Reaktor jądrowy, który ma 2 miliardy lat?

Tak wiem, reaktor jądrowy mający 2 miliardy lat brzmi jak mit, albo teoria spiskowa z kosmitami w tle. Być może jest tak dlatego, że myśląc o reaktorze jądrowym wyobrażamy sobie budynki stworzone przez ludzi, służące (pośrednio) do zasilania naszych domów. Ale tym razem sytuacja wygląda inaczej. Oklo zadziwiło i być może troszkę zdenerwowało naukowców. Jak to możliwe, że kupa kamieni produkowała więcej energii jądrowej 2 miliardy lat temu, niż pierwszy reaktor uruchomiony przez ludzi w 1951r?

Zaginiony uran

W 1972 roku Francuscy naukowcy przeprowadzali rutynowe badanie spektrometrii masy próbki uranu wydobytego z kopalni Oklo w Gabon (Afryka Centralna) i zauważyli coś dziwnego. Okazało się, że są w posiadaniu mniejszej ilości uranu niż sądzili. Brakowało wystarczającej ilości pierwiastka, aby stworzyć sześć bomb atomowych.

Zwykle ruda uranu występuje w trzech izotopach, z czego każdy ma inną liczbę neutronów w jądrze. Ponieważ się od siebie różnią, każdy z nich reaguje w inny sposób. Ale jeśli szukasz izotopu, który uwalnia wystarczająco energii, aby rozświetlić miasto, albo usunąć wyspę z powierzchni mapy, to chodzi ci o Uran-235. Ruda uranu powinna zawierać takie same ilości wszystkich trzech izotopów niezależnie od tego gdzie na świecie ją znajdziesz.

Francuscy naukowcy wiedzieli, że w rudzie, którą znaleźli stężenie uranu-235 powinno być równe 0.72%. Okazało się, że było w niej tylko 0.60%. Może się wydawać, że to niewielka różnica, ale kiedy wzięli pod uwagę wielkość kopalni w Oklo okazało się, że brakuje około 200 kilogramów uranu-235.

Ponieważ uran-235 jest bardzo niebezpiecznym pierwiastkiem, który może wyrządzić dużo zła w nieodpowiednich rękach, rozpoczęto śledztwo. Po kilku tygodniach poszukiwania winnego naukowcy zdali sobie sprawę, że nigdy nie znajdą ani jego, ani brakującego uranu. Powód był prosty: uranu nie było już od 2 miliardów lat.

Starożytny reaktor

Szukając winnego dokładniej zbadali kopalnie, zebrali więcej próbek, co ujawniło, że w niektórych z nich stężenie uranu-235 jest nawet niższe - 0.44%. Znaleźli również anomalie, takie jak pierwiastki neodym i ruten. Wszystko to wskazywało na reakcję jądrową identyczną do zachodzącej w elektrowni.

Po bliższym zbadaniu okazało się, że odkryli w Oklo resztki starożytnego samorodnego reaktora jądrowego. Fizycy już od lat twierdzili, że niektóre typy reaktorów jądrowych mogą samoistnie występować w naturze, aczkolwiek tylko pod warunkiem, że spełnią ściśle określone warunki. Pierwszym fizykiem, który wygłosił tę teorię był Paul Kazuo Kuroda. Wielu fizyków podchodziło do tego sceptycznie. Nie sądzili, by natura była w stanie sama w sobie stworzyć reaktor jądrowy. Jednak sceptycy okazali się nie mieć racji. Okazuje się, że miliardy lat temu w Oklo warunki były idealne, by stworzyć reaktor jądrowy.

W dużym skrócie samorodny reaktor jądrowy potrzebuje tych samych składników, co nowoczesna elektrownia jądrowa - atomu, który łatwo i szybko można rozszczepić; neutronów, które zajmą się rozszczepianiem; oraz sposobu kontrolowania reakcji, aby atomy, które zaczną się rozszczepiać i uwalniać niewyobrażalne ilości energii nie zrobiły ci nuklearnego armagedonu.

Kiedy pierwszy składnik, atom uranu-235 zostaje uderzony przez drugi składnik, wolny neutron, atom staje się tak niestabilny, że następuje jego rozszczepienie. Uwalnia przy tym dużą ilość energii oraz kilka kolejnych neutronów, które odlatują w poszukiwaniu innego uranu do rozszczepienia, rozpoczynając tym samym reakcję łańcuchową.

2 miliardy lat temu

Spójrzmy w przeszłość. Tak parę miliardów lat w przeszłość.

Zacznijmy od tego, że uran naturalnie nie jest stabilnym pierwiastkiem. Z czasem w naturalny sposób się rozpada, uwalniając neutrony. Dzisiaj naturalne stężenie Uranu-235 w złożu to 0.72%, ale znając prędkość jego rozpadu jesteśmy w stanie obliczyć, że 2 miliardy lat temu naturalne stężenie uranu-235 we wszystkich złożach wynosiło 3%, a to mniej więcej tyle ile zawiera rdzeń w elektrowni jądrowej.

Ze względu na to, że Uran-235 w naturalny sposób rozpada się w izotop Toru, uwalniając przy tym neutrony, złoże pełne było wolnych neutronów, które mogły zapoczątkować naturalną reakcję.

W samoistnej, niekontrolowanej reakcji, wszystkie uwalniane neutrony poruszałyby się zbyt szybko, by rozszczepić atom. Zamiast uderzać w inny atom, po prostu leciałyby w dal, a reakcja uległaby naturalnemu zatrzymaniu.

W Oklo stało się jednak inaczej, ponieważ w złożach znajdował się trzeci ważny składnik: sposób kontrolowania reakcji. Złoża w Oklo były pełne wód ziemnych. Woda miała wpływ na miejsce, w którym znajdowało się złoże. Spowalniała one neutrony wystarczająco, by miały czas uderzyć w atomy uranu-235, podtrzymując tym samym reakcję łańcuchową.

Dlaczego reaktor w Oklo nie wybuchł?

Może się wydawać, że przy takiej ilości rozszczepionych atomów oraz uwolnionej energii, prędzej czy później coś pójdzie nie tak. Ale okazuje się, że wody ziemne spełniały jeszcze jedną funkcję: powstrzymywały atomy od przegrzania.

W wyniku reakcji chemicznej coraz więcej atomów ulegało rozszczepieniu, a woda robiła się coraz cieplejsza. Po mniej więcej pół godzinie woda robiła się tak gorąca, że zaczynała parować. Bez wody, która spowolniałaby neutrony, przestawały uderzać w uran, co wstrzymywało reakcję. Cały cykl trwał trzy godziny. Woda się skraplała, reaktor zaczynał działać, po pół godzinie woda parowała, a reakcja się zatrzymywała. Po 2,5h woda opadała i cały proces ruszał od nowa.

Ten cykl powtarzał się przez setki tysięcy lat. Z czasem reakcja zużyła tyle Uranu-235, że jego stężenie stało się zbyt małe i reakcja samoistnie wygasła. W czasie, kiedy istniała, średnio produkowała 100kW energii. To wystarczająco, aby zasilić przeciętny dom przez prawie tydzień.

Teraz, jako dowód jej istnienia "zostało" trochę brakującego uranu i kilka pierwiastków tworzących się jako skutek uboczny reakcji.

Jeśli teraz martwisz się, że podczas przechadzki po górach natkniesz się na taki reaktor i zostaniesz napromieniowany to mogę cię pocieszyć. W dzisiejszych czasach naturalny rozpad Uranu-235 doprowadził do tego, że jego stężenie jest zbyt niskie, by taki reaktor mógł powstać bez tzw. ciężkiej wody (²H₂O lub D₂O), która nie występuje w naturze w wystarczającej ilości, by mogło do tego dojść.

Hipoteza dotycząca początku Księżyca

Odkrycie reaktora w Oklo zapoczątkowało hipotezę, która ma wyjaśnić powstanie księżyca. Wiodąca teoria mówi, że księżyc powstał na skutek zderzenia Ziemi z dużym obiektem, około 4 miliardy lat temu. Wyrzucone wtedy kawałki planety oraz magma miały złączyć się w jedno i stworzyć Księżyc.
Jednak niektórzy naukowcy doszli do wniosku, że mogło być inaczej. Księżyc mógł powstać na skutek wybuchu naturalnie występującego reaktora jądrowego, 4,5 miliarda lat temu. Ta hipoteza mogłaby wyjaśnić podobieństwa w składzie Ziemi i Księżyca. Jednak teoria zderzenia nadal pozostaje ogólnie akceptowaną, ponieważ pozawala wyjaśnić podobieństwa i różnice w składzie księżyca.