Naturlig kärnfissionsreaktor

En naturlig kärnfissionreaktor är en uranfyndighet där självupprätthållande kärnkedjereaktioner tidigare har inträffat. Detta kan undersökas genom att analysera olika isotopförhållanden. Förekomsten av detta fenomen upptäcktes 1972 vid Oklo i Gabon av den franske fysikern Francis Perrin, men villkoren för en naturlig kärnreaktors teoretiska existens hade förutspåtts redan 1956 av Paul Kazuo Kuroda. Perrins konstaterade förhållandena var mycket lika de som Kuroda hade förutspått.

Oklo är för närvarande (2017) det enda kända område där man kunnat göra observationer som bidragit till att klarlägga fenomenet. Området innefattar 16 olika platser där självupprätthållande kärnfissionsreaktioner ska ha ägt rum för cirka 1,7 miljarder år sedan och fortgått i några hundra tusen år.

I nutid kan fenomenet inte inträffa på grund av att det pågående sönderfallet av klyvbara isotoper har gjort att proportionerna inte längre är gynnsamma.

Upptäckten av de fossila reaktorerna i Oklo[redigera | redigera wikitext]

Analyser utförda vid Pierrelatte och Cadarache visade att magnesiumuranater (eller yellow cakes) från Gabon hade en varierande men konstant ²³⁵U-förlust. Den 7 juli 1972 upptäckte forskare vid Cadarache en anomali i uranmalm från Oklo i Gabon. Dess ²³⁵U-innehåll var mycket lägre än vanligt[6]. Isotopanalyser avslöjade ursprunget till ²³⁵U-förlusten: det utarmade uranet kom från Oklo-malmen i Gabon, som brutits av COMUF. En systematisk analyskampanj genomfördes sedan i laboratorierna Cadarache och Pierrelatte (mätningar av uraninnehåll, mätningar av isotopinnehåll). På Oklo-proverna noterade Cadarache-analytikerna en ²³⁵U-förlust för magnesiumuranat från Mounana-anläggningen (²³⁵U = 0,625%) och en ännu större förlust för ett magnesiumuranat (Oklo M) (²³⁵U = 0,440%): Malmerna Oklo 310 och 311 har en uranhalt på 12 % respektive 46 % och en ²³⁵U-halt på 0,592 % respektive 0,625 %.^[1]

I detta sammanhang tog J.F. Dozol initiativ till att analysera magnesiumuranat och malmprover från Oklo med AEI MS 702 Spark Source Mass Spectrometer (SSMS).

Fotoplatta erhållen genom analys av ett prov av uranmalm (OKLO 311) i en masspektrometer med gnisttändning, som visar alla isotoper som finns i provet.

Fördelen med SSMS är dess förmåga att producera betydande mängder joner från alla de element som finns i elektroderna. Elektroderna, mellan vilka en gnista genereras, måste vara ledande (för att uppnå detta blandades Oklo-prover med silver med hög renhet). Alla isotoper i provet, från litium till uran, ritas upp på en fotoplatta. När J.F. Dozol undersökte plåten (se nedan) noterade han särskilt den mycket höga uranhalten i Oklo 311-malmen:

- Element som finns i betydande mängder runt massorna 85-105 och 130-150, vilket motsvarar de två stöten i ²³⁵U-klyvningsutbytet. (Massfördelningen av fissionsprodukter följer en "kamelpuckel"-kurva med två maxima),

De sista lantaniderna (holmium till lutetium) detekteras inte (bortom massa 166). I naturen finns alla 14 lantaniderna; i kärnbränsle, som har genomgått fissionsreaktioner, detekteras inte isotoperna av de sista lantaniderna.^[2]

Nästa steg är isotopanalys av vissa element i en masspektrometer med termisk jonisering, efter kemisk separation av neodym och samarium. Från de första analyserna av Oklo "M" uranat och "Oklo 311" malm är det tydligt att neodym och samarium har en isotopsammansättning som är mycket närmare den som finns i bestrålat bränsle än i det naturliga grundämnet. Upptäckten av ¹⁴²Nd- och ¹⁴⁴Sm-isotoper som inte producerats genom fission tyder på att dessa element också finns i naturligt tillstånd, från vilket deras bidrag kan subtraheras.

Dessa resultat vidarebefordrades till neutronforskaren Jean Claude Nimal (CEA Saclay), som uppskattade det neutronflöde som det analyserade provet tog emot på grundval av dess ²³⁵U-underskott. Detta gjorde det möjligt att uppskatta neutroninfångningen av isotoperna ¹⁴³Nd och ¹⁴⁵Nd, vilket ledde till ytterligare bildning av ¹⁴⁴Nd respektive ¹⁴⁶Nd. Detta överskott måste subtraheras för att erhålla fissionsutbyten för ²³⁵U. Som framgår av tabellen nedan överensstämmer fissionsutbytena (M) med resultaten korrigerade (C) för förekomsten av naturligt neodym och neutroninfångning.^[3].


Neodymium-isotoper	143	144	145	146	148	150
C/M	0,99	1,00	1,00	1,01	0,98	1,06

Drift av reaktorerna[redigera | redigera wikitext]

Det var inte förrän för cirka 2,2 miljarder år sedan som det tålmodiga fotosyntesarbetet som utfördes av de första algerna släppte ut tillräckligt med syre i vår atmosfär för att ytvatten och grundvatten skulle oxidera. Endast under detta villkor kunde uranet utspätt i graniten lakas och koncentreras innan det mineraliserades på platser där redox skulle inträffa. Rika fyndigheter kan inte vara äldre. Å andra sidan, under de senaste 1,5 miljarder åren, har mängden 235U sjunkit under en nivå som gör spontan fission möjlig. Det krävdes många studier inom geologi, kemi och reaktorfysik för att minska tidsintervallet till det nuvarande uppskattade värdet: reaktionerna måste ha startat för 1 950 ± 30 miljoner år sedan. Avlagringarna var belägna i mycket porösa sandstenar där koncentrationen av grundvatten kan ha nått 40 %, troligen på grund av den partiella urlakningen av kiseldioxid (kvartspartiklar) från hett grundvatten, vid en tidpunkt då jordens radioaktivitet är högre än idag, den termiska gradienten av underytan var troligen också högre. Under reaktordrift ökade vattentemperaturen avsevärt, vilket påskyndade denna "avsilicifiering"-process och, genom skillnad, ökade urankoncentrationen, vilket kompenserade för dess utarmning genom fission. I själva verket är urankoncentrationen i reaktionszonerna extremt hög, ibland större än 50 %, och ju högre urankoncentrationen är, desto lägre är 235U-halten. Dessutom, genom att förlora sin kiseldioxid, förvandlades den omgivande sandstenen till lera, vilket förhindrade överdriven grundvattenvandring och höll uranet på plats. Tack vare den fina analysen av spektrumet av klyvningsprodukter vet vi att ett visst antal klyvningar inträffade i plutonium, ett resultat av infångningen av neutroner i 238U och nu fullständigt sönderfallit till 235U eftersom dess halveringstid bara är 24 000 år gammal. Detta gjorde det möjligt för fysiker att beräkna att reaktioner, varierande från ett område till ett annat, ägde rum under en enorm tidsperiod från 150 000 till 850 000 år! Reaktorerna "kontrollerades" av flera mekanismer, den huvudsakliga var temperaturen: när klyvningskraften släpptes, ökade temperaturen. En högre temperatur betyder både en ökning av absorptionen av neutroner (utan klyvning) med 238U och en minskning av effektiviteten av vatten som moderator: vid en given temperaturnivå, en nivå som varierar med tiden och den progressiva uttömningen av klyvbart uran , stabiliseras reaktionerna, vilket är fallet i våra reaktorer. Genom att kombinera geologiska överväganden och temperaturöverväganden uppskattar man nu att reaktorerna i den norra delen av fyndigheten opererade på flera tusen meters djup, under delta och sedan marina sediment. På ett sådant djup låg tryck- och temperaturförhållandena nära de i dagens tryckvattenreaktorer (350 till 400°C, 15 till 25 MPa), medan de södra zonerna fungerade på cirka 500 meter från djupet, med förhållanden som mer liknade de i en kokvattenreaktor (250°C, 5 MPa).^[4]