Prirodni nuklearni reaktori

Geološki uvjeti u rudniku Oklo (Gabon), koji su stvorili prirodni nuklearni reaktor prije otprilike 2 milijarde godina:
1. Područje prirodnog nuklearnog reaktora
2. Pješčenjak
3. Slojevi uranijeve mineralne sirovine
4. Granit

Koncentracije prirodnih izotopa neodimija (plava boja) i u radioaktivnom otpadu nuklearnih reaktora (crvena boja).

Koncentracije prirodnih izotopa rutenija (plava boja) i u radioaktivnom otpadu nuklearnih reaktora (crvena boja).

Prirodni nuklearni reaktori su nalazišta mineralne sirovine uranija, gdje analiza izotopa pokazuje da se odvijala samoodržavajuća nuklearna lančana reakcija. Jedino takvo mjesto u svijetu, koje je do sada pronađeno, je u rudniku Oklo (Gabon). Pojavu prirodnih nuklearnih reaktora je predvidio 1956. Paul Kazuo Kuroda. Uvjeti u rudniku Oklo su vrlo slični predviđanjima.

Rudnik Oklo ima 16 različitih područja, na kojima su pronađeni tragovi samoodržavajuće nuklearne lančane reakcije, koja se dogodila prije oko 2 milijarde godina i trajala je stotinama tisuća godina, a razvijala je snagu oko 100 kW.

Povijest

U svibnju 1972., u mjestu Pierrelatte (Francuska), gdje se nalazi postrojenje za obogaćivanje uranija, redovito su se pregledavali uzorci mineralnih sirovina iz rudnika Oklo masenom spektrometrijom i primijećeno je da ima manje uranija-235 nego što je normalno za nalazišta uranija. Normalna koncentracija uranija-235 je 0,72%, a uzorci iz Okla su imali 0,717%, što je velika razlika. Mjerenja koncentracija mineralnih sirovina uranija su vrlo točna, jer se vodi briga da višak ne bi završio kao nuklearno oružje. Od tada su počela istraživanja u Gabonu i prije svega su proučavani uranij-235 i uranij-238, dva najvažnija izotopa uranija. Naknadno su proučavani izotopi neodimija i rutenija, koji nastaju nakon nuklearne lančane reakcije.

Smanjenje koncentracije uranija-235 događa se normalno u nuklearnom reaktoru i zato je logično objašnjenje da se u rudniku Oklo nekad odvijala nuklearna lančana reakcija. Kasnija istraživanja su pokazala da se to dogodilo prije oko 2 milijarde godina i to na 16 mjesta u području rudnika Oklo.

Izotopi neodimija

Izotopi neodimija su pronađeni u različitim koncentracija nego što je normalno u Zemljinoj kori. Tako na primjer, prirodni neodimij ima 27% izotopa neodomija-142, dok je u Oklu pronađeno samo 6%, što se podudara s podacima iz nuklearnih elektrana.

Izotopi rutenija

Istraživanja su pokazala da u Oklu ima izotopa rutenija-99 u puno većoj koncentraciji nego je normalno u Zemljinoj kori, bilo ga je 27% do 30%, a normalno ga ima 12,7%. Povećana koncentracija rutenija-99 nastaje radioaktivnim raspadom tehnecija-99. Izotop rutenij-100 nastaje radioaktivnim raspadom molibdena-100, koji ima vrlo dugo vrijeme poluraspada od 1019 godina, i zato ga nema u radioaktivnom otpadu.

Objašnjenje

Prirodni nuklearni reaktor nastaje kada podzemna voda preplavi mineralna nalazišta uranija, pa voda služi kao usporivač neutrona ili moderator , pa je nuklearna lančana reakcija mogla započeti. Toplina koja nastaje nuklearnom fisijom je omogućila da voda ispari, da bi usporila ili zaustavila nuklearnu lančanu reakciju. Nakon zaustavljanja i hlađenja, nuklearna fusija bi se ponovo pojavila kod novog prodora podzemne vode. I tako je ta pojava trajala stotinama tisuća godina, sve dok se nuklearno gorivo nije potrošilo.

Nuklearna fisija stvara pet poznatih izotopa plina ksenona i svi su ono pronađeni u području prirodnog nuklearnog reaktora. Koncentracija ksenonovih izotopa je omogućila da se izračuna trajanje vremena perioda rada nuklearnog reaktora: nakon 30 minuta zagrijavanja, nastupilo bi 2,5 sati hlađenja i tako svakih 3 sata.

Odlučujući utjecaj da se prirodna nuklearna reakcija uopće pojavila, je bila da je prije 2 milijarde godina u rudnicima bilo oko 3% izotopa uranija-235 (obogaćeni uranij), što imamo i u današnjem nuklearnom gorivu. Budući da vrijeme poluraspada uranija-235 je puno kraće od uranija-238, koji se ne raspada, zato je pronađeno samo 0,717% uranija-235. Normalno, nuklearna fisija drugih nalazišta uranija nije moguća bez teške vode.

Rudnik Oklo u Gabonu je jedino poznato mjesto u svijetu, gdje su pronađeni dokazi da se pojavio prirodni nuklearni reaktor. Osim povoljne kombinacije mineralnih sirovina uranija, podzemne vode i nekih drugih uvjeta, bitno je u to vrijeme bio i sadržaj kisika u Zemljinoj atmosferi. Da bi se pokrenuo prirodni nuklearni reaktor, trebalo je i više od 3% uranija-235 u slojevima uranijeve mineralne sirovine (normalno je je 0,72%). Uranij je topiv u vodi samo uz prisustvo kisika. Zato je povećana koncentracija kisika u atmosferi omogućila da se uranij-235 otopi u podzemnim vodama, koje su omogućile njegovu povećanu koncentraciju u nalazištima uranija.

Procijenjeno je da je u mineralnim žicama rudnika Oklo, debljine od centimetar do metar, potrošeno oko 5 tona uranija-235, čime se temperatura povećala na nekoliko stotina ºC.