Dwa miliardy lat temu na Ziemi działały
już reaktory atomowe. Nie były dziełem kosmitów, lecz natury. Po ponad 30
latach badań naukowcy wreszcie wyjaśnili ich zagadkę.
Na trop reaktorów jądrowych działających w prehistorycznych czasach
naukowcy wpadli latem 1972 roku. Przypadkiem. W zakładzie wzbogacania uranu
we francuskim Pierrelatte inżynierowie badali właśnie próbki rudy uranu
dostarczone z kopalni Oklo w afrykańskim Gabonie. W tych rutynowych pomiarach
coś się nie zgadzało. Gabońskie złoża miały zbyt mało izotopu uranu
U-235.
Francuscy inżynierowie byli zaintrygowani. Atomy uranu różnią się liczbą
neutronów w jądrze. Najpowszechniejszą odmianą w naturze jest izotop
U-238, ale złoża uranu zawierają też nieznaczne ilości lżejszych izotopów,
m.in. U-235, który służy jako paliwo w elektrowniach jądrowych. Proporcje
izotopów uranu w naturalnych złożach są dziś wszędzie takie same -
wiadomo, że na sto tysięcy atomów uranu przypada 720 atomów izotopu U-235.
Ani mniej, ani więcej. Tymczasem w niektórych próbkach z Oklo znaleziono aż
o połowę mniej U-235, niż powinno go tam być. Jak to się stało?
Szybko znikający U-235
Z początku inżynierowie byli przekonani, że doszło do pomyłki - zamiast
próbek naturalnych do ich laboratorium trafiły odpady z elektrowni, w których
izotopu U-235 jest mniej niż w naturze, bo uległ on rozszczepieniu - został
rozłupany na dwie części. O dziwo, próbki ze złóż w Oklo miały podobne
proporcje izotopów uranu jak "wypalone" paliwo jądrowe. Kiedy
naukowcy upewnili się, że pochodzą z Afryki, stanęli przed zagadką.
Kiedy naukowcy upewnili się, że próbki faktycznie pochodzą z Afryki,
wprost z kopalni, do której nigdy nie trafiały żadne odpady atomowe, stanęli
przed zagadką. Oczywiście, natychmiast odrzucili, jako niedorzeczne, wyjaśnienia,
iż w tym miejscu rozbił się niegdyś statek kosmitów napędzany reaktorem
jądrowym. Albo że przed milionami lat istniała na Ziemi jakaś cywilizacja,
która znała i wykorzystywała energię atomową.
Jedynym sensownym wytłumaczeniem było to, że natura sama stworzyła warunki
sprzyjające takim samym reakcjom jądrowym, jakie rozpalają współczesne
elektrownie atomowe. Okazało się przy tym, że już w połowie lat 50. XX
wieku japoński fizyk Paul Kuroda przewidział, że to było możliwe. Nie dziś,
bo obecnie w naturalnych złożach jest za mało rozszczepialnego izotopu
U-235 i uran trzeba wzbogacać w ten izotop, by zrobić z niego dobre paliwo.
Kiedyś jednak w naturze było go dużo więcej. Atomy uranu są nietrwale -
same ulegają naturalnemu rozpadowi, jedne izotopy szybciej, inne wolniej. W
tej chwili pozostała mniej więcej połowa z atomów U-238, które istniały
tuż po narodzinach Ziemi. Ale lżejszy izotop U-235 rozpadał się jeszcze
szybciej - dziś jest go aż sto razy mniej niż w początkach Ziemi 4,5 mld
lat temu.
Zahamować neutrony
Dwa miliardy lat temu w naturalnych złożach było proporcjonalnie tyle samo
izotopu U-235, ile dziś jest w paliwie, które wychodzi z zakładów
wzbogacania uranu. Dlaczego Ziemia nie przekształciła się wtedy (lub wcześniej)
w gigantyczny reaktor jądrowy albo nie wyleciała w powietrze w potężnej
eksplozji wszystkich złóż uranu?
Aby zapoczątkować reakcje, nie trzeba żadnego zapalnika. Od czasu do czasu
jądro U-235 samo rozłupuje się na dwie części, powstają przy tym dwa lub
trzy neutrony, które mogłyby wywołać rozszczepienie kolejnych jąder
uranu, ale... są na to zbyt szybkie. Potrzeba substancji (tzw. moderatora),
która je spowolni. Tylko takie wolno poruszające się neutrony są w stanie
rozłupać kolejne jądro, pociągając za sobą dalsze reakcje. Poza tym w złożu
nie może być zbyt dużo substancji pochłaniających neutrony, bo wtedy
reakcja sama wygaśnie.
Jak było w Oklo? W tamtejszym złożu uranu odkryto kilkanaście nisz, w których
przez ok. 150 tys. lat trwały jądrowe reakcje łańcuchowe. Wypaliło się
tam ok. 6 ton uranu-235, a średnia moc tego naturalnego reaktora nie
przekraczała 100 kilowatów (to mniej więcej energia, jakiej potrzebuje
dziesięć domów jednorodzinnych).
Co ciekawe, reakcje nie wymknęły się spod kontroli, tj. nie doszło do
wybuchu ani stopienia rudy uranu. Jedna z hipotez mówiła, że regulatorem były
pierwiastki ziem rzadkich lub też bor, które pochłaniają neutrony. Ale
bardziej prawdopodobny jest udział wody gruntowej, która mogła przedostawać
się do złoża. Woda jest dobrym moderatorem, w jej obecności więc reakcje
mogły lawinowo narastać.
Ksenon uwięziony
W jednym z ostatnich "Physical Review Letters" fizycy z Washington
University w St. Louis (USA) po raz pierwszy znaleźli silne dowody, które
potwierdzają powyższy scenariusz. W skałach otaczających "naturalne
reaktory" z Oklo mierzyli zawartość izotopów ksenonu - szlachetnego
pierwiastka, który był jednym z produktów reakcji łańcuchowej. Wykryli
spore jego zagęszczenie w drobinach fosforanowych inkluzji, które tkwiły w
badanych skałach jak rodzynki w cieście.
Ksenon jest gazem, więc powinien się natychmiast ulatniać z miejsca
reakcji. Ale okresy, kiedy reaktor gasł i obniżał temperaturę, sprzyjały
jego gromadzeniu się w fosforanach. Naukowcy z Missouri przeprowadzili
subtelną analizę proporcji izotopów ksenonu, które powstawały w różnych
odstępach czasu po reakcji rozszczepienia uranu. I to pozwoliło im
wydedukować, że naturalny reaktor z Oklo rozpalał się i działał przez 30
minut, po czym gasł i przechodził w stan uśpienia na 2,5 godziny. Potem
cykl się powtarzał. Przez tysiące lat.
To przypomina rytm, w jakim działają ziemskie gejzery - zauważają fizycy.
I sugerują, że zapewne chodziło o podobny mechanizm. W czasie jądrowej
aktywności woda podgrzewała się, zmieniała w parę i jak w gejzerze -
uchodziła na zewnątrz. To przerywało aktywność reaktora. Kolejny cykl mógł
się zacząć dopiero wtedy, kiedy podziemny zbiornik wypełnił się nowym
zapasem cieczy.
źródło: gazeta.pl
* Więcej w internecie:
http://www.ans.org/pi/np/oklo/
