (beta) de los productos de fisión en un reactor producen antineutrinos, los antineutrinos de baja energía incidentes en el agua tienen una cierta probabilidad de transformar uno de sus hidrógenos/protones en un neutrón, emitiendo un positrón y un neutrón, en lo que se llama con poca imaginación: desintegración (beta) inversa. El positrón es antimateria así que se aniquila con un electrón cercano casi inmediatamente. Esto produce una señal luminosa «rápida», llamada así porque sucede casi inmediatamente después de la reacción del antineutrino. El neutrón por otra parte suele termalizarse y rebotar hasta que encuentre alguien que lo quiera/absorba, en este caso el gadolinio (el 75% de las veces, como indicaba), emitiendo otro flash gamma al reequilibrarse su nucleo recientemente deformado. Es decir, hay una señal «rápida» y otra «retrasada», separadas por un intervalo bien definido de tiempo (1 ms más o menos). Este doble destello es lo que permite reducir significativamente otras señales indistinguibles de otra manera. Además, mejora la capacidad de «orientar» el tiro y saber de dónde vino el antineutrino – se prevé que bajo 3º de incertidumbre en el caso de una supernova, permitiendo avisar inmediatamente a otros telescopios para que observen esa región del cielo. Los beneficios para el experimento gemelo T2K, donde se disparan neutrinos y antineutrinos generados artificialmente en un acelerador de partículas a unos 150 km de distancia, serán también enormes (llevan algo más de un año recogiendo datos con estas mejoras).
No estará solo Super-Kamiokande en su uso del gadolinio: su hermano mayor Hyper-Kamiokande también está previsto que lo use, máxime dado el éxito y buen comportamiento de la experiencia en SK. Han acabado hace poco la excavación principal de la nueva y gigantesca caverna y se está procediendo con la instrumentación del detector propiamente dicho. En un par de años se espera que comience a funcionar con agua pura, y tras unos años se procederá a cargarla de gadolinio de la misma manera.
Para acabar, una anécdota real de la diversión que puede procurar el gadolinio: uno de los inventores de la técnica de detección de neutrinos con agua dopada con sales de gadolinio, durante la fase inicial de investigación y prototipos, había recibido recientemente una bolsa con el compuesto, pero por cuestiones de evitar retrasos aduaneros y análisis químicos en el laboratorio de su Universidad (no japonesa), no la envió directamente a Japón. Una vez confirmada la calidad, puesto que la cantidad era relativamente pequeña y se trata de una sustancia valiosa, decidió llevarlo directamente en su equipaje de mano en su próximo viaje al detector. Conviene notar que el sulfato de gadolinio es un polvo blanco parecido a… la harina… y otras cosas. Contenido en una bolsa de plástico sellada. También conviene notar que el gadolinio no sólo absorbe bien los neutrones sino que, siendo un metal pesado, bloquea completamente los rayos X. El egregio catedrático pasa su maleta por los controles, y los guardias alarmados notan un bulto completamente opaco en sus escáneres. Le hacen abrir la maleta y con agitación creciente le preguntan por el saco de polvo blanco. Les cuenta, pero aquéllo debía de sonar a historia para no dormir, así que le comentan que tendrían que sacar una muestra para analizar si era alguna… sustancia controlada. Él inmediatamente objeta diciendo «no, no, no pueden hacer algo así, ¡es muy pura!».
Sabemos que llegó, y las sales también, todavía puras. No sabemos qué pudo pasar en las salas ocultas de aquél aeropuerto, eso sí.
Excelente, y sobro todo clarísimo comentario para uno que no entiende tanto de estas cosas fantásticas. Desopilante situación la de ese científico en el aeropuerto. Están tan embuídos en su mundo que sospecho que todavía no se dio cuenta de que lo tomaban por un traficante. Muchísimas gracias
Gracias, David.
Es muy interesante todo lo que cuentas. Mi especialidad es la energía de nuclear de fisión y esos detalles del SK los desconocía. Toda esa información, incluida esa fantástica anécdota, dan para otro artículo. Anímate a escribirlo.
¡Qué artículo, señora! Muy bueno. Le agradezco infinitamente la lectura.
Gracias a ti, E. Roberto.
Me alegro mucho de que te haya gustado.
Nunca estoy segura de pasarme en lo técnico y de si llegará a un nivel de comprensión adecuado.