Gabon’un antik nükleer reaktörü

Gabon, Sub-Sahra Afrika'da en zengin ülkelerden biridir ve kişi başına düşen geliri komşularınınkinin dört katıdır.

Ekonomisi petrol, ardından kereste ve mangan ihracatıyla domine edilir. Kısa bir dönem Gabon, nükleer santraller ve nükleer silahlar için kullanılan değerli ham madde olan uranyum da ihraç etmiştir.

Bugün madenler kurumuştur, ancak yaklaşık iki milyar yıl önce burada kayaların kendiliğinden nükleer fisyon geçirmesine yol açacak kadar fazla uranyum vardı.

Uranyum doğada üç izotop formunda bulunur, veya çekirdeğindeki nötron sayısında birbirinden farklılık gösteren varyantlarda.

En yaygın olanı uranyum-238'dir, dünya üzerindeki tüm uranyumun %99'unu oluşturur. Yaklaşık %0.72'si uranyum-235'tir ve çok küçük bir miktar, yaklaşık %0.006'sı uranyum-234'tür.

Üç uranyum izotopu da dengesizdir ve zayıf radyoaktiftir, ancak sadece uranyum-238 ve uranyum-235 nükleer fisyon geçirebilir.

Bu iki tür arasında uranyum-238 daha kararlıdır, uranyum-235 ise nükleer fisyona daha elverişlidir ve bu yüzden nükleer santrallerde kullanılan en yaygın yakıttır.

Üç uranyum izotopu da yer kabuğunda dikkate değer bir düzenlilikle dağılır, bu nedenle bugün madenlenen herhangi bir uranyum cevheri kesinlikle %0.72 uranyum-235 içerecektir.

Ancak bu konsantrasyon nükleer fisyonu indüklemek için çok düşüktür. Uranyum, önce merkezkaçlar ve gaz difüzyonu gibi karmaşık bir süreçle zenginleştirilmelidir, böylece konsantrasyonu en az %3 olur.

Tipik bir nükleer reaktör, %3 ila %5 arasında uranyum-235 gerektirirken, bir nükleer bomba %90 oranında gerektirir.

Cevherdeki uranyum-235'in oranı, dünya oluştuğundan beri değişmektedir çünkü uranyum radyoaktiftir ve zaman içinde diğer elementlere bozunur.

Uranyum-238'in bozunma oranı (yarı ömrü 4.5 milyar yıl) uranyum-235'in bozunma oranından (yarı ömrü 700 milyon yıl) çok daha yavaş olduğu için, uranyum-235 milyonlarca yıl önce bugünkünden daha yüksek bir konsantrasyonda mevcuttu.

Uranyum-235'in yarı ömrünü bildiğimiz için, farklı jeolojik zamanlarda ne kadarının mevcut olduğunu kolayca tahmin edebiliriz.

Örneğin, 700 milyon yıl önce bugünkünden iki kat daha fazla uranyum-235 vardı (%1.3), ve 1.4 milyar yıl önce bugünkünden dört kat daha fazla vardı (%2.3). Unutmayın, zaman geçtikçe uranyum-238 miktarı da artıyor, ancak daha yavaş bir hızda, bu yüzden yüzdelikler ikiye katlanmıyor.

İki milyar yıl önce uranyum-235'in konsantrasyonu neredeyse %4'tü, ve güneş sisteminin oluştuğu zaman %17'ydi.

1950'lerde, bilim adamları dünya kabuğunda bu kadar çok uranyum-235 konsantre olduğuna göre, bazılarının doğal olarak fisyon olmuş olması gerektiğini hipotez ettiler, koşullar sadece uygun olmalıydı.

1956'da, Japon-Amerikalı fizikçi Paul Kuroda bu fikri derinleştirdi ve doğal fisyonun nasıl gelişebileceğini ve sürdürülebileceğini teorileştirdi.

Kuroda, doğal fisyonun doğal olarak başlaması için yerin yüksek uranyum içeriğine sahip olması ve cevherin kalınlığının fisyon indükleyici nötronların ortalama yol uzunluğunu, yaklaşık olarak iki üçte birini, aşması gerektiğini önerdi.

Ayrıca, nötronların yavaşlamasını sağlayan bir modaratör, ve bir kendini sürdüren nükleer reaksiyonu engelleyecek kadar önemli miktarda nötron emici element (gümüş veya bor gibi) olmamalıdır.

Böyle bir doğal reaktör, 1972'de Gabon'da keşfedildi.

O zamanlar Fransızlar, eski bir Fransız sömürgesi olan Gabon'da nükleer enerji santrallerinde kullanılmak üzere uranyum madenciliği yapıyordu.

Güneydoğu Gabon'daki Oklo'daki bir madenden alınan uranyum cevherinin rutin ölçümleri sırasında, Fransızlar cevherdeki uranyum-235 içeriğinin 0.72 olmadığını, daha az olduğunu fark ettiler. (Farklı yayınlara göre madenlerdeki uranyum-235 konsantrasyonu konusunda bazı anlaşmazlıklar var.

Bazı yayınlara göre, Oklo'daki madenlerden çıkarılan cevherlerin uranyum-235 konsantrasyonu %0.717 idi - sadece %0.003'lük bir fark.

Ancak diğerlerine göre, fark önemliydi. "International Journal of Modern Physics" dergisinde yayımlanan bir makaleye göre, Oklo'daki cevherlerdeki uranyum-235 oranı sadece %0.60'tı.)

Daha fazla inceleme, cevherin içine gömülü diğer elementlerin iz düzeylerini ortaya çıkardı, bunların yüzdesi nükleer enerji santralleri tarafından üretilen harcanmış yakıtta bulunanlarla kuvvetle benzerdi.

Bu bulgular sadece tek bir şeyi öneriyordu - Gabon'dan elde edilen uranyumun kullanıldığı noktada geçmişte bazı yerlerin doğal olarak nükleer fisyon geçirmiş olması gerekiyordu.

Cevherdeki uranyum-235 tükenmişti çünkü bu uranyumdan bazıları fisyon için kullanılmıştı.

Bu şaşırtıcı keşiften sonra, fizikçiler uranyum madenlerini Oklo'da daha fazla kanıt için araştırmaya başladı ve sonunda bu bölgede en az on altı yere spontan nükleer fisyonun gerçekleştiğini keşfettiler.

Birkaç yıl boyunca, araştırmacılar bu tarih öncesi reaktörlerin nasıl işleyebileceğinin detaylarını çıkardılar.

Yaklaşık 2.4 milyar yıl önce, siyanobakterilerin biyolojik aktivitesi nedeniyle, dünya atmosferindeki oksijen içeriği yüz kat arttı. Bu, uranyumun çözünmeyen formundan çözünür oksidine dönüşmesine izin verdi.

Yağmur ve doğal kaynaklardan gelen su, uranyumu çözer ve kumtaşı katmanlarına depolar, ta ki reaksiyonu başlatmak için yeterince yoğun hale gelene kadar. Madendeki su, reaksiyonu sürdürmek için kritik bir rol oynadı.

Su, atılan nötronları yavaşlatarak diğer çekirdekler tarafından emilebilecek ve fisyonu tetikleyebilecek hale getirdi.

Suyun olmadığı bir durumda, nötronlar basitçe atomlardan sıçrardı. Nükleer fisyonun ısı üretmesi suyu tamamen buharlaştırdığında, reaksiyon durdu. Su geri döndüğünde, işlem yeniden başladı.

Bu etkinlik ve etkinlik dışı dönemler muhtemelen çok kısaydı. Matematik, reaktörlerin yaklaşık olarak 30 dakika boyunca "açık" olduğunu ve yaklaşık 3 saat boyunca "kapalı" olduğunu gösteriyor.

Gabon reaktörleri, uranyum konsantrasyonunun reaksiyonları sürdürmek için yeterince düşük olduğu zamanlara kadar muhtemelen bir milyon yıldan fazla aralıklarla bu şekilde işledi. Araştırmacılar, reaktörlerin ortalama güç çıkışının muhtemelen 100 kilovatın altında olduğunu tahmin ediyorlar.

Afrika plakasının görece istikrarı sayesinde, bu eski doğal reaktörler orijinal konumlarından çok az hareket etti. Bir durumda, reaksiyonun yan ürünlerinden olan plütonyum, iki milyar yıl önce oluştuğu yerden 10 fit'ten daha az uzakta bulundu.

Belki de doğal nükleer reaktörler, milyarlarca yıl önce dünyanın çeşitli yerlerinde faaliyet göstermiş, ancak o zamandan beri erozyona uğramış veya dünya kabuğu tarafından yutulmuşlardır.

Gabon doğal nükleer reaktörleri gerçekten eşsiz kalmaktadır.