Objev přírodních jaderných reaktorů

Příroda je stále plná tajemství a neustále překvapuje nejen laickou veřejnost, ale i vědeckou obec. Jedním z  největších překvapení bylo objevení přírodních jaderných reaktorů v rovníkové západní Africe. Cesta k objevu může být charakterizována číslem 0,0031% - nerozpoznání tak malé odchylky by stačilo k tomu, aby tento přírodní fenomén byl opomenut.

Náhoda

V květnu 1972 ve francouzském Pierrelatte, ve zpracovatelském závodu pro výrobu jaderného paliva, si jeden z pracovníků všiml něčeho podezřelého při provádění rutinní analýzy izotopového složení uranu ve vytěžené rudě z dolu Oklo v Gabonu (bývalá francouzská kolonie v západní rovníkové Africe). V zemské kůře, na Měsíci a dokonce i v meteoritech, jádra izotopu uranu 235 tvoří 0,7202% z celkového počtu jader přírodního uranu. Ale ve vzorku, který přišel z uranového naleziště Oklo v Gabonu, zastoupení uranu 235 bylo jen 0,7171%. Tento malý rozdíl by mnoho lidí jen přehlédlo, avšak lidé ve Francii se tímto nepatrným rozdílem, čili tak malým číslem jako je 0,0031%, začali zabývat. Následné analýzy vzorků odebraných z uranového ložiska Oklo ukázaly, že ruda v některých oblastech obsahuje dokonce jen 0,3% uranu 235.

Hledání příčin

Dlouhou dobu nemohli specialisté z francouzské Komise pro atomovou energii (CEA) přijít na původ tohoto poklesu podílu uranu 235. Odpověď na tuto otázku byla však předpovězena již dříve. V roce 1953 George W. Wetherill z University of California v Los Angeles a Mark G. Inghram z University of Chicago uvedli, že některá ložiska uranu mohla kdysi existovat jako přírodní jaderné štěpné reaktory. Krátce poté, Paul Kuroda K., chemik z University of Arkansas, na základě výpočtů formuloval čtyři podmínky, které by umožnily uranovému ložisku v přítomnosti vody udržet řetězovou reakci.
Vědci následně začali hledat v uranovém nalezišti Oklo systémy, které by odpovídaly výše zmíněným podmínkám. V rámci oblastí uranových dolů Oklo a Okelobondo bylo nalezeno šestnáct samostatných systémů, které téměř odpovídaly podmínkám, publikovaných Kurodou. Následkem toho se vědci pustili do hlubšího výzkumu toho přírodního fenoménu.

Přírodní reaktorová zóna

Nejprve bylo nutné potvrdit výše zmíněné nálezy reaktorových zón. Jednou z metod, jak nalézt potenciální přírodní reaktorovou zónu, je odhalit rozdílné složení izotopů prvků, které se v přírodě vyskytují, nebo dokonce odkrýt izotop, který se v přírodě vůbec nevyskytuje. Jedním z prvků, který byl takto zkoumán, byl neodym.
Neodym byl vybrán pro tuto studii kvůli několika stabilním izotopům na konci krátkých izobarických řad, které mají významné zastoupení mezi štěpnými produkty. Po určitých korekcích bylo zjištěno, že zastoupení izotopů neodymu odpovídá tomu, které pochází ze štěpení uranu 235.


Mechanismy pro regulaci

Další důležitou kapitolou bylo určení samotné regulace a fungování těchto přírodních reaktorů. Jeden z navrhovaných mechanismů pro regulaci přírodního reaktoru by mohl být založen na základě přítomnosti nečistot, vysoce absorbujících neutrony. Jsou jimi např. izotopy vzácných zemin nebo bór, které byly zjištěny v oblasti Oklo. Tento mechanizmus by vypovídal o tom, že v jedné části reaktorové zóny by byly spotřebovávány silné absorbátory neutronů a v jiných částech reaktorové zóny by docházelo k vyhořívání uranu. Tento mechanizmus v podstatě odpovídá konstrukci dnešních lehkovodních reaktorů (systém palivo/absorbátor).
Další potenciální regulační mechanismus by mohl být založen na regulaci vodou, která působí jako neutronový moderátor. Při zvýšení teploty reaktoru nad teplotu varu by došlo k přeměně vody v páru. Tím by se snížil tok termálních neutronů a pomalu by tak docházelo k zastavování řetězové reakce. Řetězová reakce by tak mohla být znovu spuštěna pouze v případě, že by se v reaktoru opět zvýšila koncentrace vody, tzn. zchladnutím reaktoru a následnou kondenzací vody.

Objev vysoké koncentrace xenonu

Až do nedávna nebyly nalezeny žádné přesvědčivé důkazy ve prospěch některého z těchto mechanismů. Vysvětlení přinesl až objev nesmírně vysoké koncentrace xenonu, nalezeného v oblasti Oklo v aluminium-fosfátových krystalech. Ty nesly otisk zvláštního cyklického provozu reaktoru s časovým horizontem, což naznačovalo, že regulace reaktoru musela být skutečně řízena koncentrací vody. Navíc izotopové složení ukázalo, že přírodní jaderný rektor díky vodě nefungoval kontinuálně, ale jako gejzír. Byl v chodu zhruba půl hodiny a poté 2,5 hodiny chladnul. Tento koloběh se opakoval do ukončení jaderné reakce kvůli nízkému zastoupení uranu 235 a tvorbě reaktorových jedů.

Poselství o ukládání vyhořelého paliva

Fenomén OKLO nám však přinesl možná ještě důležitější poselství. Týká se hlubinného ukládání vyhořelého jaderného paliva. Mnoho studií se zabývalo také studiem migrace štěpných produktů z reaktorové zóny. Výzkumy přinesly velká překvapení. Bylo zjištěno, že většina štěpných produktů, které jsou z hlediska dlouhodobého ukládání pro naše vyhořelé jaderné palivo problematické, byla zachycena v samotné uranové rudě. Zbytek izotopů byl poté zachycen v aluminium-fosfátových jílech, které se v této oblasti vyskytují. Tím nedošlo k žádné výrazné migraci z přírodního jaderného reaktoru.
Z doposud zjištěných informací lze říci, že přírodní jaderné reaktory jsou analogií k plánovaným úložištím radioaktivního odpadu a vyhořelého jaderného paliva. A také bezednou studnicí informací.

Autoři článku: Ing. Jan Krmela1,2, Ing. Irena Špendlíková2

Foto: http://physics.aps.org/story/v14/st18

1 Centrum nakládání s RAO, divize Chemie palivového cyklu a nakládání s odpady, Ustav jaderného výzkumu Řež a. s., Husinec – Řež, č. p. 130, 250 68 Řež

2 Katedra jaderné chemie, Fakulta jaderna a fyzikálně inženýrská, České vysoké učeni technické v Praze, Břehová 7, 115 19 Praha 1

 

Galerie

Související studijní obory na Jaderce

Jaderná chemie Bc. Chemie

Bakalářské studium s důrazem na seznámení se se základy jaderné chemie pro navazující studium.

Jaderné inženýrství Bc. Ing. Jádro

Obor poskytuje vzdělání jak teoretické tak praktické týkající se technologie jaderných reaktorů.

Jaderná chemie – specializace v biologii a medicíně Ing. Chemie

Magisterské studium s důrazem na aplikaci v oblastech biomedicínského výzkumu a praxe.

Jaderná chemie - specializace chemie životního prostředí Ing. Chemie

Magisterské studium s důrazem na aplikaci v oblastech životního prostředí.

Jaderná chemie - specializace v aplikované jaderné chemii Ing. Chemie

Magisterské studium s aplikací jaderných metod, radionuklidů a ionizující záření ve vědě a technice.

Zaujal vás tento článek? Podělte se o něj s ostatními!