Prvé jadrové reaktory na zemeguli.
Asi to nie je bežne známe, ale prvé jadrové reaktory na zemi nezostrojil človek. Zostrojila ich a aj dlhodobo bez problémov prevádzkovala naša Matka Príroda! A nielen to, ona nám navyše ukázala, že sa netreba obávať dlhodobého skladovania rádioaktívnych odpadov!
Na prvý pohľad sa to zdá neuveriteľné, niečo ako fantázia, alebo blúznenie že? Ale je to skutočne tak. Dokonca aj celý ten príbeh je skoro ako z detektívky. Prišli na to náhodou.
Čo sa stalo?
V máji 1972 vo francúzskom závode na obohacovanie uránu v Pierrelatte bolo pri rutinnej spektro-metrickej kontrole dovezených materiálov z africkej bani v Oklo (Republika Gabun) zistené že je tam nezrovnalosť v obsahu izotopu Uránu-235. V súčasnosti je v zemskej kôre normálna koncentrácia izotopu Uránu-235 približne 0.72% a dané vzorky vykazovali iba 0.60%, čo je významný rozdiel! Ak keď by sa to mohlo niekomu zdať málo, pri prepočítaní s dodaným množstvom to celkovo vychádzalo na hodnotu, ktorá by teoreticky stačila na výrobu niekoľkých atómových bômb! Žiadalo si to vysvetlenie, pretože jadrový materiál je prísne sledovaný a aj (na gramy) evidovaný. Samozrejme, že relevantný francúzsky jadrový dozor „Commissariat à l'énergie atomique (CEA)“ začal prísne vyšetrovania. Výsledky ohromili úplne všetkých.
Séria meraní a porovnávaní izotopov uránu vyťaženého v Oklo ukázala anomálne výsledky v porovnaní s výsledkami získanými z iných baní. Ďalšie vyšetrovanie tohto ložiska uránu dokonca objavilo uránovú rudu s nízkou koncentráciu Uránu-235 na úrovni 0,44%! Ďalšie doplňujúce vyšetrenie ostatných izotopov ukázalo podobné anomálie, ako je Neodýmium a Ruténium. Fyzici pochopili, že sú to zrejme analogické výsledky ako pri procesoch vznikajúcich v jadrovom reaktore. Možným vysvetlením preto bolo, že uránová ruda fungovala ako prírodný štiepny reaktor. A ďalšie veľmi dôsledné šetrenia a zistené výsledky vedú k rovnakému záveru a 25. septembra 1972 CEA oznámila svoje zistenie, že na Zemi sa vyskytli samo-udržateľné jadrové reťazové reakcie asi pred dvomi miliardami rokov. Ďalším opakovaným prieskumom v Oklo bolo neskôr v regióne objavených minimálne 17 (áno čítate správne = slovom sedemnásť) ďalších prírodných jadrových reaktorov.
Ale ako je to možné?
Teraz bude nasledovať vysvetľujúci (trošku teoretický – ale aj to ešte v zjednodušenej a skrátenej verzii) blok, takže netrpezlivý čitateľ ho môže preskočiť.
Vedci sa zaoberajú už dlhé roky určovaním množstva prvkov a ich izotopov v objektoch slnečnej sústavy. Spektroskopické merania ukazujú, že množstvo hviezdnych prvkov sa líši a zatiaľ nemajú jediný uplatniteľný vzor. Existujú veľké rozdiely v množstve prvkov na rôznych planétach. U nás na zemi vieme o dôležitých prevládajúcich prvkoch (vodík, hélium, uhlík a neón) ako aj ďalších (kyslík, horčík, kremík a železo). V tomto hodnotení je urán – pre nás dôležitý, môže byť vnímaný ako mimoriadne vzácny.
Ale odkiaľ urán vlastne pochádza?
Vedci ktorí sa zaoberajú chémiou a vesmírom, tvrdia že zemský urán máme z jednej alebo viacerých supernov. (Supernova nastane, keď dotyčná hviezda už vyhorela všetko jeho dostupné jadrové palivo). Je to dosť zložité vysvetliť jednoducho. Pre nás je z toho poznatok, že vieme, že zemský urán bol „vyrobený“ prostredníctvom jedného alebo viacerých takýchto procesov a že „bol zdedený“ slnečným systémom, ktorého súčasťou je aj naša Zem. Existuje možnosť odhadu aj kedy a ako dlho táto syntéza uránu bola, pretože nám to umožňuje odhad súčasného množstva U-235 a U-238 v rôznych "škrupinách" tvoriacich našu planétu, znalosť polčasu rozpadu týchto izotopov ako aj vek na Zemi (c 4,55 miliardy rokov) - známy z rôznych rádio-metrických "hodín", vrátane tých, ktoré poznáme z rozpadových reťazcov uránu a olova.
Zem sa časom menila (a aj stále mení). Súčasťou základnej fyzikálnej a chemickej diferenciácie Zeme vedenej tektonickou platňou bola tvorba litosféry a jej procesy vo vonkajšej vrstve atmosféry. Ako napríklad vieme, že počas obdobia zvýšenej tvorby oceánskej litosféry, ku ktorej došlo počas kriedového obdobia asi pred 100 miliónmi rokov, stredoveké oceánske hrebene stáli vyššie a spôsobovali zaplavenie nízko položených častí kontinentov. Účinky boli rozmanité a zahŕňali: - zvýšené uvoľňovanie oxidu uhličitého spôsobujúce zvýšenie obsahu oxidu uhličitého v oceáne a v atmosfére, - zmenšenie kontinentálnej povrchovej plochy vedúcej k zníženiu titrácie vplyvom atmosférického oxidu uhličitého, - trvalo vysokej hladiny oxidu uhličitého v atmosfére, čím sa zvýšil skleníkový efekt a podnebie sa oteplilo.
Sekulárne zmeny sa uskutočnili v niekoľkých atmosférických procesoch vrátane zmeny zloženia. Sumárne sa dá povedať, že vzdialenosť Zeme od Slnka spolu so skleníkovou spätnou väzbou umožnili udržiavanie povrchových teplôt v rozsahu kondenzácie vody. To bolo mimoriadne dôležité, pretože Oxid uhličitý sa rozpúšťa vo vode.
Pozoruhodným rysom našej atmosféry je prítomnosť molekulárneho kyslíka uvoľneného fotosyntézou, proces, ktorým zelené rastliny vyrábajú svoje uhľohydráty z atmosférického oxidu uhličitého a vody.
Toto – teda fotosyntéza ktorá sa dá vysledovať späť v čase približne na 3,8 miliardy rokov, spôsobila, že bol uvoľnený kyslík spotrebovaný oxidáciou redukovaných zlúčenín železa na povrchu Zeme, až sa (kyslík) začal hromadiť v atmosfére ako voľný kyslík (bolo to cca pred 2,5 miliardami rokov).
A to potom viedlo k zásadnej zmene spôsobu, akým bol urán transportovaný v atmosfére, cyklus tzv. eróznej depozície. Zatiaľ čo za znížených podmienok je urán relatívne nerozpustný a stabilný ako uraninit (UO2), za oxidačných podmienok sa stáva rozpustným (U6 +) a ľahko sa prepravuje. Výsledok bol, že pred 2,5 miliardami rokov boli ložiská uránu vytvorené hlavne tam, kde sa dosiahlo zníženie množstva tekutín nesúcich urán, napríklad baktériami alebo kontaktom s grafitickými bridlicami.
Ako fungoval prírodný jadrový reaktor?
Základná podstata je v tom, že v tom čase (oproti súčasnosti) existovali na Zemi aj minerálne ložiská s obsahom Uránu-235 cez 3 percentá!
Prirodzený jadrový reaktor vznikol vtedy, keď sa minerálne ložisko dostatočne bohaté na izotop Uránu-235 zaplavilo spodnými vodami, ktoré pôsobili ako neutrónový moderátor a došlo k spontánnej jadrovej reťazovej reakcii. Teplo vznikajúce z jadrového štiepenia spôsobilo, že podzemná voda sa odparila, čo spomalilo alebo úplne zastavilo reakciu. Po ochladení ložiska minerálov sa voda opäť vrátila a reakcia sa opätovne spustila. Cyklus trval asi každé 3 hodiny. Tieto cykly štiepneho reakcie pokračovali stovky tisíc rokov a boli ukončené až vtedy, keď stále klesajúce obohatenie štiepnych materiálov už nemohlo vyvolať reťazovú reakciu. Štiepenie uránu produkuje zvyčajne päť známych izotopov xenónu štiepneho produktu; všetkých päť bolo zachytených v zvyškoch prírodného reaktora v rôznych koncentráciách. Koncentrácie xenónových izotopov, ktoré boli zistené zachytené v minerálnych formáciách o 2 miliardy rokov neskôr, umožňujú vypočítať aj konkrétne časové intervaly prevádzky reaktora: približne 30 minút kritické, po ktorých nasleduje 2 hodiny a 30 minút ochladzovania na dokončenie 3 hodín cyklus. Kľúčovým faktorom, ktorý umožnil reakciu, bolo to, že v čase, keď bol reaktor kritický pred 1,7 miliardami rokov, štiepny izotop Uránu-235 tvoril približne 3,1% prírodného uránu, čo je porovnateľné s množstvom použitým v niektorých dnešných reaktoroch. (Zvyšných 96,9% bol Urán-238. A pretože Urán-235 má kratší polčas než 238 tak sa aj rýchlejšie rozpadá. Súčasné množstvo Uránu-235 v prírodnom uráne je asi 0,70-0,72%, takže prirodzený jadrový reaktor už nie je na Zemi možný (bez ťažkej vody alebo grafitu).
Ložiská uránovej rudy v Oklo, sú jedinými známymi miestami, v ktorých existovali prírodné jadrové reaktory. Ďalšie bohaté uránové rudy ktoré by mali mať v tom čase dostatočný urán zrejme existovali, ale kombinácia uránu, vody a fyzikálnych podmienok potrebných na podporu reťazovej reakcie bola, pokiaľ je v súčasnosti známa, unikátna iba v Oklo.
Faktorom, ktorý pravdepodobne prispel k začiatku prirodzeného jadrového reaktora Oklo pred 2 miliardami rokov, bol ako sme už spomenuli rastúci obsah kyslíka v atmosfére Zeme. Urán je prirodzene prítomný v horninách zeme a množstvo štiepiteľného (obyčajnou vodou) Uránu-235 musí byť aspoň 3% alebo vyšší pred spustením reaktora. Lenže Urán je rozpustný vo vode iba v prítomnosti kyslíka. A práve preto stúpajúce hladiny kyslíka počas starnutia Zeme mohli umožniť rozpustenie uránu a jeho dopravou pomocou podzemných vôd do miest, kde by sa mohol akumulovať dostatočne vysoký obsah, aby sa vytvorili bohaté uránové rudy. Ale bez nového aerobického prostredia dostupného na Zemi v tom čase by tieto koncentrácie pravdepodobne nemohli prebehnúť.
Odhaduje sa, že jadrové reakcie v uráne v centimetroch až metrových žilách spotrebovali asi päť ton U-235 pri teplotách okolo niekoľko stoviek stupňov Celzia. Väčšina neprchavých produktov štiepenia a aktinídov sa v priebehu posledných 2 miliárd rokov pohybuje už len v centimetroch. Štúdie to naznačili ako užitočný prirodzený analóg pre likvidáciu jadrového odpadu.
Áno prečítali ste tú poslednú vetu správne!
Ešte raz – Výsledky a dôsledky prirodzených jadrových reaktorov v Oklo poukazujú že príroda nám potvrdzuje kde je prirodzené riešenie v oblasti dlhodobého skladovania jadrových odpadov!
Prirodzené reťazové reakcie v Oklo, spontánne spúšťané prítomnosťou vody pôsobiacej ako moderátor, fungovali asi pred dvoma miliónmi rokov, až nakoniec skončili. Počas tohto dlhého obdobia reakcií bolo v okolitých minerálnych vrstvách vytvorené približne 5,4 tony štiepnych produktov, ako aj 1,5 tony plutónia spolu s inými trans-uranickými prvkami. Počiatočné rádioaktívne produkty sa už dávno rozpadli na stabilné prvky, ale štúdium ich množstva a umiestnenia ukázalo, že počas a po jadrových reakciách došlo k veľmi malému pohybu rádioaktívnych odpadov. Plutónium a ostatné trans-uranické prvky prakticky zostali imobilné.
Takže kritika odporcov jadrovej energie, či jadrovej energetiky v tomto prípade ide proti Matke Prírode. Tá (príroda) sa nepýtala na ceny, koeficient efektivity, či environmentálne záťaže a podobne. Keď boli vhodné podmienky splnené jednoducho jadrové reakcie spustila a fungovalo to stovky tisíc rokov.
Výsledok je že jadrové odpady sú prakticky stále tam kde aj vznikli, takže príroda nám ukázala aj cestu čo urobiť s ich uskladňovaním.....
Zaujal Vás článok, ak áno – tak to je výborné, pretože ďalší bude o prvom jadrovom reaktore na svete, tento krát však zostrojeným človekom.....
