Οι αρχαιότεροι πυρηνικοί αντιδραστήρες του κόσμου

Από την ιστοσελίδα www.e-telescope.gr, του Κωνσταντίνου Δελήμπαση, Μάρτιος 2004

Στις αρχές της δεκαετίας του 70, μια περίεργη ανακάλυψη δημιούργησε μεγάλα ερωτηματικά. Ένα φορτίο ουρανίου που προοριζόταν για τη Γαλλική πυρηνική βιομηχανία, βρέθηκε να έχει περιεκτικότητα σε ²³⁵U, το σχάσιμο ισότοπο του ουρανίου, μικρότερη από το αναμενόμενο. Η ανακάλυψη αυτή οδήγησε σε μια σειρά υποθέσεων που ξεκινούσαν από φόβους για κλοπή σχάσιμου υλικού από κάποια άγνωστη χώρα ή οργάνωση και έφταναν μέχρι σενάρια εμπλοκής UFO, ή επιβεβαίωσης της ύπαρξης αρχαίων προηγμένων πολιτισμών. Όμως η πραγματικότητα ήταν ακόμα πιο εντυπωσιακή.

Λειτουργία των πυρηνικών αντιδραστήρων

Το ουράνιο εμφανίζεται στη φύση αποτελούμενο από τρία κυρίως ισότοπα, σε συγκεκριμένες αναλογίες: ²³⁸U σε αναλογία 99,274%
²³⁵U σε αναλογία 0,720%
²³⁴U σε αναλογία 0,005%

Αυτή η ισοτοπική σύσταση θεωρείται σταθερή για όλα τα κοιτάσματα ουρανίου που βρίσκονται στη γη. Από τα τρία ισότοπα, το μόνο που μπορεί να «συντηρήσει» μια αλυσιδωτή αντίδραση είναι το ²³⁵U. Στην πράξη, στους περισσότερους αντιδραστήρες, χρησιμοποιείται ουράνιο το οποίο έχει υποστεί επεξεργασία, ώστε η περιεκτικότητά του σε ²³⁵U να ανέβει στο 3%, ποσοστό που θεωρείται απαραίτητο για την επίτευξη και συντήρηση της αντίδρασης σχάσης.

Η σχάση των ατόμων του ²³⁵U παράγει νετρόνια τα οποία είναι φορείς μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας. Η αντίδραση συντηρείται μόνο όταν ο αριθμός των νετρονίων που παράγονται από τη σχάση είναι ίσος με τον αριθμό των νετρονίων που απορροφούνται από άλλα άτομα (παραπροϊόντα σχάσης) ή διαφεύγουν από τον πυρήνα. Όμως πέρα από τη διατήρηση αυτού του ισοζυγίου, πρέπει τα νετρόνια να επιβραδυνθούν, καθώς η σχάση είναι πιο αποδοτική με νετρόνια χαμηλής ενέργειας. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται επιβραδυντής που είναι κατά κανόνα νερό, ή γραφίτης (κυρίως στους αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πλουτωνίου). Ο επιβραδυντής λειτουργεί ταυτόχρονα και ως ανακλαστήρας νετρονίων, καθώς μειώνει τον αριθμό των νετρονίων που διαφεύγουν από τον πυρήνα.

Τα φυσικά κοιτάσματα ουρανίου δε δημιουργούν αλυσιδωτές αντιδράσεις σχάσης, ακόμα και παρουσία νερού, ή όταν διαλυθούν σε νερό, λόγω της χαμηλής περιεκτικότητάς τους σε ²³⁵U. Παρόλα αυτά αντιδραστήρες βαρέως ύδατος, όπως οι Καναδικοί CANDU, ή συνδυασμού βαρέως ύδατος και γραφίτη, όπως οι Ρωσικοί RBMK, μπορούν να επιτύχουν αλυσιδωτή αντίδραση, ακόμα και με μη εμπλουτισμένο ουράνιο. Πάντως οι περισσότεροι αντιδραστήρες χρησιμοποιούν εμπλουτισμένο ουράνιο (²³⁵U σε αναλογία 3-5%), ενώ πυρηνικοί αντιδραστήρες που έχουν τοποθετηθεί σε υποβρύχια και άλλα πολεμικά σκάφη έχει αναφερθεί να χρησιμοποιούν ουράνιο με βαθμό εμπλουτισμού μέχρι και 90%. H συνηθέστερη μορφή χρήσης του εμπλουτισμένου ουρανίου στους αντιδραστήρες, είναι ως οξείδιο (UO₂).

Όπως ήδη αναφέρθηκε, κατά τη διάρκεια της αντίδρασης σχάσης, μέρος των νετρονίων που απελευθερώνονται απορροφούνται από άλλα άτομα και δημιουργούν τα παραπροϊόντα της σχάσης (πχ παραγωγή πλουτωνίου – ²³⁹Pu από τα άτομα ²³⁸U). Κάποια από αυτά τα παραπροϊόντα είναι επίσης σχάσιμα και άρα συνεισφέρουν στη διατήρηση της αντίδρασης. Όμως άλλα, έχοντας μεγάλες διατομές απορρόφησης νετρονίων, απλώς απορροφούν νετρόνια και δηλητηριάζουν το καύσιμο του αντιδραστήρα.

Η συνεχής συσσώρευση των τελευταίων οδηγεί, σε συνδυασμό με τη μείωση του ²³⁵U λόγω σχάσης, στην εξάντληση του καυσίμου και την απώλεια κρίσιμης κατάστασης, δηλαδή το σταμάτημα του αντιδραστήρα. Αυτός είναι και ο λόγος που απαιτείται η περιοδική αλλαγή του καυσίμου ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Το φαινόμενο του Oklo

Το ουράνιο που μεταφέρθηκε στη Γαλλία το 1972 και στο οποίο παρατηρήθηκε η μειωμένη αναλογία ²³⁵U προήρχετο από τα κοιτάσματα ουρανίου του Oklo στη Gabon της Αφρικής. Όταν διαπιστώθηκε ότι το ποσοστό του ²³⁵U ήταν μικρότερο από το αναμενόμενο 0,72% η πρώτη σκέψη ήταν ότι με κάποιο τρόπο, κάποιοι είχαν κατορθώσει να αφαιρέσουν το σχάσιμο ισότοπο, ή είχαν αντικαταστήσει το φορτίο του φυσικού ουρανίου με το χρησιμοποιημένο καύσιμο ενός πυρηνικού αντιδραστήρα. Στα χρόνια που ακολούθησαν η υπόθεση έγινε γνωστή και δεν άργησαν να εμφανιστούν εκείνοι που υποστήριξαν, και εξακολουθούν να υποστηρίζουν, πιο εξωτικές θεωρίες.

Το Oklo έγινε το πιθανό σημείο συντριβής κάποιου UFO και το ουράνιο που βρέθηκε εκεί δεν ήταν παρά το καύσιμο του αντιδραστήρα που το κινούσε. Για άλλους, τα κοιτάσματα του Oklo δεν ήταν παρά τα πυρηνικά απόβλητα των εργοστασίων κάποιου αρχαίου προηγμένου πολιτισμού. Οι γεωλογικές έρευνες που διεξήχθησαν στην περιοχή, οδήγησαν σε μια εξήγηση λιγότερο συναρπαστική, αλλά εξίσου, αν όχι περισσότερο, ενδιαφέρουσα.

Περίπου 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν η γεωλογικά σύσταση του πλανήτη ήταν πολύ διαφορετική από αυτή που γνωρίζουμε σήμερα. Η ισοτοπική σύσταση του φυσικού ουρανίου χαρακτηριζόταν από παρουσία του ²³⁵U σε ποσοστό περίπου 33%.

Σύμφωνα με όσα έχουν αναφερθεί, η σύσταση αυτή είναι υπερεπαρκής για την εκκίνηση αντίδρασης σχάσης. Τέτοιες αντιδράσεις πραγματικά ελάμβαναν χώρα όμως δεν ήταν δυνατό να συντηρηθούν και να λάβουν το χαρακτήρα αλυσιδωτής, αυτοσυντηρούμενης αντίδρασης. Ο κύριος λόγος που αυτό δε συνέβαινε ήταν η απουσία μιας κατάλληλης διαμόρφωσης του ουρανίου σε σχέση με κάποιο επιβραδυντικό και ανακλαστικό μέσο. Το ουράνιο έχει την ιδιότητα να είναι διαλυτό στο νερό μόνο παρουσία οξυγόνου και υπό τη μορφή οξειδίων του. Εκείνη την εποχή το οξυγόνο της ατμόσφαιρας δεν επαρκούσε.

Περίπου 2 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα οι συνθήκες ήταν αρκετά πιο διαφορετικές. Η περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε οξυγόνο και άρα το εν διαλύσει στο νερό οξυγόνο είχαν αυξηθεί, ενώ η συμμετοχή του ²³⁵U στο φυσικό ουράνιο είχε μειωθεί περίπου στο 3%. Είναι περίπου η ίδια περίοδος που αρχίζουν να αναπτύσσονται και οι πρώτες αερόβιες μορφές ζωής. Σε περιοχές με κοιτάσματα φυσικού ουρανίου δημιουργήθηκαν διαλύματα ουρανίου στο νερό, τα οποία όμως ήταν της τάξης των μερικών ppm (parts per million).

Ένα τέτοιο διάλυμα, και μάλιστα υπό τη μορφή κινούμενου ρυακιού, φαίνεται πώς είχε δημιουργηθεί και στην περιοχή του Oklo. Σε κάποια σημεία υπήρχαν στρώματα αλγών στα οποία βρισκόντουσαν μικροοργανισμοί που δέσμευαν επιλεκτικά το ουράνιο και το συγκέντρωναν. Το αποτέλεσμα ήταν περιοχές υψηλής συγκέντρωσης ουρανίου, υπό τη μορφή οξειδίου, περιεκτικότητας περίπου 3% σε ²³⁵U, παρουσία νερού. Ουσιαστικά δηλαδή μια διαμόρφωση που στη γενική φιλοσοφία της δεν απέχει καθόλου από τη διάταξη των σημερινών πυρηνικών αντιδραστήρων. Όταν η εναπόθεση οξειδίου του ουρανίου ήταν αρκετή ώστε να αποτελέσει κρίσιμη μάζα, ξεκίνησε μια αντίδραση σχάσης. Το νερό λειτουργούσε ως επιβραδυντής και ανακλαστήρας νετρονίων, ενώ όταν η αντίδραση πήγαινε να φύγει εκτός ελέγχου, η αύξηση της εκλυόμενης θερμότητας προκαλούσε αύξηση του βρασμού του νερού και άρα αύξηση της εξάτμισής του αφαιρώντας μέρος της επιβραδυντικής και ανακλαστικής του ικανότητας, οδηγώντας σε ανάσχεση της αντίδρασης. Έτσι στην περιοχή του Oklo αναπτύχθηκαν μια σειρά εστιών (17 περίπου) ελεγχόμενων αλυσιδωτών αντιδράσεων. Οι εστίες αυτές φαίνεται ότι παρέμειναν ενεργές για μερικά εκατομμύρια χρόνια λειτουργώντας στα ενεργειακά επίπεδα του 1 Kw.

Περαιτέρω έρευνες κατέδειξαν ότι η περιεκτικότητα ²³⁵U στα κοιτάσματα της περιοχής ποικίλλει από 0,4-0,7%. Εκτιμάται ότι οι περιοχές υψηλότερης συγκέντρωσης είναι οι περιοχές εναπόθεσης πυρηνικών αποβλήτων, καθώς το σχηματιζόμενο ²³⁹Pu, τελικά μεταπίπτει και πάλι σε ²³⁵U και μάλιστα σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα καθώς η περίοδος ημιζωής του ²³⁹Pu είναι «μόλις» 2,4x104 χρόνια σε σχέση με τον αντίστοιχο του ²³⁵U που είναι 7,13x108. Στις ίδιες περιοχές εντοπίστηκε και ίχνη θορίου, το οποίο αποτελεί προϊόν της αποδόμησης του ²³⁶U. Επίσης εντοπίσθηκαν και μια σειρά άλλα νουκλίδια, προϊόντα σχάσης. Τέλος παρατηρήθηκε ότι οι περιοχές με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση κοιτασμάτων ουρανίου ήταν και εκείνες με τη μεγαλύτερη εξάντληση του σχάσιμου ισοτόπου, όπως ακριβώς θα περίμενε κανείς σε ένα πυρηνικό αντιδραστήρα.

Το τελικό συμπέρασμα είναι ότι στην περιοχή εκείνη λειτούργησε κάποιος φυσικός πυρηνικός αντιδραστήρας, ενώ βάσει των χρόνων ημιζωής των ισοτόπων προσδιορίζεται και η χρονική περίοδος στα περίπου 1,7 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Στα χρόνια που ακολούθησαν παρατηρήθηκαν αντίστοιχα φαινόμενα (μειωμένα ποσοστά ²³⁵U ) και σε άλλα κοιτάσματα ουρανίου, όπως στο Colorado των ΗΠΑ. Φαίνεται λοιπόν πως το φαινόμενο του Oklo δεν ήταν μοναδικό.

Αν και η εξήγηση αυτή μάλλον είναι απογοητευτική για τους λάτρεις του μυστηρίου και του ανεξήγητου, είναι εξαιρετικά σημαντική, κυρίως προς δύο κατευθύνσεις.

Η πρώτη είναι μάλλον θεωρητική. Η ύπαρξη φυσικών πυρηνικών αντιδραστήρων και άρα η δημιουργία στη φύση στοιχείων όπως το πλουτώνιο, μάλλον έρχεται να εκτοπίσει το ουράνιο από τη θέση του βαρύτερου του στοιχειακού πίνακα. Επίσης, μια από τις σημαντικότερες, αλλά και πιο αμφιλεγόμενες, εξελίξεις του 20ου αιώνα αποδεικνύεται ότι δεν είναι παρά αντιγραφή μιας απόλυτα φυσικής διαδικασίας.

Η δεύτερη κατεύθυνση έχει τεράστια πρακτική αξία. Η προσεκτική και αναλυτική εξέταση των περιοχών όπου λειτούργησαν φυσικού πυρηνικοί αντιδραστήρες και η πορεία εξέλιξης των οικοσυστημάτων εκεί, σε γειτνίαση με συσσωρευμένα πυρηνικά απόβλητα, μπορεί να οδηγήσει σε πολύ χρήσιμα συμπεράσματα για τη διαχείριση των πυρηνικών αποβλήτων που παράγονται σήμερα. Ίσως τελικά οι τεχνολογικές λύσεις για την επεξεργασία των ποσοτήτων χρησιμοποιημένου καυσίμου, να προκύψουν μέσα από τις συμβουλές και τις εμπειρίες της ίδιας της φύσης.