Eduscience

Eduscience

Pierwszy na Ziemi reaktor jądrowy powstał w … Afryce. Było to około 2 miliardów lat temu w Gabonie, gdzie w złożu uranu znajduje się 16 miejsc, w których dochodziło do łańcuchowej reakcji rozszczepienia jąder uranu.

Opisany fenomen odkryto w 1972 roku podczas rutynowych testów próbek z kopalni uranu w Oklo. Okazało się, że zawartość izotopu 235U w złożu była mniejsza niż zazwyczaj w przyrodzie, w innych tego typu złożach. Ze względu na to przeprowadzono różnego rodzaju badania złoża w Oklo w celu sprawdzenia zawartości izotopów uranu oraz izotopów będących produktem jego rozszczepienia: neodymu i rutenu. Okazało się, że w przypadku wszystkich badanych izotopów zawartość odbiegała od zakładanej średniej, m.in. zawartość izotopu 99Ru, będącego typowym produktem rozszczepienia za pomocą neutronów termicznych, była ponad 2 razy większa niż w innych złożach uranu . Utrata izotopu 235U następuje w reaktorze jądrowym w wyniku zachodzących w nim procesów , stąd też wywnioskowano, że w obrębie złoża w Oklo doszło do powstania naturalnego reaktora jądrowego.

Obecnie nie zachodzi na Ziemi podobne zjawisko w złożach, ponieważ nie może być spełniony jeden konieczny warunek, czyli dość duża zawartość izotopu uranu 235U. W przypadku reaktora w Oklo było to około 3% całej masy uranu w złożu. Podobną zawartość tego izotopu stosuje się we współczesnych reaktorach. Obecnie naturalnie w przyrodzie koncentracja 235U ze względu na krótszy połowiczny czas rozpadu tego izotopu od czasu rozpadu 238U jest mniejsza niż 1%. Są jeszcze inne warunki, które musza być spełnione, aby naturalny reaktor wystąpił:

  • rozmiar złoża uranu powinien przekraczać średni zasięg neutronów rozszczepiających, co odpowiada wielkości złoża równej około 70 centymetrów,
  • musi być obecna substancja zwana „moderatorem”, która zwalnia neutrony powstałe w wyniku rozszczepienia na tyle, by te mogły rozszczepić kolejne jądra uranu;
  • w złożu powinna być niska koncentracja pierwiastków absorbujących neutrony zamiast uranu.

Mechanizm działania reaktora w Oklo polegał na tym, że w złożu uranu występowała woda gruntowa, która działała jako moderator reakcji rozszczepienia, pozwalając rozpocząć się reakcji łańcuchowej. W momencie kiedy ciepło generowane w rozszczepieniach powodowało wyparowanie wody, moderator znikał i łańcuchowa reakcja rozszczepienia zwalniała lub ustawała. Następnie gdy złoże się schłodziło i woda gruntowa z powrotem wsączała się w jego obręb, reakcja ponownie się rozpoczynała. Na podstawie badań pozostałości produktów rozszczepienia obecnych w minerałach złoża oszacowano, że cykl ten składał się z 30 minutowej reakcji łańcuchowej, a następnie 2,5 godzinnego schładzania złoża i powrotu wody gruntowej. Co ciekawe mechanizm ten był wydajny na tyle, że nigdy nie doszło do wybuchu lub stopienia złoża w wyniku „niekontrolowanej” reakcji łańcuchowej w obrębie złoża. Działanie reaktora w Oklo mogło trwać kilkaset tysięcy lat.

W Oklo znajdowało się 16 stref stanowiących naturalne reaktory jądrowe. Oszacowano, że moc reaktorów wynosiła 100 kW. Dla porównania moc elektrowni Bełchatów, największej konwencjonalnej elektrowni Europy, przekroczyła w 2011 roku 5000 MW, a moc jednego tylko bloku tej elektrowni przekracza 850 MW.

Tekst: dr Grzegorz Lizurek

Źródła:

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=ancient-nuclear-reactor

http://en.wikipedia.org/wiki/Natural_nuclear_fission_reactor

Galeria zdjęć