Ένας αρχαίος φυσικός πυρηνικός αντιδραστήρας

Από την ιστοσελίδα EurekAlert, Νοέμβριος 2004

Για να δουλέψει ένα πυρηνικό εργοστάσιο σαν το Three Mile Island, απαιτούνται εκατοντάδες ανθρώπων με υψηλή ειδίκευση, ώστε να παράγεται ενέργεια με πυρηνική σχάση, ενώ συγχρόνως πρέπει αυτοί να διαχειρίζονται τα πυρηνικά απόβλητα. 

Από την άλλη πλευρά είναι γνωστό εδώ και 30 χρόνια, ότι κάποτε συνέβαιναν από μόνες τους στη φύση αλυσιδωτές πυρηνικές αντιδράσεις. Τώρα, ερευνητές από το πανεπιστήμιο της Washington στο St. Louis ανέλυσαν την περιεκτικότητα σε ισότοπα διαφόρων ευγενών αερίων που παράχθηκαν σ' αυτές τις πυρηνικές σχάσεις, σε δείγματα που πάρθηκαν από τον μοναδικό φυσικό πυρηνικό αντιδραστήρα που είναι γνωστός και βρίσκεται στην Γκαμπόν της Δυτικής Αφρικής. Βρήκαν λοιπόν πως δούλευε αυτός ο αντιδραστήρας. 

Αναλύοντας μικροσκοπικά δείγματα βράχων - μικρότερα από 1/8 της ίντσας - που προέρχονταν από μια συγκεκριμένη τοποθεσία της Γκαμπόν, ο  Alexander Meshik, από το πανεπιστήμιο της Washington, υπολόγισε ότι η ακριβής περιεκτικότητα του δείγματος στο ισότοπο Ξένον, αποκαλύπτει μια λειτουργία που μοιάζει με ένα θερμοπίδακα Γκέιζερ. Ο αντιδραστήρας που ήταν εν δράσει πριν από 2 δισεκατομμύρια χρόνια, δούλευε με ένα κύκλο αντιδράσεων που διαρκούσε 30 λεπτά, ενώ ακολουθούσε μια περίοδος αδράνειας, διάρκειας διόμισυ ωρών, που αρκούσαν για την ψύξη του. 

Στις τεύχος του περιοδικού Physical Review Letters, της 29ης Οκτωβρίου του 2004, ο Meshik και οι συνεργάτες του γράφουν: "Αυτή η ομοιότητα με ένα γκέιζερ, υποδηλώνει ότι μισή ώρα μετά την έναρξη της αλυσιδωτής αντίδρασης, μεγάλη ποσότητα νερού μετατρεπόταν σε ατμό, ελαττώνοντας έτσι  τη ροή των νετρονίων και φέρνοντας τον αντιδραστήρα κάτω από την κρίσιμη κατάσταση για τη συνέχιση της αντίδρασης. Χρειάζονταν τουλάχιστον δύο και μισή ώρες για να ψυχθεί ο αντιδραστήρας ώστε να ξαναρχίσουν οι σχάσεις. Τότε το νερό επέστρεφε στην περιοχή της αντίδρασης, επαναφέροντας το μετριασμό των νετρονίων και εξασφαλίζοντας έτσι μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση."  

Πριν από αυτόν τον υπολογισμό, ήταν ήδη γνωστό ότι ο συγκεκριμένος αντιδραστήρας λειτουργούσε πριν από 2 δισεκατομμύρια χρόνια, για 150 εκατομμύρια χρόνια περίπου με μια μέση ισχύ γύρω στα 100 kW. Η νέα εργασία διαλεύκανε το μυστήριο του πως δούλευε ο αντιδραστήρας και γιατί δεν εξερράγη. 

Ο Meshik και οι συνεργάτες του, Charles Hohenberg, και Olga Pravdivtseva, χρησιμοποίησαν ένα επιλεκτικό λέιζερ σε συνδυασμό με φασματομετρία που στηριζόταν σε μέτρηση μαζών ιόντων, για να βομβαρδίσουν τον επιβραδυντή νετρονίων, ένα ορυκτό που δεν περιείχε ουράνιο, αλλά μίγμα από λανθάνιο, σείριο, στρόντιο και ασβέστιο. Το Ξένον που βρέθηκε μέσα σ' αυτό και αναλύθηκε, μας έδωσε τη λύση του μυστηρίου για τον αρχαίο αυτόν αντιδραστήρα. Ο Meshik και οι συνεργάτες του συμπέραναν από την ανάλυση του στοιχείου Ξένον, τον τρόπο λειτουργίας αλλά και τον τρόπο απομάκρυνσης των πυρηνικών αποβλήτων, ιδιαίτερα του Ξένου και του Κρυπτού της σχάσης.  

"Είναι πολύ εντυπωσιακό να σκέφτεσαι ότι αυτό το φυσικό σύστημα, όχι μόνο έφτασε στην κρίσιμη κατάσταση αλλά αποθήκευσε μα ασφάλεια και τα πυρηνικά απόβλητα" λέει ο Meshik. " Η φύση είναι πολύ πιο έξυπνη από εμάς. Η φύση είναι ιδιοφυής. Εμείς σήμερα έχουμε κάθε είδους προβλήματα με τους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Ο αρχαίος αυτός αντιδραστήρας είναι τόσο ανεξάρτητος, χωρίς καθόλου ηλεκτρονικά, χωρίς πρότυπα. Χρησιμοποιούσε μόνο το γεγονός ότι το νερό που έβραζε στη θέση του αντιδραστήρα, θα μπορούσε να δώσει ιδέες στους μηχανικούς των σύγχρονων αντιδραστήρων για το πως να κάνουν τους αντιδραστήρες πιο ασφαλείς και αποδοτικούς." 

Στα 1952, ο Paul Kuroda πρόβλεψε ότι αν υπήρχαν οι σωστές συνθήκες, ένα σύστημα πυρηνικού αντιδραστήρα θα μπορούσε να φτάσει στην κρίσιμη κατάσταση. 20 χρόνια αργότερα, παρατηρώντας ότι τα κοτάσματα ουρανίου στο ορυχείο Oklo δεν περιείχαν ουράνιο-235, ανακαλύφθηκε ότι η περιοχή εκείνη ήταν στο μακρινό παρελθόν ένας φυσικός αντιδραστήρας. 

"Η ερώτηση που προσπαθήσαμε να απαντήσουμε τότε ήταν: Όταν ο αντιδραστήρας αυτός έφτασε σε κρίσιμη κατάσταση, γιατί δεν εξερράγη;" λέει ο Meshik. "Βρήκαμε την απάντηση στο Ξένον."  

Κρίσιμη κατάσταση σημαίνει ότι ένα σχάσιμο υλικό έχει αρκετή μάζα ώστε να συντηρήσει μια πυρηνική αντίδραση. Υπήρχαν δύο βασικές θεωρίες για το πως λειτουργούσε αυτός ο αντιδραστήρας. Η μία έλεγε ότι το σύστημα χρησιμοποιούσε προσμίξεις που απορροφούσαν ισχυρά τα νετρόνια, όπως λ.χ. ισότοπα σπανίων γαιών ή βορίου, και εξαιτίας αυτού το σύστημα έσβησε ομαλά. Στη θεωρία αυτή τα διάφορα μέρη του αντιδραστήρα μπορεί να λειτουργούσαν σε διαφορετικές εποχές. Η άλλη θεωρία έλεγε ότι το νερό ήταν ο επιβραδυντής των νετρονίων. Καθώς η θερμοκρασία του αντιδραστήρα ανέβαινε, το νερό μετατρεπόταν σε ατμό, ελαττώνοντας το πλήθος των θερμικών νετρονίων και διακόπτοντας την αλυσιδωτή αντίδραση. Η αλυσιδωτή αντίδραση ξανάρχιζε όταν ο αντιδραστήρας ψυχόταν και το νερό αυξανόταν και πάλι. 

Η ανάλυση του ξένου, -πρόκειται για τη μεγαλύτερη συγκέντρωση ξένου που βρέθηκε ποτέ σε φυσικό υλικό - πιστοποίησε ότι συνέβαινε η μέθοδος με το νερό. Συγχρόνως αποκάλυψε ότι για την απόθεση των αποβλήτων χρησιμοποιήθηκε το μίγμα από λανθάνιο, σείριο, στρόντιο και ασβέστιο. 

Το ξένο είναι εξαιρετικά σπάνιο επί της γης, και πολύ χαρακτηριστικό της διαδικασίας σχάσης. Είναι χημικά αδρανές, και έχει 9 ισότοπα ενώ αφθονεί σε πολλές πυρηνικές διαδικασίες ως προϊόν. 

Αρκετό Κρυπτό-85 - ένα βασικό απόβλητο των σύγχρονων αντιδραστήρων - ελευθερώνεται κάθε χρόνο στην ατμόσφαιρα. Ίσως ο τρόπος λειτουργίας του φυσικού αντιδραστήρα να μας υποδεικνύει μια πιο ασφαλή λύση για την απόθεση του κρυπτόν. 

Μπορεί να υπάρχει σήμερα ένας φυσικός πυρηνικός αντιδραστήρας εν λειτουργία; 

"Σήμερα, ακόμα και τα μεγαλύτερα και πιο πλούσια σε ουράνιο κοιτάσματα, δεν μπορούν να γίνουν αντιδραστήρες, γιατί η σημερινή συγκέντρωση σε ουράνιο-235 είναι πολύ μικρή. Μόνο περίπου 0,72%." λέει ο Meshik. "Όμως επειδή το ουράνιο-235 διασπάται πολύ ταχύτερα από το ουράνιο-238, κατά το παρελθόν το ουράνιο-235 ήταν πιο άφθονο. Για παράδειγμα, πριν από 2 δισεκατομμύρια χρόνια, το ουράνιο-235 ήταν 5 φορές περισσότερο. Ήταν δηλαδή περί το 3%, περίπου όσο η συγκέντρωση του εμπλουτισμένου ουρανίου στους σύγχρονους εμπορικούς αντιδραστήρες."  

Μια άλλη ζωτική συνθήκη για αυτοσυντηρούμενη πυρηνική αντίδραση, είναι η ύπαρξη αρκετής ποσότητας από το επιβραδυντικό μέσο των νετρονίων. Το νερό, ο άνθρακας, αρκετά οργανικά υλικά, το διοξείδιο του πυριτίου, το οξείδιο του ασβεστίου και το οξείδιο του μαγνησίου είναι όλα τους φυσικοί επιβραδυντές των νετρονίων. Επίσης οι συγκεντρώσεις των απορροφητών νετρονίων, όπως είναι ο σίδηρος, το κάλιο, το βηρύλιο και κυρίως το γαδολίνιο, το σαμάριο, το ευρώπιο, το κάδμιο και το βόριο, θα πρέπει να είναι χαμηλές. 

"Μόνο όταν όλες αυτές οι προϋποθέσεις ικανοποιούνται, μπορεί να συμβεί μια αυτοσυντηρούμενη πυρηνική αντίδραση" λέει ο Meshik.