Naturalny reaktor jądrowy
1. Strefy reaktora jądrowego
2. Piaskowiec
3. Warstwa rudy uranu
4. Granit
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].
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[edytuj | edytuj kod]
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[edytuj | edytuj kod]
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].
Przypisy[edytuj | edytuj kod]
- ↑ a b c d F. Gauthier-Lafaye, Holliger, P.; Blanc, P.-L. Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a „critical event” in a geologic system. „Geochimica et Cosmochimica Acta”. 60 (25), s. 4831–4852, 1996. DOI: 10.1016/S0016-7037(96)00245-1. Bibcode: 1996GeCoA..60.4831G. (ang.).
- ↑ B. Masschaele, M. Dierick, S. Baechler, J. Jolie, W. Mondelaers. The use of cold neutrons and monochromatic X-rays for NDT in geology. „Environmental Geology”. 46 (3–4), s. 486–492, 2004. DOI: 10.1007/s00254-004-1050-z.
- ↑ P.K. Kuroda. On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals. „Journal of Chemical Physics”. 25 (4), s. 781–782; 1295–1296, 1956. DOI: 10.1063/1.1743058. Bibcode: 1956JChPh..25..781K. (ang.).
- ↑ a b Yu. V. Petrov, Nazarov, A. I., Onegin, M. S., Sakhnovsky, E. G. Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core. „Physical Review C”. 74 (6), s. 064610, 2006. DOI: 10.1103/PHYSREVC.74.064610. Bibcode: 2006PhRvC..74f4610P. (ang.).
- ↑ a b A.P. Meshik, et al.. Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon. „Physical Review Letters”. 93 (18), s. 182302, 2004. DOI: 10.1103/PhysRevLett.93.182302. PMID: 15525157. Bibcode: 2004PhRvL..93r2302M. (ang.).
- ↑ J.R. De Laeter, Rosman, K. J. R.; Smith, C. L. The Oklo Natural Reactor: Cumulative Fission Yields and Retentivity of the Symmetric Mass Region Fission Products. „Earth and Planetary Science Letters”. 50, s. 238–246, 1980. DOI: 10.1016/0012-821X(80)90135-1. Bibcode: 1980E&PSL..50..238D. (ang.).
- ↑ a b F. Gauthier-Lafaye. 2 billion year old natural analogs for nuclear waste disposal: the natural nuclear fission reactors in Gabon (Africa). „Comptes Rendus Physique”. 3 (7–8), s. 839–849, 2002. DOI: 10.1016/S1631-0705(02)01351-8. Bibcode: 2002CRPhy...3..839G. (ang.).