Oklo georeaktor

Oklo georeaktor on Gabonis paiknev uraanimaardla, kus kunagi esines lõhustumisreaktsioon, mis töötas nagu tänapäevane kiire briider-tüüpi reaktor.

Gabon

Gabon, Haut-Ogooué provints

Georeaktoriks nimetatakse olukorda, kui pinnases kuhjub piisavas koguses ja kontsentratsioonis uraani (oluline on ka uraani isotoopide suhe), et algaks ahelreaktsioon. Selline olukord tekkis paleosoikumis praeguses Gabonis (Ekvatoriaal-Aafrikas) Haut-Ogooué provintsis. Sobivatel tingimustel algas reaktsioonide ahel, mis on kasutusel paljudes tuumareaktorid tuumaelektrijaamades ja mille tulemuseks on palju kergemad aatomituumad.

Oklo uraanimaardla uurimine

Uraanimaak

Esimesena käis loodusliku tuumareaktori idee välja Paul Kuroda 1956. aastal.

Loodusliku tuumajaama ideeni viis uraani ²³⁸U ja ²³⁵U isotoopide ebatavalise suhte avastamine Mounanas asuvates uraanimaardlates. Prantsuse füüsik Francis Perrin leidis 1972. aastal Oklo uraanilademe kihtidest kahe haruldase muldmetalli, neodüümi ja samaariumi isotoope. Need keemilised elemendid tekivad tuumareaktsioonide käigus. Sealsete uraaniproovide täpsemal analüüsil leiti, et ²³⁵U tase oli tavalise 0,7202% asemel 0,7171%, mis on 4% erinev tavalisest looduslikust maagist. Lisaks oli Oklos eelpool mainitud ¹⁴²Nd osakaal 6% tavalise 27% asemel ja ⁹⁹Ru isotoopi leiti 27–30% oodatud 12,7% asemel.

Looduses moodustab ²³⁸U 99,3% ja ²³⁵U 0,7% kogu uraanist. Uraani isotoopide suhe on väga sarnane ka Kuu pinnase proovides ja isegi meteoriidi proovides, seetõttu tõlgendati esialgu tühisena tunduv erinevus olulise anomaaliana. Kõrvalekalded isotoopide suhtest viitavad sellele, et lisaks tavalisele radioaktiivsele lagunemisele on ainega toimunud ka teistsuguseid protsesse. Isotoopide suhe Oklo uraanis sarnaneb tänapäevaste tuumareaktorite lõpp-produktide omaga. Sellest järeldati, et Oklos on kunagi toimunud tuumareaktsioonid. Oklo uraanikaevanduse tsoone, kus uraani isotoopide suhe erineb looduslikust, tuntakse looduslike fossiilreaktoritena. Kokku arvatakse Oklo läheduses olevat 16 reaktoritsooni. Oklo uraanivarude vanust hinnati 1,7 miljardile aastale.

Oklo georeaktori pinnakihtide läbilõige
1. Reaktori piirkonnad
2. Liivakivi
3. Uraanimaagi kiht
4. Graniit

Georeaktori tööpõhimõte ja võimsus

Tuumareaktsiooni toimumiseks peavad olema täidetud järgmised tingimused:

• piisavas koguses ja kontsentratsioonis ²³⁵U (vm tuumareaktsiooniks sobilik element, piisavas koguses ja kontsentratsioonis)
• neutroneid neelavate elementide nt kaadmiumi või plii puudumine
• aeglusti olemasolu. Aeglustiks sobib kerge element, nt naatrium või vesinik, samuti nende ühendid, vesi ja soolad (vt sulasoolareaktor).

Reaktorite töötamise algusajal oli 3% sealsest uraanist ²³⁵U. See on piisav kontsentratsioon tuumareaktsioonide algamiseks. Väga tähtis on ka vee olemasolu. Nimelt aeglustab vesi neutroneid. Kiired neutronid ei suuda tuumi lõhustada (kuigi on ka reaktoreid, mis töötavad kiiretel neutronitel). Oklos filtreerus vesi maapõues asuvasse uraanilademesse läbi kivimilõhede. Vesi pidurdas neutrone piisavalt, et võiks alata tuumareaktsioon. Selline etapp kestis pool tundi. Tuumareaktsioonide tulemusena eraldus suur hulk soojust. Kui kõrge temperatuuri tõttu vesi aurustus, jäi reaktor seisma. 2–2½ tunni jooksul imbus uus vesi taas uraani ümber ja tuumareaktsioonid käivitusid uuesti. Seega lülitus reaktor iga paari tunni tagant pooleks tunniks sisse. Sellise režiimiga töötasid Oklo georeaktorid umbes poole miljoni aasta vältel. Lõplikult peatusid nad siis, kui ²³⁵U kontsentratsioon muutus reaktsioonide toimumise jaoks liiga madalaks.

Reaktoru aktiivne periood kestis pool miljonit aastat. Selle jooksul töötas reaktor keskmiselt 100 kW võimsusega.. Oklos vabanenud energia on ekvivalentne keskmise tuumareaktori 4 aasta toodanguga. Protsessi käigus lagunes 10 tonni ²³⁵U ja ²³⁸U-st tekkis ligi 4 tonni ²³⁹Pu. Reaktor peatus 1½ miljardit aastat tagasi. Selleks ajaks oli ²³⁵U osakaal langenud nii madalale, et ahelreaktsioon lõppes.

Tekkinud jäätmed

Washingtoni ülikooli teadlased on uurinud ksenoonisisaldust Oklo reaktoritsooni kivimites. Väärisgaas ksenoon on üks ²³⁵U lõhustumisreaktsiooni vahesaadusi. Kivimite perioodilisel jahtumisel jäi gaas neisse lõksu. Washingtoni ülikooli töögrupp määras ksenoonisisaldust, et analüüsida fossiilse reaktori tööperioodi pikkust. Looduslike reaktorite töötamise tulemusena tekkinud radioaktiivsed jäätmed mattusid maa alla. Enamik reaktsioonides tekkinud lõhustusprodukte, sealhulgas kergesti liikuvad radionukliidid, on kahe miljardi aasta möödudes jäänud reaktoritsooni ligidale. Need on kinnistunud graniiti, savisse ja liivakivisse, mis ei lase jäätmetel sattuda kontakti põhjaveega. Plutoonium on kahe miljardi aastaga liikunud umbes kolm meetrit oma tekkekohast. Eriti oluline roll lõhestusradionukliidide kinnistamisel on raual ja savil.

Kui tavalises reaktoris jäävad lõhustumisproduktid kütuseelementidesse, siis muutuvad kütusevardad pikapeale kasutuskõlbmatuks ja need tuleb vahetada uute vastu. Georeaktoris tõusevad lõhestusproduktid, mis on keskeltläbi poole kergemad kui ematuum, selles tihedas keskkonnas kõrgemale ega takista algset reaktsiooni.. Teaduses pakuvad sellised leiud võimalust tuumajaamade jäätmete mõju ja levikut keskkonnas hinnata. See aitab paremini planeerida tuumajaamades tekkivate radioaktiivsete jäätmete ladustamise planeerimist.

Šveitsis asuv riiklik organisatsioon NAGRA (Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle), mis tegeleb riigi tuumajäätmete ladestamisega ja sellealaste uuringutega, mainib oma raportis, et selliseid looduslikke "ohutuid" ladestumisi ei tohiks ületähtsustada. Nende abil saab aga hinnata praeguste matmissügavuste sobivust.

Sarnaseid leide

Arvatavasti polnud Oklo reaktorid ainulaadsed ja taolisi looduslikke tuumareaktoreid leidus mujalgi. Praeguseks pole aga suudetud ühtegi teist fossiilreaktorit kindlaks teha. Tänapäeval sellised spontaansed tuumareaktsioonid enam toimuda ei saaks, sest ²³⁵U tase looduslikus uraanimaagis on radioaktiivse lagunemise tõttu liiga madalale langenud. Teoreetiliselt oleksid georeaktorid võimalikud ka tänapäevase uraani kontsentratsiooni juures, kuid tuumareaktsioonid peaksid sellisel juhul leidma aset tingimustes, kus uraani kõrval asub grafiit.

Kirjandus

• A. P. Meshik, C. M. Hohenberg, O. V. Pravdivtseva: Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon, Phys. Rev. Lett. 93, 182302, The American Physical Society, 27 Oct 2004
• A. P. Meshik: Natürliche Kernreaktoren, Spektrum der Wissenschaft 2006/06, S. 84–90
• Paul K. Kuroda: The origin of the chemical elements and the Oklo phenomenon. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11679-6

Välislingid

• Tuumareaktor Maa südames (Horisont, 6/2007)
• The natural nuclear reactor at Oklo: A comparison with modern nuclear reactors, Radiation Information Network, April 2005 (inglise keeles)
• Oklo Fossil Reactors (inglise keeles)
• NASA, Astronomy Picture of the day: Oklo, Fossile Reactor, Zone 15 (inglise keeles)
• Oklo's Natural Fission Reactors (inglise keeles)
• Der Spiegel artikkel, 3. November 2004 (saksa keeles)