Naturalny reaktor jądrowy
Naturalny reaktor jądrowy – złoże rud uranowych, w którym w sposób naturalny doszło do łańcuchowej reakcji jądrowej. Znane są dwa złoża uranu, w których potwierdzono istnienie naturalnych reaktorów jądrowych: w Oklo i Bangombé w Gabonie. Wykryto w nich wiele stref będących w przeszłości miejscem łańcuchowych reakcji jądrowych[1]. Pierwsze naturalne reaktory zostały odkryte przez Francisa Perrina w roku 1972 w złożach uranu w okolicy Oklo[2]. Możliwość istnienia oraz warunki powstania naturalnych reaktorów zostały przewidziane przez Paula Kazuo Kuroda już w roku 1956[3]. Analiza stężeń izotopów promieniotwórczych wskazuje, że reakcje jądrowe zachodzące w złożach uranu przebiegały w podobny sposób jak w reaktorach zbudowanych przez człowieka[4].
1. Strefy reaktora jądrowego
2. Piaskowiec
3. Warstwa rudy uranu
4. Granit
W złożach w Oklo istniało 16 stref będących naturalnymi reaktorami jądrowymi około 2 mld lat temu. Reakcje zachodziły w nich kilkaset tysięcy lat. Moc reaktorów wynosiła średnio 100kW[1][5]. Szacuje się, że w warstwie złoża o miąższości do jednego metra rozszczepieniu uległo około 5 ton 235U, a temperatura podniosła się w trakcie procesu o kilkaset stopni Celsjusza[1][6].
Większość nielotnych produktów rozszczepienia pozostało w pobliżu miejsca reakcji przez kolejne 2 mld lat[1]. Badania nad rozprzestrzenianiem promieniotwórczych izotopów wokół naturalnych reaktorów jądrowych pozwalają na analizę potencjalnych, negatywnych skutków składowania radioaktywnych odpadów z elektrowni jądrowych oraz określenie warunków, w jakich nie dochodzi do rozprzestrzeniania izotopów promieniotwórczych[7].
Geneza
Powstanie naturalnych reaktorów jądrowych było możliwe dzięki wykształceniu, w wyniku ewolucji, organizmów eukariotycznych. Organizmy te przeprowadzały fotosyntezę tlenową obniżając jednocześnie stężenie CO2 w atmosferze ziemskiej. Wzrost stężenia tlenu prowadził do powstawania związków uranu z większą ilością tlenu. Takie związki są dobrze rozpuszczalne w wodzie, dzięki czemu mógł zachodzić proces powstawania bogatych w uran osadów. Ciężkie cząsteczki związków uranu dość szybko osadzały się na dnie wolno płynącej pradawnej rzeki. Osady denne zostały wzbogacone do zawartości uranu 0,5% i z czasem pokryte warstwą 4 km piasku. Wysokie ciśnienie (100 MPa) doprowadziło do powstawania szczelin, do których wody podziemne przenosiły związki uranu. W szczelinach skał ruda uranu została wzbogacona do 20–60%. Było to wystarczające stężenie, do rozpoczęcia łańcuchowej reakcji jądrowej[4].
Działanie
Warunkiem pozwalającym na działanie reaktora była wysoka koncentracja 235U. 2 mld lat temu stosunek izotopów 235U/238U był odpowiednio wysoki. Zapoczątkowanie reakcji łańcuchowej jest możliwe przy zawartości 235U powyżej 3%[7]. Po zapoczątkowaniu rozszczepienia, co nastąpiło po osiągnięciu odpowiedniej masy rud w złożu, w reaktorach nie doszło do eksplozji. Nie jest jasne czy powstały w złożu uranu reaktor pracował w sposób ciągły, czy okresowy. Musiał istnieć mechanizm samoregulacji zapewniający pewien rodzaj ujemnego sprzężenia zwrotnego. Możliwe, że regulację procesów zachodzących w naturalnych reaktorach zapewniały izotopy pierwiastków ziem rzadkich lub bor, pochłaniające neutrony. Substancje te zostały wykryte w złożach w Oklo. Inny możliwy proces samoregulacji mogła zapewniać woda, pełniąca funkcję moderatora. Reakcja była przerywana gdy temperatura podnosiła się i woda ulatniała się po zamianie w parę. Szacowana na około 100 kW moc pojedynczego reaktora odpowiada małemu reaktorowi badawczemu. Jednym z produktów reakcji jądrowej był 239Pu. Wykryto także wiele innych izotopów pierwiastków powstających podczas reakcji jądrowych[5].