Kiedy dziś myślimy o energetyce jądrowej, to przed oczami mamy betonowe kompleksy, wielopoziomowe procedury bezpieczeństwa i kontrolery, które śledzą każdy ułamek sekundy pracy reaktora. Atom kojarzy się z czymś, co wymaga obsesyjnej kontroli, skomplikowanych algorytmów i państwowych regulacji. Tymczasem Ziemia poradziła sobie z podobnym procesem sama, bo głębi afrykańskiej skały, na długo przed pojawieniem się człowieka, działał reaktor, który uruchamiał się i wyłączał samoistnie, reagując wyłącznie na wodę i temperaturę.
Uran był i uran znikł, czyli naturalny reaktor jądrowy w Oklo
Historia naturalnych reaktorów w Oklo zaczyna się jednak nie w kopalni, ale w laboratorium kontroli jakości. Na początku lat 70. francuscy specjaliści analizujący uran z Gabonu zauważyli niewielką, ale niepokojącą różnicę w składzie izotopowym paliwa. Zamiast standardowych 0,720 procent uranu-235, próbki z Oklo zawierały mniej tego izotopu, niż pozwalały podręczniki. Tak mała odchyłka mogłaby zostać zignorowana, gdyby nie fakt, że w skali przemysłowej oznaczała brak materiału wystarczający do skonstruowania kilku ładunków o sile porównywalnej z bombą z Hiroszimy.
Czytaj też: Rewolucja na rynku okien. Zapomnij o podłączaniu szyb do prądu
W świecie fizyki jądrowej nie ma miejsca na to, aby “uran zaginął”. Albo został skradziony, albo już przeszedł reakcję rozszczepienia i to właśnie ta druga możliwość, na pierwszy rzut oka absurdalna, poprowadziła badaczy do Gabonu. Na miejscu okazało się, że natura zrealizowała scenariusz, który kilkanaście lat wcześniej istniał tylko w teoretycznych rozważaniach fizyka Paula Kurody: w odpowiednich warunkach geologicznych złoże uranu może zamienić się w samopodtrzymujący się reaktor.
Kulisy odkrycia, czyli wszystko zaczęło się od brakującego uranu
Cała historia zaczęła się od rutynowej analizy w 1972 roku. Francuski fizyk Francis Perrin badał próbki rudy uranu w zakładzie przetwórstwa paliwa i natknął się na coś, co według ówczesnej wiedzy nie powinno było istnieć. Inżynierowie w zakładzie Eurodif zauważyli coś niepokojącego w rudzie z kopalni Oklo, jako że zawartość izotopu uranu-235 była niższa od oczekiwanej. Naturalny uran na Ziemi, Księżycu czy w meteorytach ma zawsze stałą proporcję tego izotopu na poziomie 0,720 procent. Tymczasem próbki z Gabonu wykazywały zaledwie 0,717 procent. Ta mikroskopijna różnica wynosząca 0,003 procenta wystarczyła, by w świecie fizyki jądrowej zawrzało. Jedynym logicznym wyjaśnieniem było to, że część uranu już uległa rozszczepieniu.
Czytaj też: Wrzucasz słomę, wyciągasz paliwo przyszłości. Ekologiczny wodór wreszcie tańszy od gazu
Dalsze analizy potwierdziły obecność charakterystycznych produktów rozszczepienia, które mogły powstać wyłącznie w wyniku podtrzymywanej reakcji łańcuchowej. Okazało się tym samym, że natura opanowała energetykę jądrową na długo przed tym, zanim człowiek zbudował swój pierwszy reaktor.
Woda pełniła rolę naturalnego regulatora mocy. Ten prosty mechanizm kontrolował reakcję łańcuchową
Kluczem do zrozumienia tego zjawiska jest stan naszej planety sprzed dwóch miliardów lat. Wtedy naturalny uran zawierał około 3 procent uranu-235, co jest wartością porównywalną z paliwem używanym dziś w niektórych reaktorach konstrukcji ludzkiej. Dziś, na skutek naturalnego rozpadu, zawartość tego izotopu spadła do zaledwie 0,7 procent, co uniemożliwia samoczynną reakcję łańcuchową. Same bogatsze złoże to jednak za mało. Potrzebny był jeszcze moderator, czyli substancja spowalniająca neutrony. W Oklo tę rolę spełniała zwykła woda gruntowa, która przenikała szczeliny w skale.
Czytaj też: Chiny pokonały blackouty. Już 12 krajów uwierzyło w ich dzieło
Mechanizm był genialny w swojej prostocie, bo gdy reakcja się rozpędzała, generowane ciepło powodowało odparowanie wody. Para uciekała, usuwając moderator, co natychmiastowo wygaszało reaktor. Po ostygnięciu skały, woda znów napływała i cykl rozpoczynał się od nowa. Ten naturalny, pulsujący tryb pracy mógł trwać setki tysięcy lat.
Pod ziemią odkryto piętnaście naturalnych reaktorów. Każdy pozostawił unikalny izotopowy ślad
Od czasu pierwszego odkrycia naukowcy zidentyfikowali co najmniej piętnaście oddzielnych reaktorów w głównym złożu Oklo oraz kolejne w pobliskim Bangombé. Każdy z nich pozostawił unikalny “odcisk palca” w postaci specyficznego składu izotopowego, który jest niepodważalnym dowodem na zachodzenie rozszczepienia. Moc pojedynczego reaktora szacuje się na około 100 kilowatów energii cieplnej, co odpowiada mocy potrzebnej do zasilenia kilkunastu domów. Co istotne, reaktory te nie pracowały wszystkie jednocześnie, a ich aktywność była cykliczna. Zaawansowane symulacje komputerowe z 2011 roku pozwoliły wreszcie dokładnie odtworzyć chemiczne i fizyczne procesy, które doprowadziły do zainicjowania, a następnie samoregulacji tych reakcji. Modele te pokazały współzawodniczenie dwóch procesów: wzbogacania uranu i jego stopniowego wypalania.
Naturalne laboratorium bezpieczeństwa jądrowego
Z punktu widzenia współczesnej energetyki jądrowej Oklo jest czymś więcej niż geologiczną ciekawostką. To również unikalne laboratorium, w którym natura przez dwa miliardy lat testowała scenariusz, którego dziś najbardziej się obawiamy, bo co dzieje się z produktami rozszczepienia i aktinidami w skali geologicznej? Analizy skał z Gabonu pokazały, że większość ciężkich pierwiastków promieniotwórczych, które powstały w naturalnych reaktorach, przemieściła się zaledwie o kilka centymetrów od pierwotnego miejsca powstania.
W praktyce oznacza to, że nawet w obecności wody i przy tak długim czasie oddziaływania materiały te pozostały zaskakująco dobrze uwięzione w strukturze skał. Dla inżynierów projektujących głębokie składowiska odpadów promieniotwórczych Oklo jest więc wymarzonym modelem w naturze. Zamiast polegać wyłącznie na symulacjach komputerowych, mogą odwołać się do realnego, naturalnego procesu, który trwał setki tysięcy lat, a jego skutki obserwujemy dzisiaj w nienaruszonych przekrojach geologicznych.
Naturalne reaktory z Oklo okazały się również bezcennym narzędziem dla fizyków teoretycznych. Skoro wiemy, że reakcje rozszczepienia zachodziły tam przez setki tysięcy lat, to możemy wykorzystać pozostawione w skałach ślady izotopów do zadania bardzo fundamentalnego pytania: czy prawa fizyki są rzeczywiście niezmienne w czasie? Analiza stosunków izotopów pierwiastków takich jak neodym czy ruten pozwoliła sprawdzić, czy tak zwana stała struktury subtelnej mogła być w przeszłości choć minimalnie inna niż dzisiaj.
Dotychczasowe wyniki badań wskazują, że jeśli jakiekolwiek zmiany rzeczywiście zachodziły, to były mniejsze niż granice wykrywalności współczesnej aparatury. Innymi słowy, procesy jądrowe, które napędzały naturalne reaktory w Oklo, podlegały w praktyce tym samym prawom, które opisujemy obecnie w reaktorach energetycznych i badawczych. Jest to akurat rzadki przykład sytuacji, w której geologia, fizyka jądrowa i kosmologia spotykają się w jednym miejscu. Jedno złoże uranu w Gabonie stało się nieformalnym archiwum, w którym zarejestrowany jest zarówno zapis dawnej aktywności reaktora, jak i długoterminowa stabilność fundamentalnych praw przyrody.
Ten fenomen nie ma szans się powtórzyć. Warunki na Ziemi uległy nieodwracalnej zmianie
Dzisiaj powtórzenie takiego scenariusza jest fizycznie niemożliwe. Proporcja uranu-235 w naturalnych złożach jest zbyt niska. Oklo pozostaje więc unikalnym i jak dotąd jedynym potwierdzonym miejscem takiego zjawiska na Ziemi. Inne, potencjalne naturalne reaktory mogły zostać bezpowrotnie zniszczone przez ruchy tektoniczne, erozję czy metamorfizm skalny na przestrzeni miliardów lat. Dlatego zresztą taka niepowtarzalność czyni odkrycie tak wyjątkowym.
Od 2019 roku próbki z Oklo można oglądać w Muzeum Historii Naturalnej w Wiedniu. Emitują one promieniowanie na poziomie około 40 mikrosiwertów na godzinę z odległości pięciu centymetrów, co jest dawką porównywalną z tą, jaką otrzymujemy podczas ośmiogodzinnego lotu samolotem przez Atlantyk. Wystawa ma cel edukacyjny, bo przypomina, że radioaktywność jest naturalnym elementem naszego świata. Występuje w materiałach budowlanych, żywności, powietrzu, a nawet w naszych ciałach. Naturalne reaktory w Gabonie są doskonałym przykładem, że zjawisko rozszczepienia jądrowego nie jest wyłącznie ludzkim wynalazkiem. Nasza planeta opanowała je na długo przed tym, nim my w ogóle pojawiliśmy się na jej powierzchni.