Oklo, czyli (prawie) wszystko już było
To miała być rutynowa analiza rudy sprowadzonej z gabońskiej kopalni niedaleko miasta Oklo. Jednak chemicy z zakładów wzbogacania uranu w Pierrelatte na południu Francji nie wierzyli własnym oczom. Wielokrotnie powtarzane analizy potwierdzały zmniejszoną zawartość izotopu U-235. Zamiast 0,72%, jak dla każdej innej rudy uranowej na świecie, aparatura pokazywała tylko ok. 0,60%. Stałość składu izotopowego pierwiastków to niepodważalny „dogmat” fizyki i chemii (pomijając niewielkie odchylenia, zależne od czynników naturalnych, ale nie aż tego rzędu). Takie przypadki po prostu się nie zdarzają! Oszacowano, że w dostarczonej partii rudy brakowało ok. 200 kg rozszczepialnego izotopu, co wystarcza do zbudowania kilku bomb atomowych. Ponieważ był rok 1972 i trwała „zimna wojna”, nie dziwi więc gorąca atmosfera panująca tamtej wiosny w Pierrelatte.
Kierunek Gabon!
Dochodzeniem zajęli się funkcjonariusze CEA (Commissariat à l'énergie atomique) - francuskiej Komisji Energii Atomowej. Dalsze analizy ujawniły kolejną zagadkę. Skład izotopowy rzadkich pierwiastków - neodymu i rutenu - również znacznie różnił się od naturalnego. To zdecydowanie nie była typowa ruda uranu, za to bardzo przypominała… zużyte paliwo z reaktora jądrowego (niektóre izotopy rutenu i neodymu znajdują się w nim w dużych ilościach). Konieczne stało się zbadanie sprawy na miejscu, w Gabonie, dawnej kolonii francuskiej.
Analiza próbek pobranych ze złoża potwierdziła wyniki z francuskich laboratoriów. Ponadto w minerałach znaleziono pęcherzyki ksenonu, rzadkiego gazu szlachetnego. I to o dokładnie takim samym składzie izotopowym, jaki tworzy się w wyniku rozszczepienia jąder uranu w reaktorze. Wtajemniczeni (co oczywiste, nie rozpowszechniano informacji o zaginionym uranie) odetchnęli z ulgą. Zagadka jak z filmu o Agencie 007 stała się łamigłówką dla naukowców. Jeśli jednak to nie organizacja SPECTRE skradła uran, to kto?
Jak zrobić reaktor?
Francuski fizyk Francis Perrin podał rozwiązanie problemu. Zużyty materiał rozszczepialny znajdujący się w pokładach piaskowca sprzed 2 miliardów lat rzeczywiście powstał w wyniku pracy reaktora jądrowego. Ale to nie przybysze z kosmosu go skonstruowali, lecz sama natura. Wytłumaczenie brzmiało, jak wzięte z kart powieści SF, lecz Perrin oparł je na publikacji naukowej Paula Kazuo Kurody, japońskiego fizykochemika pracującego w USA. Kuroda już w roku 1956 zasugerował możliwość istnienia naturalnych reaktorów jądrowych, jeśli tylko będą spełnione następujące warunki:
- dla zapewnienia odpowiednio wydajnej reakcji zawartość rozszczepialnego izotopu U-235 w naturalnym uranie powinna wynosić co najmniej 3%. We współczesnych reaktorach również stosowane jest paliwo wzbogacone w ten izotop;
- również stosowane jest paliwo wzbogacone w ten izotop;
- złoże uranu musi mieć rozmiary co najmniej kilkudziesięciocentymetrowe oraz zawartość uranu wynoszącą minimum 10%. Powodem jest zapobieganie ucieczkom neutronów poza obszar działania reaktora. Rozmiary jądra atomowego, w które musi trafić cząstka, są ok. 10 tys. razy mniejsze niż całego atomu. Dlatego należy zapewnić długą drogę (w skali atomowej), na której poruszający się neutron ma szanse wniknąć do jądra atomu uranu;
- w złożu nie powinno być dużych ilości tzw. trucizn neutronowych, czyli pierwiastków pochłaniających neutrony (kadm, bor, niektóre lantanowce). W reaktorach służą one do kontrolowania przebiegu reakcji rozszczepienia - zapobiegają nadmiernemu wzrostowi liczby neutronów, co prowadzi do przyspieszenia reakcji i niebezpiecznego wzrostu temperatury rdzenia reaktora;
- w złożu musi znajdować się moderator, czyli substancja spowalniająca prędkość ruchu neutronów. W przypadku izotopu U-235 najbardziej wydajna reakcja rozszczepienia zachodzi dla tzw. neutronów termicznych (o energii zbliżonej do energii ruchu cząstek w temperaturze pokojowej; prędkość neutronów termicznych wynosi ok. 2,2 km/s). Spowolnienie neutronów następuje w wyniku ich zderzeń z cząsteczkami moderatora. W reaktorach jako moderatorów używa się wody, ciężkiej wody lub grafitu;
- niezbędne jest źródło neutronów, które zapoczątkują reakcję rozszczepienia. Ta zaś, po spełnieniu wcześniejszych warunków, sama będzie się podtrzymywać.
Reaktor Matki Natury
Przyroda poradziła sobie z realizacją przepisu Kurody. Przed 2 miliardami lat zawartość izotopu U-235 w naturalnym uranie wynosiła ok. 3,7%. Obecnie jest to niewiele ponad 0,7%. To konsekwencja czasu połowicznego rozpadu tego izotopu, wynoszącego ok. 700 milionów lat (co oznacza, że 700 mln lat temu było dwa razy więcej U-235 niż obecnie, 1 400 mln lat temu cztery razy więcej itd.). Główny składnik naturalnego uranu - izotop U-238 - ma okres połowicznego rozpadu wynoszący ok. 4,5 miliarda lat i jego zawartość zmienia się znacznie wolniej niż U-235 (uran zawiera ponadto śladowe ilości U-234, który jest produktem rozpadu U-238 o stosunkowo krótkim czasie życia).
Dlaczego reaktor nie działał wcześniej? Przecież im bardziej cofamy się w czasie ku początkom istnienia Ziemi, tym zawartość U-235 była większa. Racja, ale uran był rozproszony w skałach i nie tworzył większych skupisk. Brakowało zatem tzw. masy krytycznej, która jest niezbędna do przebiegu samopodtrzymującej się reakcji rozszczepienia. Tym, co spowodowało powstanie złóż uranu, był wzrost stężenia tlenu w atmosferze. A to z kolei efekt postępującej ewolucji organizmów żywych. Kilkaset milionów lat wcześniej niektóre pierwotne bakterie uzyskały zdolność do prowadzenia fotosyntezy. Produkt odpadowy procesu - tlen - początkowo reagował ze związkami żelaza obecnymi w wodach, które następnie utworzyły pokłady rud tego metalu (z nagromadzonego wtedy bogactwa nasza cywilizacja korzysta do dziś). Następnie tlen rozpuszczał się w wodzie i ulatywał do atmosfery. Jego działanie na skały spowodowało powstanie większości minerałów, w tym i zawierających uran.
Przy dużym stężeniu tlenu uran tworzy związki rozpuszczalne w wodzie, które wytrącają się z roztworu, gdy tlenu brakuje. Ten mechanizm zadziałał przy powstaniu złoża w Oklo. Pradawna rzeka wymywała związki uranu ze skał. W jej zastoiskach (w takich miejscach jest mniej tlenu) osadzały się one na dnie. Stopniowo przykrywała je warstwa osadów, przekształcających się w piaskowiec. Złoże w Oklo ma postać żył o grubości do 1 m, z soczewkowatymi gniazdami o średnicy kilku metrów. Zawartość uranu w soczewkach dochodzi nawet do 60%. Równocześnie miejscowe warunki geologiczne sprawiły, że w skałach nie ma dużych ilości pierwiastków pochłaniających neutrony. Moderatorem była zaś woda przesączająca się do złoża przez szczeliny skalne.
Do rozpoczęcia reakcji łańcuchowej potrzebne są jeszcze neutrony. W reaktorach stosuje się specjalnie skonstruowane źródła tych cząstek. W naturze neutrony pochodzą z promieniowania kosmicznego, bardzo nielicznych, samoistnych rozszczepień jąder uranu oraz reakcji typu (α, n). Ten ostatni, tajemniczy zapis oznacza, że cząstka α (jądro atomu helu-4, czyli dwa protony i dwa neutrony), wyemitowana przez naturalnie rozpadający się uran, trafia w jądro innego pierwiastka (z początku układu okresowego), łączy się z nim, a powstałe w ten sposób jądro emituje jeden neutron. A ponieważ w skałach nie brak takich pierwiastków jak wapń, potas czy krzem, więc i źródło neutronów było na miejscu.
Jądrowy kocioł
Badania prowadzone w rejonie Oklo oraz pobliskim Bangombe pozwoliły wykryć szesnaście miejsc, w których zachodziły reakcje rozszczepienia. Oszacowano, że reaktory pracowały od 100 tys. do nawet 500 tys. lat i zużyły w tym czasie 5-6 ton izotopu U-235. [rozpad] Dla najkrótszego czasu pracy daje to moc ok. 100 kW (wystarcza do zasilenia 50 czajników elektrycznych; podobną moc mają reaktory badawcze). Ciekawe jest porównanie z pierwszym reaktorem zbudowanym przez człowieka. Konstrukcja zespołu Fermiego z roku 1942 miała w chwili uruchomienia moc zaledwie 0,5 W, a tylko raz osiągnęła 200 W.
Moderatorem neutronów była woda dostająca się do złoża uranu. Badacze obliczyli, że reaktor pracował w cyklu trzygodzinnym. W ciągu 30 minut woda nagrzewała się do temperatury znacznie przekraczającej 100°C (pod zwiększonym ciśnieniem panującym w szczelinach skalnych), a następnie wytryskiwała na zewnątrz w postaci gejzerów pary. Brak moderatora w złożu przerywał reakcję rozszczepienia, co powodowało stygnięcie otaczających skał. Po 2,5 godzinie temperatura spadała na tyle, że ciekła woda znowu pojawiała się w szczelinach i reakcja ruszała ponownie. Całość stanowiła wrzący kocioł pod ciśnieniem, a widok był identyczny, jak wytryski gejzerów w Yellowstone lub na Islandii. Prawdopodobnie jednak reaktory działały tylko podczas pory deszczowej.
Bezawaryjna praca w tak długim czasie budzi podziw. Reaktory nie uległy stopieniu w wyniku przegrzania, ani też nie wybuchły. Trzeba zaznaczyć, że w przypadku reaktorów nie dochodzi do wybuchu jądrowego, lecz możliwa jest eksplozja z powodu nadmiernego wzrostu ciśnienia pary wodnej lub chemicznej reakcji materiałów konstrukcyjnych z wodą lub powietrzem. Badania złoża w Oklo odpowiedziały również na pytanie o los składowanych odpadów promieniotwórczych powstających w wyniku pracy reaktora. Pierwotne izotopy promieniotwórcze sprzed 2 mld lat nie dotrwały do chwili obecnej, ale ich trwałe produkty rozpadu nie oddaliły się od złoża na większe odległości (najwyżej dziesiątki metrów). Unikatowy eksperyment (trwający 2 miliardy lat!) dowiódł więc, że nawet pozostawione same sobie odpady promieniotwórcze nie muszą stanowić zagrożenia dla środowiska. Co oczywiście nie zwalnia nas od zapewnienia bezpieczeństwa ich składowania.
Gabońskie reaktory to na razie jedyne znane tego rodzaju obiekty na świecie. Co jednak nie oznacza, że i w innych miejscach naszej planety nie zaszła podobna kombinacja czynników niezbędnych do powstania tych fenomenów. Świat potrzebuje coraz więcej uranu dla energetyki, więc badania geologiczne jeszcze nieznanych złóż prawdopodobnie pozwolą je odkryć. Ale będzie to tylko dodatkowe potwierdzenie, że nawet w przypadku tak wyrafinowanej technologii, jaką jest energetyka jądrowa, natura był pierwsza. Zatem: nihil novi sub sole, jak powiedzieliby starożytni.
