Piotr Cieśliński

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/