Reattore a fissione nucleare naturale

Il "fenomeno Oklo" è stato scoperto nel giugno 1972 dal laboratorio dell'impianto di arricchimento dell'uranio di Pierrelatte, in Francia. L'analisi di routine di un campione di uranio naturale ha rivelato un leggero ma anomalo deficit di uranio 235 (²³⁵U) . La percentuale normale di ²³⁵U con precisione, questa discrepanza doveva essere spiegata, per cui la CEA ha avviato un'indagine su campioni provenienti da tutte le miniere gestite dalla CEA in Francia, Gabon e Niger, e in tutte le fasi di lavorazione del minerale e di purificazione dell'uranio.

Per le analisi dell'uranio e dell'²³⁵U, la Divisione Produzione della CEA si affida al Laboratorio di Analisi dell'impianto di Pierrelatte e al Laboratorio Centrale di Analisi e Controllo della CEA a Cadarache, diretto da Michele Neuilly, dove Jean François Dozol è responsabile delle analisi di spettrometria di massa.

Le analisi effettuate a Pierrelatte e a Cadarache hanno mostrato che gli uranati di magnesio (o torte gialle) provenienti dal Gabon presentavano una deplezione di ²³⁵U variabile ma costante. Il 7 luglio 1972, i ricercatori di Cadarache hanno scoperto un'anomalia nel minerale di uranio proveniente da Oklo, in Gabon. Le analisi isotopiche rivelarono l'origine della deplezione di ²³⁵U: l'uranio impoverito proveniva dal minerale di Oklo, in Gabon, estratto da COMUF. È stata quindi condotta una campagna di analisi sistematica nei laboratori di Cadarache e Pierrelatte (misure del contenuto di uranio, misure del contenuto isotopico)^[3]. Sui campioni di Oklo, gli analisti di Cadarache hanno notato un impoverimento di ²³⁵U per l'uranato di magnesio dell'impianto di Mounana (²³⁵U = 0,625%) e un impoverimento ancora maggiore per un uranato di magnesio (Oklo M) (²³⁵U = 0,440%): I minerali Oklo 310 e 311 hanno contenuti di uranio rispettivamente del 12% e del 46% e contenuti di ²³⁵U dello 0,592% e dello 0,625%.^[4]

In questo contesto, J.F. Dozol ha preso l'iniziativa di analizzare l'uranato di magnesio e i campioni di minerale di Oklo con lo spettrometro di massa a scintilla AEI MS 702 (SSMS).

Il vantaggio dell'SSMS è la sua capacità di produrre quantità sostanziali di ioni da tutti gli elementi presenti negli elettrodi. Gli elettrodi, tra i quali si genera una scintilla, devono essere conduttivi (per ottenere questo risultato, i campioni di Oklo sono stati mescolati con argento di elevata purezza). Tutti gli isotopi del campione, dal litio all'uranio, sono riportati su una lastra fotografica. Esaminando la lastra (vedi sotto), J.F. Dozol ha notato in particolare l'elevatissimo contenuto di uranio del minerale Oklo 311:

- elementi presenti in quantità significative intorno alle masse 85-105 e 130-150, corrispondenti alle due protuberanze dei rendimenti di fissione dell'²³⁵U. (La distribuzione di massa dei prodotti di fissione segue una curva a "gobba di cammello", con due massimi),

- gli ultimi lantanidi (dall'olmio al lutezio) non vengono rilevati (oltre la massa 166). In natura si trovano tutti i 14 lantanidi; nel combustibile nucleare, avendo subito reazioni di fissione, gli isotopi degli ultimi lantanidi non vengono rilevati.^[5]

Il passo successivo è l'analisi isotopica di alcuni elementi su uno spettrometro di massa a ionizzazione termica, dopo la separazione chimica di neodimio e samario. Dalle prime analisi dell'uranato di Oklo "M" e del minerale "Oklo 311", è chiaro che il neodimio e il samario hanno una composizione isotopica molto più vicina a quella trovata nel combustibile irradiato che a quella dell'elemento naturale. Il rilevamento degli isotopi ¹⁴²Nd e ¹⁴⁴Sm non prodotti dalla fissione indica che questi elementi sono presenti anche allo stato naturale, da cui è possibile sottrarre il loro contributo.

Questi risultati sono stati trasmessi allo scienziato neutronista Jean Claude Nimal (CEA Saclay), che ha stimato il flusso di neutroni ricevuto dal campione analizzato sulla base del suo deficit di ²³⁵U. Ciò ha permesso di stimare la cattura neutronica da parte degli isotopi ¹⁴³Nd e ¹⁴⁵Nd, con conseguente formazione aggiuntiva di ¹⁴⁴Nd e ¹⁴⁶Nd rispettivamente. Questo eccesso deve essere sottratto per ottenere i rendimenti di fissione dell'²³⁵U.[3] Come si può vedere dalla tabella seguente, i rendimenti di fissione (M) concordano con i risultati corretti (C) per la presenza di neodimio naturale e la cattura neutronica.^[6]

I presupposti

La più importante rivoluzione che si verificò due miliardi di anni fa sulla Terra fu lo sviluppo delle alghe verdi-azzurre: questi microorganismi sono gli antesignani delle piante, infatti hanno la caratteristica di poter effettuare la fotosintesi clorofilliana. La loro diffusione diede il via alla creazione dell'atmosfera ad alto contenuto di ossigeno che caratterizza ancora oggi il nostro pianeta.

L'uranio è solubile in acqua solo in presenza di ossigeno, perciò l'aumentare dei livelli d'ossigeno durante le ere geologiche deve avere permesso la soluzione di uranio in acqua e il suo trasporto da parte della stessa fino a luoghi in cui l'uranio finiva col depositarsi, in concentrazioni via via maggiori. Probabilmente queste concentrazioni non sarebbero state possibili senza il nuovo ambiente aerobico creato da questi primi esseri viventi. Altra caratteristica importante è la conformazione particolare del terreno dove si trova la vena uranifera, la sua inclinazione a circa 45° permise infatti l'accumulo di acqua in un serbatoio naturale, dove l'ossido di uranio si poteva concentrare.

Inoltre la reazione auto sostenuta non avrebbe potuto avere luogo se la concentrazione di ²³⁵U non fosse stata così alta. Infatti, poiché gli isotopi 235 e 238 hanno emivita molto diversa, la loro abbondanza relativa è cambiata continuamente con il passare delle ere geologiche e il rapporto ²³⁵U/²³⁸U (oggi 0,72% circa) era all'epoca significativamente più alto.

Il meccanismo di funzionamento del reattore e la distribuzione dei suoi prodotti permette di stabilire con un buon grado di precisione il valore della costante di struttura fine ${\displaystyle \alpha }$ . Nel 1976 sono stati usati i dati del reattore per stabilire la sezione d'urto del neutrone ai tempi di funzionamento del reattore e si è stabilito che ${\displaystyle \alpha }$ non è variata nel tempo.^[7][8]
Quando era ancora studente il fisico russo Alexander Shlyakhter studiò una particolare reazione di assorbimento, quella di un atomo di samario-149 con la produzione dell'isotopo samario-150 e di un fotone. Questo fenomeno avviene soltanto in presenza di una risonanza e permette quindi di stabilire con molta precisione, data l'eccezionalità dell'evento, che la quantità di samario-150 recuperata corrisponde a quella che sarebbe prodotta da una reazione simile nel presente.
Altri ricercatori capeggiati da Yasanori Fujii hanno analizzato più a fondo questi dati e hanno stabilito che la quantità di samario-150 prodotta è compatibile con due livelli di variazione di ${\displaystyle \alpha }$ . In un caso

${\displaystyle {\frac {\Delta \alpha }{\alpha }}={\frac {\left(-0{,}2\pm 0{,}8\right)\times (10^{-17})}{anno}}}$

e nel secondo

${\displaystyle {\frac {\Delta \alpha }{\alpha }}={\frac {\left(4{,}9\pm 0{,}4\right)\times (10^{-17})}{anno}}}$

Il primo caso ammette una variazione nulla di ${\displaystyle \alpha }$ , il secondo no. Anche se molti indizi puntano sulla prima ipotesi, soprattutto analizzando alcuni parametri relativa alla cattura neutronica da parte del gadolinio, i fatti non permettono ancora di scartare in maniera ragionevolmente sicura la seconda.^[9]

I residui della fissione ammontano a circa 5,4 tonnellate oltre a circa 1,5 tonnellate di plutonio e altri elementi transuranici. Nonostante l'ampia presenza di acqua nel sito del reattore, questi prodotti sono rimasti sostanzialmente immobili, nonostante non fossero in forma inerte e isolati. Questa scoperta conferma la validità delle proposte di stoccaggio geologico fatte recentemente (come il sito di Yucca Mountain).^[10]

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• Il reattore nucleare vecchio due miliardi di anni

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