Reaktor jądrowy sprzed 2 miliardów lat. Jedyne takie miejsce na świecie

Gabon to jedyne miejsce na świecie, gdzie została udokumentowana obecność naturalnych reaktorów jądrowych. W 1972 r. znaleziono dowody wskazujące na to, że ok. 2 miliardów lat temu w złożu rud uranowych w Oklo samorzutnie doszło do reakcji łańcuchowej rozszczepienia uranu. Naukowcy znaleźli ślady kilkunastu takich stref reakcyjnych. Późniejsze badania składu izotopowego próbek z Oklo wykazały, że reakcje jądrowe występujące w tych złożach przebiegały w sposób bardzo zbliżony do procesów zachodzących w reaktorach stworzonych przez człowieka.

Odkrycie wpłynęło na pojawienie się wielu teorii dotyczących pochodzenia reaktorów - od pozaziemskich technologii po działalność zaginionej prehistorycznej cywilizacji. Tymczasem już w 1956 roku, czyli lata przed badaniami na temat Oklo, możliwość powstawania takich naturalnych reaktorów oraz warunki niezbędne do ich działania przewidział Paul Kazuo Kuroda, japoński fizykochemik pracujący w USA. Naturalne reaktory w Oklo to więc niezwykły dowód na to, że "wszystko już było" - oto jak zaskakująco kreatywna bywa natura.

Historia identyfikacji naturalnych reaktorów jest ciekawa sama w sobie. Odkryć dotyczących Oklo dokonali w 1792 r. naukowcy z Francji. Fizyk Francis Perrin podczas rutynowych badań materiału z różnych kopalni zauważył drobne różnice w składzie próbek z Gabonu - mianowicie nienormalny niedobór izotopu uranu 235. Rudy uranu na całym świecie mają go dokładnie 0,720 proc. - a próbki z Oklo 0,717 proc. Konieczne więc było przeprowadzenie dokładnych analiz.

Niewielka anomalia w rudzie z Oklo doprowadziła wkrótce do wielkiego odkrycia - jedynym rozsądnym wyjaśnieniem różnic w stosunku izotopów było to, że część uranu 235 została kiedyś "zużyta" w reakcji rozszczepienia jądra atomowego. Jak do tego wszystkiego doszło? Zgodnie z opracowaniem Kurody, warunkami do powstania naturalnego reaktora są odpowiedni rozmiar, układ i zawartość złoża, obecny w nim spowalniający neutrony moderator i niska zawartość innych pierwiastków z izotopami silnie absorbującymi neutrony. Przez niesamowity zbieg okoliczności wszystkie te składowe wystąpiły ok. 2 mld lata temu w Oklo.

Uważa się, że na powstanie warunków odpowiednich do "uruchomienia" naturalnych reaktorów w Oklo miliardy lat temu wpływ miały zmiany na Ziemi określane jako katastrofa tlenowa, czyli wzrost zawartości tlenu w ziemskiej atmosferze. Zapoczątkowało to koncentrację uranu w postaci bogatych złóż tlenków. Związki gromadziły się w osadach rzeki Ogowe. Gdy zostały spełnione odpowiednie warunki, m.in. stężenie uranu osiągnęło odpowiedni poziom, mogła rozpocząć się reakcja łańcuchowa. Zawartość izotopu U 235 wynosiła tam ponad 3 proc. całej masy uranu w złożu, czyli podobnie, ile stosuje się we współczesnych reaktorach. Kluczową rolę w pracy naturalnych reaktorów odgrywała woda. Gdy reakcja przyspieszała - temperatura rosła. Woda parowała, a więc zanikał moderator i proces samoczynnie zwalniał. Badacze sugerują, że twory te mogły działać na zasadzie ok. 30 minut pracy, a następnie ok. 2,5 godziny przerwy. Prawdopodobnie reaktory uruchamiały się głównie po intensywnych opadach, a w okresach suszy naturalnie wygasały.

Samoczynnie wzbudzone zjawisko powtarzało się przez wieki. Co interesujące, naukowcy odkryli, że proces ten był na tyle stabilny, że w złożu nigdy nie doszło do wybuchu ani stopienia wskutek "niekontrolowanej" reakcji łańcuchowej. Szacuje się, że naturalne reaktory w Oklo "pracowały" co najmniej przez kilkaset tysięcy lat - nawet do kilku milionów, średnio generując moc ok. 100 kW. Dla porównania, na świecie w energetyce wykorzystywanych jest obecnie ponad 400 reaktorów jądrowych o całkowitej mocy przekraczającej 360 GWe.

Fragment tego niezwykłego miejsca można zobaczyć na żywo - w Muzeum Historii Naturalnej (NHM) w Wiedniu w Austrii. To próbka rdzenia wiertniczego z naturalnego reaktora jądrowego nr 10 w Oklo. Naukowcy z Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA) pomogli w dostarczeniu próbki do Wiednia, monitorując poziom radioaktywności i ułatwiając bezpieczne obchodzenie się ze skałą. Ciemny, nakrapiany jaśniejszymi plamkami materiał wydaje się niepozorny - jednak historia kryjąca się w tym niewielkim fragmencie z naturalnego reaktora to dowód na niezwykłe procesy, jakie zachodziły na Ziemi, zanim pojawił się na niej człowiek.

- Chcemy, aby ludzie dowiedzieli się o naturalnej radioaktywności, aby uświadomili sobie, że radioaktywność jest wszędzie wokół nas, że jest naturalna i że w niewielkich ilościach nie stanowi zagrożenia. Radioaktywność znajduje się w podłogach i ścianach naszych domów, w jedzeniu, które spożywamy, w powietrzu, którym oddychamy, a nawet w naszych własnych ciałach. Czy istnieje lepszy sposób, aby to wyjaśnić, niż pokazanie prawdziwej próbki z Oklo, gdzie miliardy lat temu w naturalny sposób doszło do rozszczepienia jądrowego? - powiedział geolog Ludovic Ferrière, kustosz kolekcji skał w NHM.

Badacze sugerują, że naturalne reaktory w Oklo stanowią dobry przykład tego, jak zachowują się odpady promieniotwórcze w bardzo długim czasie. Analizy pokazują, że produkty rozszczepienia powstałe w tych reaktorach pozostały w tym samym miejscu przez miliardy lat, mimo działania procesów naturalnych. Dla naukowców jest to ważny dowód, że zużyte paliwo jądrowe może być uwięzione w skałach przez niezwykle długi czas.

- Produkty uboczne z Oklo są dziś używane do badania stabilności stałych fundamentalnych w kosmologicznych skalach czasu, a także do znajdywania bardziej efektywnych sposobów rozporządzania przetworzonymi przez ludzi odpadami nuklearnymi. Żaden naturalny reaktor nie istnieje obecnie, ponieważ względna gęstość rozszczepialnego uranu spadła poniżej wartości niezbędnej do podtrzymania reakcji - podaje pod zdjęciem reaktora nr 15 w Oklo polska wersja serwisu Astronomy Picture of the Day NASA.

Pozostałości po tlenku uranu widoczne są w dawnych naturalnych reaktorach jako pożółkła skała. Prawdopodobne jest, że na Ziemi istniało więcej takich naturalnych reaktorów jądrowych - podejrzewając, że ich ślady mogą być ukryte szczególnie na terenie Ameryki Północnej i Australii, naukowcy prowadzili tam badania - bezskutecznie. Gabon pozostaje jedynym na świecie miejscem, gdzie odkryto ten fenomen.

^{Źródła: Astronomy Picture of the Day; Gov.pl; Grzegorz Jezierski - Politechnika Opolska, Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 3/2011, cire.pl; Grzegorz Lizurek - Instytut Geofizyki PAN: Pierwszy reaktor jądrowy, deltami.edu.pl; Jerzy Niewodniczański - Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie: Oklo, fis.agh.edu.pl; Jerzy W. Mietelski - Instytut Fizyki Jądrowej PAN: Naturalny reaktor Oklo w Gabonie 50 lat od odkrycia, indico.ifj.edu.pl; Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej; Muzeum Historii Naturalnej w Wiedniu}