Přírodní jaderné reaktory

Jaderný štěpný reaktor není jen vynálezem člověka. Člověk jen znovu objevil a napodobil to, co existovalo v přírodě. Přírodní jaderný reaktor pracoval již před dvěma miliardami let v uranovém nalezišti v Oklu, na území dnešního státu Gabon. Ložiska uranu v  tamních skalních masívech umožnily vznik a udržení se štěpné jaderné reakce o průměrném výkonu asi 100 kilowattů v každé zóně (tedy výkonu srovnatelném s dnešními výzkumnými reaktory) po relativně dlouhou dobu, cca 150 tisíc let.

V uranovém nalezišti Oklo v africkém Gabunu bylo doposud lokalizováno 16 reaktorových zón (a jedna další asi 30 km daleko) a na základě geologických a radiochemických analýz se zjistilo, že ložiska uranu v tamních skalních masívech umožnila 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.

Francouzský uranový důl

Od šedesátých let těžila Francie uranovou rudu z místních bohatých nalezišť asi 50 km severozápadně od města Franceville. Při běžném geologickém průzkumu ložisek  došlo v roce 1972 k šokujícímu objevu. O objev se zasloužil francouzský analytický chemik Bouzigues pracující v závodě na výrobu paliva pro jaderné elektrárny.  Zjistil, že obohacení uranové rudy izotopem ²³⁵U je menší než očekávaných 0,7202 %, což je obvyklé je v zemské kůře, na Měsíci a dokonce i v meteoritech. Naměřená hodnota obohacení byla o 0,0031 % nižší. Těžba uranu byla dočasně zastavena a části naleziště byly zpřístupněny pro provedení rozsáhlých izotopických měření. Metody datování založené na radioaktivním rozpadu jader s dlouhými dobami života (jako uran 238, samarium 147 nebo rubidium 87, jejichž poločasy rozpadu jsou řádově miliony až stovky milionů let) umožnily zařazení doby fungování reaktoru do epochy před dvěma miliardami let, tedy cca 2,5 miliardy let po zformování Sluneční soustavy (pro srovnání: tou dobou na Zemi už existovaly jednobuněčné formy života, ale do vzniku mnohobuněčných organismů zbývala téměř miliarda let). Důl byl v provozu 40 let až do r. 1999.

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 ukryto ve stupni obohacení přírodního uranu izotopem 235.

Izotopické složení

Izotopické složení uranu se v průběhu historie Země výrazně mění a ani jeden ze zmíněných izotopů uranu není stabilní. Jádra se rozpadají vyzářením částice alfa (jádra hélia) a nová jádra se stávají součástí známých radioaktivních rozpadových řad, které končí v oblasti lehčího olova. Poločas rozpadu ²³⁸U je srovnatelný se stářím Země, necelých 5 miliard let, zatímco poločas rozpadu ²³⁵U je asi šestkrát menší, asi 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 zastoupení  ²³⁵U jen 0,72 %, jako dnes, ale okolo 3 % (tedy 3 jádra ²³⁵U na 100 jader ²³⁸U). Samovolné nastartování a udržení řetězové reakce v prehistorických etapách zemského vývoje bylo proto v principu možné.

Podzemní voda moderátorem

Fakt, že se řetězová reakce udržela několik tisíc let a nedošlo k explozi, nabádá k zamyšlení, jak docházelo k jeho regulaci a kontrole reaktivity. Prudký nárůst štěpné reakce by měl za následek roztavení horniny či dokonce jaderný výbuch. Provedené výzkumy v dané oblasti objevily mechanismus, který s největší pravděpodobností zajistil „řízení“ reakce. Jako neutronový moderátor (zpomalovač neutronů) se o to zasloužila podpovrchová voda, která se s rostoucí reakcí, a tedy zvyšující se teplotou, vypařovala. Protože vznikající pára má menší hustotu než voda, tak hůře moderuje. A po čase, kdy se efektivita zpomalování neutronů snížila natolik, že se soustava stala podkritickou (z reakce vylétalo méně neutronů, než kolik je potřeba pro udržení řetězové štěpné reakce), reakce ustala. Pro její opětovné nastartování bylo zapotřebí, aby reaktor zchladl, a tudíž voda mohla opět zaplavit aktivní zónu.

Reaktor pracoval po přibližně 150 tisíc let v cyklickém režimu s cca tříhodinovým intervalem, kde aktivní období probíhající řetězové reakce bylo odhadnuto na cca 30 minut.

To vše bez údržby, bez personálu, bez odstávek pro výměnu paliva a bez sledování stárnutí.  Ale i bez praktického využití.

Vzniklé štěpné produkty zůstaly zamčené v hornině a migrovaly sotva několik centimetrů za miliardu let

Způsob, jakým přírodní reaktory v Oklu pracovaly, může být velmi poučný i pro současné konstruktéry jaderných reaktorů. Napodobení přírody, konkrétně jejího „triku“ se zapouzdřením štěpných produktů do aluminium-fosfátových zrn, by totiž mohlo pomoci vyřešit v současné době nejpalčivější problém jaderné energetiky - skladování vysoce radioaktivního vyhořelého paliva. Z tohoto hlediska jsou zbytky reaktorů v Oklu také neocenitelným zdrojem poznatků o dlouhodobé míře migrace jednotlivých štěpných produktů v zemské kůře. Oklo je vlastně jakýmsi testovacím úložištěm radioaktivního odpadu, které ukazuje, jak by lidmi vybudované úložiště mohlo vypadat po uplynutí geologických věků.

O přírodním jaderném reaktoru jsme se zmínili již ve článku https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/613-oklo