2 miliardy lat temu natura stworzyła własny reaktor jądrowy: Oto jak to działa!
"To nie może być możliwe."
Taka myśl zaświtała fizykowi Francisowi Perrinowi w maju 1972 roku. Perrin badał ciemną bryłę rudy uranu w zakładzie przetwórstwa paliwa jądrowego w południowej Francji. Ta próbka, wydobyta z kopalni w Gabonie w Afryce, skrywała tajemnicę, która podważała całą wiedzę naukowców na temat uranu naturalnego.
Zwykle uran składa się ze stałej proporcji izotopów, takich jak uran-238, uran-234 i kluczowy uran-235. Zawartość uranu-235 w skorupie ziemskiej jest stała i wynosi 0,720%. Jednak ta próbka z Gabonu zawierała tylko 0,717% uranu-235. Choć było to niewielkie odchylenie, wystarczyło, by wywołać alarm. Najprostszym wytłumaczeniem było to, że uran uległ rozszczepieniu. Ale skoro była to próbka pochodzenia naturalnego, jak to możliwe?
Czy ktoś manipulował uranem? Czy to dzieło starożytnej, nieznanej cywilizacji? A może w grę wchodziło coś jeszcze dziwniejszego?
Rozszczepienie w naturze
W miarę jak naukowcy kontynuowali swoje badania, sytuacja stawała się coraz bardziej złożona. Niektóre próbki uranu z regionu Oklo w Gabonie zawierały jeszcze niższe poziomy uranu-235, tak niskie jak 0,4 procent . To było coś więcej niż tylko statystyczny przypadek; wskazywało to na fundamentalną zmianę w rudzie. Dalsza analiza wykazała, że uran rzeczywiście uległ rozszczepieniu, temu samemu procesowi, który jest stosowany w reaktorach jądrowych. Jednak nie był to wynik interwencji człowieka ani obcego gatunku. Dowody wskazywały na wydarzenie, które miało miejsce dwa miliardy lat temu. Nagle pojawiło się coś nie do pomyślenia: Natura stworzyła własny reaktor jądrowy. Francja wydobywała uran z Gabonu, swojej ówczesnej kolonii, przez prawie 40 lat. Francja była znaczącą potęgą jądrową, wykorzystującą uran do wytwarzania energii elektrycznej zarówno u siebie, jak i w innych częściach Europy. Odkrycie złóż uranu w pobliżu miasta Oklo w Gabonie było ekscytującą wiadomością, ale nikt, przynajmniej początkowo, nie rozumiał w pełni, co zostało odkryte. W ten sposób Perrin przeanalizował tę dziwną próbkę. On i jego koledzy potwierdzili, że była to próbka naturalna, która uległa fuzji, gdy Ziemia była jeszcze młodą planetą.
Sztuczne reaktory rozszczepienia jądrowego działają poprzez precyzyjną kontrolę reakcji łańcuchowej, w której atomy uranu-235 są rozszczepiane przez neutrony, uwalniając energię i kolejne neutrony, które następnie rozszczepiają kolejne atomy. Aby podtrzymać tę reakcję, stosuje się „wzbogacony uran” , który zwiększa stężenie uranu-235. Stworzenie takich reaktorów wymaga zaawansowanej technologii, precyzyjnej inżynierii i skrupulatnych protokołów bezpieczeństwa. To nie jest coś, co można by oczekiwać po prostu w naturze.
Jednakże miliardy lat temu w Oklo natura spontanicznie zapewniła odpowiednią kombinację stężenia uranu, wody i stabilności geologicznej, aby umożliwić kontrolowaną reakcję rozszczepienia.
Jak stworzyć naturalny reaktor?
W 1956 roku chemik Paul K. Kuroda przewidział, że w odpowiednich warunkach mogą powstać naturalne reaktory rozszczepienia. Jego praca przyciągnęła uwagę, ale nie od razu spotkała się z odzewem, ponieważ warunki wydawały się mało prawdopodobne i niewielu (jeśli w ogóle ktokolwiek) spodziewało się znaleźć coś takiego.
Kuroda oszacował, że aby podtrzymać naturalną reakcję rozszczepienia jądrowego, złoże uranu musiałoby mieć co najmniej 0,66 metra grubości. Gdyby złoże było mniejsze, nie osiągnęłoby masy krytycznej. Złoże musiało również zawierać wystarczającą ilość uranu-235.
Dwa miliardy lat temu uran-235 występował w znacznie większych ilościach niż obecnie. W tamtym czasie stanowił około 3% uranu naturalnego, czyli poziom zbliżony do wzbogaconego uranu stosowanego we współczesnych reaktorach jądrowych. Podobnie jak w nowoczesnych reaktorach, potrzebny był „moderator”, aby spowolnić neutrony i zwiększyć prawdopodobieństwo rozszczepienia. W Oklo tę kluczową rolę odegrały wody gruntowe. Spowalniając neutrony, woda umożliwiała długotrwałą reakcję łańcuchową.
„Bez niczego, co mogłoby spowolnić neutrony i je moderować, jak w sztucznym reaktorze jądrowym na lekką wodę, reakcje rozszczepienia po prostu się zatrzymują. W Oklo woda działała jak moderator, kontrolując reakcję łańcuchową poprzez pochłanianie neutronów” – powiedział Peter Woods, kierownik zespołu odpowiedzialnego za produkcję uranu w Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej.
Musiał być również wolny od pierwiastków takich jak bor czy lit, które pochłaniają neutrony i hamują rozszczepienie. Na szczęście złoża Oklo były pozbawione takich „zanieczyszczeń”, co umożliwiło zajście reakcji. Gdy te warunki idealnie się połączyły, powstał naturalny reaktor jądrowy .
Starożytny reaktor w Oklo nie działał w sposób ciągły. Datując skały i analizując dawną aktywność, naukowcy odkryli, że reaktor w Oklo działał cyklicznie.
W miarę jak woda gruntowa przesiąkała złoża uranu, temperowała neutrony, umożliwiając rozszczepienie. Reakcja podgrzewała wodę, ostatecznie doprowadzając ją do wrzenia i zamieniając w parę. Bez wody, która mogłaby moderować neutrony, reakcja ustała.
„To właśnie czyni to tak fascynującym: czas, geologia i warunki wodne połączyły się, aby to się stało i aby to przetrwało do dziś. Ta historia kryminalna została pomyślnie rozwiązana” – powiedział Woods.
Gdy obszar się ochłodził i wniknęła większa ilość wód gruntowych, reakcja rozpoczęła się od nowa. Cykl ten powtarzał się przez setki tysięcy lat. Badania nad reaktorem w Oklo doprowadziły do następujących wniosków:
„W ciągu kilkuset tysięcy lat wytworzono około 15 000 megawatolat energii z rozszczepienia, co odpowiada dziesięciu latom eksploatacji dużego reaktora o mocy 1500 MW”.
Obszar naturalny, który nie ma sobie równych
Wieść o tym zjawisku naturalnym rozeszła się błyskawicznie. W 1975 roku fizycy z całego świata zebrali się w Libreville w Gabonie, aby omówić zjawisko znane jako Zjawisko Oklo. Odkrycie było zdumiewające. Ujawniło ono, że natura opanowała energię jądrową na długo, zanim ludzie mogli sobie to wyobrazić. Mimo że niektóre teoretyczne przewidywania pokrywały się z obserwacjami, udowodnienie, co się dzieje, okazało się trudne. Istniały cztery naturalnie występujące gorące punkty, wszystkie w obrębie tej samej struktury geologicznej.
Klucz do rozwiązania tych zagadek tkwił w nieoczekiwanym źródle: gazie ksenonowym. Uwięziony w minerałach w Oklo, ten obojętny (nieaktywny) gaz służył jako kapsuła czasu.
Podczas rozszczepienia jądrowego powstają różne izotopy ksenonu, a ich proporcje mogą ujawnić warunki, w jakich zachodzi rozszczepienie. Fizyk Alex P. Meshik przeanalizował te izotopy ksenonu i odkrył, że kryją one wskazówki dotyczące stabilności reaktora. Uwięziony ksenon sugerował, że reakcje rozszczepienia w reaktorze były niezwykle stabilne, naprzemiennie zachodzące wraz ze zmianami poziomu wód gruntowych.
Ksenon ujawnił również, w jaki sposób reaktor ostatecznie się wyłączył: z czasem zapasy uranu-235 stopniowo się wyczerpywały, a zapas paliwa spadł poniżej progu krytycznego niezbędnego do podtrzymania rozszczepienia.
Chociaż kopalnie uranu w Oklo są już wyczerpane, dziedzictwo jedynych znanych na świecie naturalnych reaktorów jądrowych wciąż żyje. Przykłady reaktorów w Oklo są eksponowane w muzeach, takich jak Wiedeńskie Muzeum Historii Naturalnej, gdzie zwiedzający mogą zobaczyć skały powstałe w naturalnym reaktorze rozszczepieniowym.
Mogą istnieć inne naturalne reaktory, po prostu jeszcze ich nie odnaleziono.
milliyet
