În mai 1972, într-o uzină de îmbogăţire a uraniului din Franţa, oamenii de ştiinţă care examinau minereul provenit dintr-o mină din Gabon, Africa de Vest, au descoperit că un reactor nuclear natural s-a format spontan în această regiune într-un trecut îndepărtat al planetei Pământ. Având o putere aproximativă de 100 kW acesta a produs energie în mod continuu timp de câteva sute de mii de ani cu aproximativ 1,7 miliarde de ani în urmă.
Pentru a înţelege cum este posibil să se formeze în mod natural un reactor nuclear este bine mai întâi să cunoaştem câteva date istorice şi procese fizice în legătură cu reacţiile nucleare.
Reacţiile nucleare, pe scurt
Potrivit Agenţiei Internaţionale a Energiei Atomice (AIEA) în lume există peste 400 de centrale nucleare care funcţionează în peste 30 de ţări şi în ciuda unor unor eşecuri catastrofale recente în ceea ce priveşte siguranţa acestora, precum ar fi tragedia de la Fukushima Daiichi din anul 2011, aproape 70 de centrale nucleare noi se află în prezent în faza de construcţie. În concluzie, de ce să continuăm construirea acestor centrale potenţial periculoase? În ciuda unor catastrofe precum cele de la Cernobâl şi Fukushima, centralele nucleare sunt considerate în general mai sigure şi mai prietenoase cu mediul înconjurător decât cele pe bază de cărbuni şi gaze naturale.
Energia nucleară se obţine atunci când un izotop, se utilizează în mod frecvent uraniu 235 (U-235), este bombardat cu neutroni. Coliziunea dintre aceştia determină de obicei spargerea izotopului în două bucăţi, fiecare dintre ele conţinând jumătate din numărul de neutroni şi protoni din atomul original, într-un proces numit fisiune nucleară. În timpul acestei reacţii nucleare o cantitate mică de masă se pierde, rezultatul fiind că o mică cantitate de materie se transformă într-o cantitate relativ mare de energie.
Într-un reactor obişnuit o cantitate mare de U-235 este bombardată cu neutroni, la fiecare ciocnire dintre U-235 şi un neutron se eliberează doi sau mai mult neutroni şi se degajează energie. Atâta timp cât există suficienţi izotopi de U-235 aceşti neutroni suplimentari vor provoca noi reacţii nucleare. Numărul reacţiilor nucleare creşte exponenţial într-un proces denumit reacţie în lanţ care produce şi mai multă energie. Centralele nucleare valorifică energia din cadrul acestor reacţii în lanţ controlate şi o convertesc în energie electrică care alimentează lucruri precum acest MacBook Air pe care scriu.
Uraniu 235
Uraniul este unul dintre cele mai grele elemente, el având o masă atomică de 238,03. Doar trei izotopi ai acestuia se găsesc în mod natural în scoarţa Pământului: U-238, care reprezintă 99,3% din cantitatea totală de uraniu, U-235, care reprezintă 0,7% din cantitatea totală de uraniu şi U-234 care se află în prezent doar într-o cantitate infimă. U-238 este doar uşor reactiv şi nu este un material fisionabil bun. În schimb U-235 fisionează mult mai uşor şi produce o cantitate mare de energie.
Aşa cum este extras din pământ, minereul de uraniu este format din cei trei izotopi în proporţia lor relativă indicată mai sus. Pentru a fi fisionabil, procentul de uraniu U-235 din minereu trebuie să fie mărit de la 0,7% la aproximativ 5%. Acest proces este cunoscut sub numele de îmbogăţire a uraniului. Metoda obişnuită de îmbogăţire a uraniului presupune transformarea acestuia într-un gaz denumit hexafluorură de uraniu (UF-6) şi componentele din acest gaz sunt separate în funcţie de masa lor (amintiţi-vă că izotopii U-234 şi U-235 sunt mai uşori decât U-238). Separarea permite eliminarea izotopilor de uraniu mai grei iar substanţa rămasă în cele din urmă are o concentraţie corespunzătoare de U-235 pentru a putea fi folosită în reacţia de fisiune.
Reactorul nuclear din Gabon
Aţi putea întreba: „Dacă minereul de uraniu nu este potrivit pentru reacţiile nucleare fără a fi supus unui proces de îmbogăţire complicat, realizat de către om, atunci cum a fost posibil ca pe cale naturală să se declanşeze reacţii de fisiune în urmă cu aproape două miliarde de ani?" Bună întrebare, iar răspunsul nu este: „extratereştrii".
U-235 are un timp de înjumătăţire semnificativ mai mic decât U-238, astfel încât în trecutul îndepărtat el ar fi fost mult mai abundent şi în concentraţii mai mari decât este în prezent. Omul de ştiinţă Paul K. Kuroda a propus în anul 1956 că acest minereu bogat în U-235, în anumite condiţii, ar favoriza apariţia fisiunii nucleare precum şi a reacţiilor în lanţ ceea ce ar duce la formarea reactoarelor nucleare naturale.
Există două teorii cu privire la modul prin care reactorul nuclear din Gabon a funcţionat, deşi ambele presupun existenţa unui ciclu de reacţie în lanţ care s-a manifestat în mod intermitent pe o perioadă de mii de ani, până când materialul fisionabil s-a epuizat.
Prima teorie presupune că uraniul a fost acoperit de apele subterane care au moderat neutronii şi au oferit un mediu care a sprijinit o reacţie în lanţ. Energia generată în cele din urmă a încălzite apele subterane până la temperatura de fierbere a acestora şi în final acestea s-au transformat în aburi. În momentul dispariţiei apei din subteran reacţia nucleară s-a oprit. În cele din urmă apa s-a scurs înapoi în zăcămintele de uraniu şi procesul s-a repetat până când concentraţiile izotopilor de uraniu au fost prea mici pentru a susţine în continuare reacţiile nucleare.
A doua teorie, care nu este acceptată în mare parte, presupune că reactorul a determinat apariţia anumitor elemente de tipul pământurilor rare, cum ar fi samariu, gadoliniu şi disprosiu, care au absorbit neutronii şi au oprit reacţia în lanţ pentru un timp, sau în anumite locuri, aceasta reparând din nou, după un timp, în apropiere.
Detalii în legătură cu prima teorie au fost prezentate în Space Daily în anul 2004: „Această similaritate (cu un gheizer) sugerează că la o jumătate de oră după debutul reacţiei în lanţ apa a fost transformată în abur, a scăzut fluxul de neutroni termici şi reactorul a devenit subcritic. A fost nevoie de cel puţin două ore şi jumătate pentru ca reactorul să se răcească şi fisiunea elementului Xe (xenon) să se oprească. Apoi apa s-a întors în zona reactorului şi a constituit un moderator de neutroni ce a permis apariţia unei reacţii nucleare în lanţ autosusţinută".
Dovada privind existenţa reactorului de fisiune Oklo
În consecinţă, cum ştim că acest lucru s-a întâmplat cu adevărat? Din mai multe motive.
În primul rând, în cadrul analizei iniţiale care a fost efectuată de oamenii de ştiinţă francezi în anul 1972, s-a constatat că concentraţia de U-235 din zăcământ a fost mult mai mică decât cea observată de obicei în natură, de fapt concentraţiile de U-235 din mostrele Oklo au fost similare cu cele existente în combustibilul nuclear uzat.
În al doilea rând, francezii au descoperit, de asemenea, discrepanţe în raport cu concentraţiile altor izotopi din zăcământ, inclusiv pentru neodim şi ruteniu, ambele fiind în concordanţă cu fisiunea lui U-235.
În al treilea rând, într-un studiu din anul 2004 fizicienii din cadrul Washington University care investigau mostre din cadrul sitului din Gabon au descoperit cantităţi ridicate de zirconiu, ceriu şi stronţiu care au fost produse prin intermediul fisiunii nucleare.
În al patrulea rând, oamenii de ştiinţă americani au identificat, de asemenea, că depozitele de uraniu Oklo conţin cele mai mari concentraţii de xenon şi kripton găsite vreodată, aceste elemente rezultând prin reacţiile de fisiune nucleare.
Lecţii de la reactorul Oklo
O descoperire surprinzătoare în ceea ce priveşte reactorul Oklo este că, spre deosebire de reactoarele noastre de fisiune care produc deşeuri toxice semnificative pe care nimeni nu vrea să depoziteze, natura a eliminat deşeurile toxice în condiţii de siguranţă. Conform cercetătorilor din cadrul Washington University reactorul natural a reţinut în deplină siguranţă deşeurile toxice (Xe şi Kr-85) prin intermediul unui compus chimic, aluminofosfat:
„Este fascinant să descoperim că o reacţie nucleară naturală poate atinge condiţiile critice şi că ea este, de asemenea, capabilă să depoziteze propriile sale deşeuri".
În final trebuie să remarcăm că este liniştitor să ştim că în prezent concentraţiile de U-235 care apar în mod natural nu permit apariţia sau susţinerea unui reactor nuclear de fisiune. Deci, deşi poate într-o zi se va produce o altă catastrofă de genul celei de la Cernobîl, cel puţin vom şti că este doar din vina noastră.
Bonus:
1. Accidentul de la centrala nucleară Three Mile Island de lângă Middletown, Pennsylvania, este cel mai grav accident produs la o centrală nucleară din istoria Statelor Unite. Acesta nu a provocat decese sau leziuni angajaţilor centralei sau membrilor comunităţii din apropiere. Accidentul produs a fost încadrat la nivel 5 pe scara INES (Internaţional Nuclear Event Scale), chiar dacă el ar fi trebuit evaluat la nivelul 2.
2. Dacă v-aţi fi aflat la centrala nucleară Three Mile Island în timpul accidentului care s-a produs acolo în anul 1979 aţi fi primit o doză suplimentară de radiaţii de doar 80 mrem datorită expunerii la aceste radiaţii. Ca referinţă, la un control cu raze X a coloanei vertebrale aţi primi o doză dublă de radiaţii în doar câteva secunde în care v-aţi expune acţiunii acestor raze. Dacă v-aţi fi aflat la o depărtare de zece mile de reactor în timpul accidentului aţi fi primit o doză de radiaţii de aproximativ 8 mrem ceea ce ar reprezenta radiaţia ionizantă echivalentă în cazul în care aţi mânca 800 de banane, acestea fiind în mod natural radioactive. Nu există niciun caz cunoscut de deces/cancer/etc care să fi fost cauzat de accidentul de la Three Mile Island.
3. Reacţia publică ca urmare a accidentului de la Three Mile Island a fost mult amplificată în raport cu evenimentele reale care au avut loc. Acest lucru s-a datorat în mare măsură dezinformărilor din presă, a necunoaşterii efectelor radiaţiilor ionizante în rândul publicului larg şi faptului că cu 12 zile înainte de producerea accidentului a fost lansat filmul The China Syndrome („Sindromul chinezesc"). În scenariul filmului se arată cât de nesigure sunt reactoarele nucleare şi cum unul dintre personajele principale ale filmului încearcă să ascundă acest fapt. Titlul filmului provine de la ideea că dacă miezul unui reactor nuclear s-ar topi, el ar trece prin centrul Pământului până în China. În afara faptului că Oceanul Indian se află pe partea opusă Pământului în raport cu SUA şi nu China şi a faptului că ideea prin care „reactorul se topeşte şi trece prin Pământ" nu constituie un argument serios, filmul a oferit mai degrabă o publicitate gratuită accidentului din Three Mile Island prin intermediul presei. Pelicula a fost nominalizată la câteva premii ale Academiei de Film, incluzând aici premiul pentru cea mai bună actriţă, Jane Fonda.
4. Uimitor, în cazul în care am fi capabili să transformăm în mod perfect materia în energie atunci prin anihilarea a doar 1 kg de materie s-ar produce o energie echivalentă cu aproximativ 42,95 mega tone de TNT. Deci, un adult care are o masă de aproximativ 200 de livre (90,7 kg) reprezintă o potenţială energie echivalentă cu 4.000 megatone de TNT care ar fi obţinută dacă materia din corpul său ar fi anihilată.
5. Această energie este de aproximativ 80 de ori mai mare decât cea ce a fost obţinută cu cea mai puternică bombă nucleară care a fost detonată, Tzar Bomb („Bomba ţarului"), care în sine a produs o explozie de aproximativ 1.400 de ori mai puternică decât cea a bombelor atomice aruncate deasupra oraşelor Hiroshima şi Nagasaki.
6. Pentru a avea mai multe referinţe, o energie echivalentă cu 1 megatonă de TNT când este convertită în kilowaţi oră reprezintă o cantitate de energie electrică suficientă pentru a alimenta o casă de mărime medie timp de aproximativ 100.000 de ani. Ea ar fi suficientă să asigure necesarul de energie al Statelor Unite ale Americii pentru 3 zile. Deci, prin anihilarea totală a unei mase de 1 kg s-ar putea alimenta cu energie întregul teritoriu al Statelor Unite ale Americii timp de aproximativ patru luni. Dacă cantitatea de materie din corpul unui adult de greutate medie ar fi complet anihilată ea ar produce o energie suficientă pentru consumul SUA timp de aproximativ 30 de ani. Iată soluţia la criza energetică.
7. O explozie de supernovă obişnuită generează o energie uriaşă echivalentă cu 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000 megatone de TNT.
Traducere de Cristian-George Podariu după natural-nuclear-fission-reactor-gabon-west-africa
