Přírodní jaderný reaktor

Příčinou sníženého obsahu izotopu ²³⁵U ve vzorku bylo částečné vyhoření paliva v době fungování přírodního reaktoru. Díky metodě datování, založené na radioaktivním rozpadu jader s dlouhodobými poločasy rozpadu např. ²³⁸U, ¹⁴⁷Sm nebo ⁸⁷Rb, je potvrzeno, že reakce probíhala již před dvěma miliardami let.

Doposud bylo lokalizováno v uranovém nalezišti Oklo více než 16 reaktorových zón a na základě geologických a radiochemických analýz se zjistilo, že ložiska uranu v tamních skalních masívech umožnily vznik a udržení štěpné jaderné reakce o průměrném výkonu cca 100 kilowattů v každé zóně po relativně dlouhou dobu, tj. přibližně 150 tisíc let. Jaderná reakce, která před dvěma miliardami let ve skalním masívu probíhala, je stejná jako ta, která dnes udržuje v chodu jaderné reaktory na celém světě.[2]

Výskyt kyslíku v rané historii Země měl významný vliv na vznik prvních přírodních jaderných reaktorů. Uran se v přírodě nejčastěji vyskytuje ve čtyřmocné formě, která je nerozpustná ve vodě. V důsledku masivní fotosyntézy v éře zelených rostlin se obsah kyslíku ve vodě rapidně zvýšil, což zapříčinilo oxidaci uranu v horninách na šestimocnou formu, která v přítomnosti atmosférického oxidu uhličitého může ve vodě vytvářet rozpustné urany – karbonátové sloučeniny. Na základě této skutečnosti se stal uran jedním z mnoha prvků vyskytujících se ve stopovém množství ve vodě i dnes. Koncentrace údajně nepřevyšovala několik jednotek ppm, takže uran byl pouze jedním z mnoha iontů ve vodě. Proto pro vznik ložiska s vysokou koncentrací uranu muselo dojít k nakoncentrování uranu z vody. Předpokládá se, že v místě, kde je nyní důlní oblast Oklo, bylo moře, které obsahovalo mnoho mikroorganismů se schopností vázat a zadržovat uran s následnou tvorbou jeho minerálů. Tyto minerály časem na jednom místě vytvořily mohutné uranové ložisko vhodné k nastartování jaderné reakce v přírodních reaktorech. [3] [4]

V současné době žádný přírodní reaktor nikde na Zemi nepracuje. Proč to tedy bylo možné před dvěma miliardami let? Klíč k pochopení této skutečnosti je ukryt ve stupni obohacení přírodního uranu izotopem 235. Dnes připadá na každých 100 tisíc jader přírodního uranu v průměru jen asi 720 jader ²³⁵U, zbytek je většinou ²³⁸U, který tak tvoří více než 99 % přírodního uranu. Víme, že vyvolat jaderné štěpení u ²³⁸U je mnohem obtížnější než u ²³⁵U. Proto se ve většině typů provozovaných reaktorů palivo obohacuje izotopem 235. To byl také jeden z hlavních technických problémů v počátcích jaderného programu.

Nutné podmínky pro spuštění samovolné štěpné reakce.

Jelikož izotopické složení uranu se v průběhu historie Země výrazně mění a tedy ani jeden ze zmíněných izotopů uranu není stabilní, dochází tak k rozpadům těchto jader vyzářením částice alfa (jádra hélia) a stávají se tím součástí známých radioaktivních rozpadových řad, které končí v oblasti mnohem lehčího olova. Poločas rozpadu ²³⁸U je srovnatelný se stářím Země, necelých 5 miliard let, zatímco poločas rozpadu ²³⁵U je asi šestkrát menší, a to 0,7 miliardy let. To znamená, že ²³⁵U se rozpadá rychleji a jeho zastoupení v přírodním uranu neustále klesá. Před dvěma miliardami let, kdy přírodní reaktory v Oklu fungovaly, nebylo toto obohacení jen 0,72 %, jako dnes, ale okolo 3 % (tedy 3000 jader ²³⁵U na 100 tisíc jader ²³⁸U). Tento fakt je pro pochopení možnosti samovolného nastartování řetězové reakce v prehistorických etapách zemského vývoje zcela zásadní.

Mimo jiné bylo zjištěno, že přírodní reaktory v Oklu si dokázaly část paliva samy vytvořit jadernými reakcemi doprovázejícími proces štěpení. Neutrony produkované při štěpení se totiž mohou v ²³⁸U pohlcovat, čímž vzniká ²³⁹U, který se přes neptunium postupně rozpadá dvojnásobnou emisí elektronu (tj. dvěma následnými rozpady beta) na ²³⁹Pu. To je samo alternativním štěpným materiálem k ²³⁵U (pozůstatky jeho štěpení byly v Oklu skutečně nalezeny), ale zároveň se toto plutonium emisí částice alfa rozpadá (s poločasem rozpadu cca 24 tisíc let) na ²³⁵U. Reaktory využívající tento proces jaderní inženýři nazývají množivé ("breed"). Reaktory v Oklu tak byly nejen prvními jadernými reaktory vůbec, ale také prvními reaktory množivého typu. Mohly tak štěpit ještě více ²³⁵U, než bylo původně přítomno v tamní uranové rudě. [5] [6]

• Velikost aktivní zóny (uranového ložiska) – měla by přesáhnout průměrnou délku definovanou jako dolet neutronu schopného způsobit další štěpnou reakci tj. cca 2/3 metru.
• Vysoká koncentrace uranu v rudě (50 až 60 % v oblasti Oklo) a zároveň velmi nízká koncentrace látek pohlcujících neutrony (např. bór).
• Přítomnost vody – sloužící jako moderátor pro intenzivní zpomalování rychlých neutronů uvolňovaných při štěpení.

Fakt, že se řetězová reakce udržela několik tisíc let a nedošlo k explozi, nabádá k zamyšlení, jak docházelo k jeho regulaci a kontrole reaktivity. Právě prudký nárůst štěpné reakce by měl za následek roztavení horniny či dokonce jaderný výbuch. Provedené výzkumy v dané oblasti objevily dva alternativní mechanismy, které se s největší pravděpodobností odehrály.

Mnohonásobné bariéry

• První popisuje zvýšení koncentrace neutronových absorbátorů (bór nebo prvky vzácných zemin) při procesu jaderného hoření v některých oblastech zóny reaktoru, což vedlo k zastavení reakce (v důsledku zvýšení absorpce neutronů se stala podkritickou) a k jejímu přestěhování do jiné oblasti.
• Druhý mechanismus bral v potaz vodu jako neutronový moderátor, který se s rostoucí reakcí, a tedy zvyšující se teplotou, vypařoval. Protože vznikající pára má menší hustotu než voda, také hůře moderuje (zpomaluje neutrony). A po čase, kdy se efektivita zpomalování neutronů snížila natolik, že se soustava stala podkritickou, reakce ustala. Pro její opětovné nastartování bylo zapotřebí, aby reaktor zchladl, a tudíž voda mohla opět zaplavit aktivní zónu.

Periodická tabulka prvků znázorňující míru dlouhodobé migrace jednotlivých štěpných produktů a aktivačních produktů v zemské kůře.

Dle druhé teorie, která byla později potvrzena a zveřejněna v časopise Physical Review Letters skupinou vědců pod vedením A.P. Meshnikem z Washingtonské university, pracoval reaktor v cyklickém režimu s cca tříhodinový intervalem, kde aktivní období probíhající řetězové reakce bylo vyčísleno na cca 30 minut. Veškeré závěry vědecké práce jsou založeny na analýze izotopického složení xenonu v aktivní zóně. Xenon není přítomen v samotné uranové rudě, ale vzniká v procesu jaderného štěpení, především z beta rozpadů přímých štěpných produktů. Jelikož xenon je plyn, při kontinuálním režimu fungování reaktoru s trvale ohřátou aktivní zónou by difuze musela způsobit jeho rychlý únik do okolí. Při cyklickém režimu, kdy se aktivní zóna periodicky ochlazuje, je však část vyprodukovaného xenonu uvězněna v zapouzdřených aluminium-fosfátových zrnech. Právě zmíněné zapouzdření štěpných produktů do aluminium-fosfátových zrn by mohlo být nápomocné pro vyřešení v současnosti asi největšího problému v jaderné energetice tj. skladování vyhořelého (použitého) paliva. Přírodní reaktory a jejich okolí v oblasti Oklo představují koncept tzv. mnohonásobné bariéry pro uložení radioaktivního odpadu. Tudíž jsou zbytky reaktorů v Oklu neocenitelným zdrojem poznatků o dlouhodobé míře migrací jednotlivých štěpných produktů v zemské kůře. Z toho důvodu těžba uranu, která v lokalitě Oklo probíhala od šedesátých let 20. století, byla dočasně zastavena. Oklo je vlastně jakýmsi testovacím úložištěm radioaktivního odpadu, které ukazuje, jak by lidmi vybudované úložiště mohlo vypadat po uplynutí geologických věků.[7]

Výzkumem v přírodním reaktoru se podařilo ověřit stabilitu konstanty jemné struktury, protože její hodnota ovlivňuje i izotopové složení produktů štěpení.

Například poměr izotopů ¹⁴⁹Sm a ¹⁵⁰Sm: Samarium 149 pohlcuje neutrony a stává se izotopem 150. Účinnost záchytu neutronů závisí mimo jiné i na konstantě jemné struktury.

Závěr je, že jaderné reakce tehdy probíhaly jako dnes a konstanta se tedy za 2 miliardy let nezměnila.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Přírodní jaderný reaktor Oklo na Wikimedia Commons