1972 májusában a dél-franciaországi Pierrelatte-ban található urándúsító munkatársainak elállt a szava egy rutinmérést követően: a gaboni Oklo bányából származó érc a megszokottnál jelentősen, nagyjából az ötödével kevesebb urán-235 izotópot tartalmazott. Ez mindenképpen vizsgálatot igényelt: egyrészt tisztázni kellett, nem jutott-e az érc korábban illetéktelen kezekbe, másrészt a szokatlan minták felvetették a kérdést, hogy érdemes-e a gaboni uránércet dúsítani? A Francia Atomenergiaügyi Bizottság végül a vártnál is megdöbbentőbb eredményre jutott: a mintában előforduló egyéb izotópok jelenléte (vagy jelen nem léte) alapján megállapították, hogy az anomáliát az okozta, hogy természetes körülmények között indult be a láncreakció - erre pedig 1,7 milliárd évvel ezelőtt került sor.
A kelet-gaboni Oklo - Forrás: Google Maps
Hogy megértsük, hogyan is fordulhatott mindez elő, érdemes áttekintenünk, hogy hogyan fordul elő a természetben az uránérc, és hogy mit is tartalmaz valójában. Az urán izotópjai Földünkön viszonylag egyenletesen, de az ipari (és hadászati) felhasználáshoz túlzottan kis koncentrációban helyezkednek el, csak az uránércnek vagy uránszurokércnek is nevezett feldúsulásait érdemes bányászni. Ezek alapvetően kétféleképpen jöhetnek létre:
1. Bazaltos magmás tevékenység esetén következhet be a magasabb uránizotóptartalmú ásványképződés. Mindez a mélyben is végbe mehet a nagy méretű gránitplutonok létrejöttével, ezután az ásványok érccé dúsulását a magmás tevékenységet kísérő forróvizes oldatok is előidézhetik.
2. Az előzőekben említett kőzetek lepusztulásával, és az ásványok folyóvízi, tavi esetleg sekélytengeri környezetben történő dúsulásával - ebben az esetben jellemzően homokkőben vagy valamely "rokonkőzetben" találhatóak az uránérctelepek.
Az uránércek egyébként három izotóptípust tartalmaznak: 99,275%-ban urán-238-ast, átlagosan 0,005% urán-234-et és 0,72%-ban urán-235-öt. Utóbbi kinyerése, és 2-4%-osra dúsítása az uránfeldolgozás célja, ugyanis ez a koncentráció már alkalmas az erőművi láncreakció beindítására és fenntartására. Szintén fontos adalék, hogy az urán-235 felezési ideje 703,8 millió év. Ez egyrészt azt jelenti, hogy a "kezdő készlet" 97%-a már elbomlott, másrészt, hogy épp a kérdéses 1,7 milliárd évvel ezelőtti időszakban az uránércben nagyobb, akár a láncreakciót is lehetővé arányban is rendelkezésre állhatott - Okloban a kritikus izotóp korabeli arányát 3,1%-osra becsülték.
A gaboni készletek homokkőbe valamint aleurolitba/agyagpalába ágyazva jöttek létre, melyeket részben bitumen járt át, ugyanakkor a fenti keletkezési körülmények már gyanúsak lehetnek egyes olvasóinknak: plutonok, nagy kiterjedésű homokkőtelepek - véletlenül nincs ennek az egésznek egy szuperkontinenshez közé? De igen, csak épp nem a Pangeához, hanem az egyik elődjéhez.
Az okloi rétegek erősen sematikus rajza: 1. a nukleárisan aktív zónák, 2 üledékes kőzetek - alul homokkő, felül iszapkő (aleurolit) és agyagpala, 3 uránérc, 4. gránit - (forrás)
A mai Gabon területe a korai előidőben (proterozoikumban) konszolidálódó ősmasszívum, a Kongó-kraton részét képzi, amely mintegy 2 milliárd évvel ezelőtt a korabeli lemeztektonikai mozgások miatt más afrikai és (ma) dél-amerikai kratonokkal "ütközött" és több kiadós hegységképződés kíséretében egységes szárazföldi illetve sekélytengeri környezetté állt össze, az egyéb kontinensek ütközése pedig 1,8-1,7 milliárd évvel ezelőtt létrehozta Columbia szuperkontinenst. Az uránérc vélhetően a kontinensek ütközését megelőzően alábukó óceáni lemezdarabokhoz kötődő vulkánosság révén jött létre, majd az ütközést követő hegységképződés kiemelhette az eredeti kőzetrétegeket. Ezek lepusztulása hozta létre a Franceville-i formáció néven ismert nagy kiterjedésű üledékes összletet, mely tavi, deltavidéki és sekélytengeri környezetben jött létre, és ma nem csak az oklói "reaktorról" híres, hanem Moanda komoly mangánérckészleteiről is. És még valamiről: 2010-ben ebben a formációban találták meg az egyik legkorábbról származó (2,1 milliárd éves) többsejtű élőlények maradványait tartalmazó fosszíliákat. Bár némi vita alakult ki arról, hogy a maradványok valóban többsejtű élőlényekhez tartoznak-e, egy biztos: a medencében a korabeli viszonyok között virágzott az élet, és ez egyben azt is jelentette, hogy az elpusztult élőlények nem csak fosszilizálódtak, bomlástermékeikből az adott körülmények között jelentős mennyiségű kőolaj és bitumen is képződött, utóbbinak komoly jelentősége lesz Oklo esetében.
Columbia szuperkontinens - (forrás)
De hogy is kerülhetett sor az "atomreaktor" működésére? Ehhez főleg két dolog kellett: viszonylag sok, megfelelő koncentrációjú urán-235-ös és sok vele érintkező, moderátorként szolgáló talajvíz. Mivel az uránérc tavi, sekélytengeri környezetben halmozódott fel, a homokkő repedéseiben viszonylag szélesebb (néhány centiméterestől méteres kiterjedésű telérekben volt jelen. A közrefogó, amúgy jó vízvezető/víztartó kőzet repedései révén pedig ezeket a teléreket jól át tudta járni a résvíz. Ráadásul a korábbi hegységképződés és az óceán közelsége miatt az amúgy inkább száraz szuperkontinens egy vélhetően csapadékosabb területén feküdt ez előidei Oklo. Még egy valami szükséges volt a láncreakció beindulásához: a földi oxigénszint növekedése - ez magyarázza, hogy miért pont ebben a időszakban tudott beindulni a nukleáris reakció, miközben az urán-235 mennyisége korábban még nagyobb volt: az uránnak oxidálódnia kell ahhoz, hogy a víz magával tudja szállítani, azaz megfelelő földi oxigénszint nélkül a földkéregben viszonylag egyenletesen eloszló elem nem (vagy csak nagyon ritkán) tudott volna kritikus tömegben koncentrálódni. Oklóban a homokkő és iszapkőrétegek közé különösen vastag telérek tudtak bemosódni, ami segítette a reakció beindulását.
Bitumenes kőzetek őrzik az egykori "reaktorok" nyomait - (forrás)
Amikor tehát a geológiai viszonyok lehetővé tették az említett tényezők találkozását, tulajdonképpen egy könnyűvizes reaktor jött létre: a víz moderátorként biztosította a neutronok lassulását, azaz az energiatermelést és a láncreakció fennmaradását, egészen addig, amíg el nem forrt a rendszerből - ekkor viszont leállt a reakció az úgynevezett "negatív üregtényező" miatt (ennek ellentétéről magyarázott Jared Harris a Csernobil legendás bírósági jelenetében). A reakció leállásával és a rendszer hűlésével viszont visszatért a víz, és minden kezdődhetett elölről. Az becslések szerint egy ilyen ciklus mintegy 3 óráig tarthatott: a rendszer néhány száz Celsius fokos hőmérsékletre hevülhetett fél óra alatt, majd 2 és fél óra pihenő után újraindult a reakció - és ez valószínűleg közel egy millió évig ismétlődhetett, amíg az urán-235 koncentrációja a kritikus szint alá nem süllyedt. A kutatók és a bányászok összesen 16 olyan helyszínt azonosítottak Okloban, ahol a reakció beindulhatott, és hosszabb-rövidebb ideig működött. Ezek egy része a föld alatti bányajáratokban van.
Francia geológus tart bemutatót a 10. számú "reaktornál" - (forrás)
Ha már szóba került Csernobil is, nézzük meg röviden a főbb reaktortípusokat, így jobban el tudjuk majd helyezni a "gaboni" működését is. A könnyű vagy közönséges vizes reaktor működése nagyon hasonló az okloihoz: itt dúsított urán fűtőanyag között a víz tölti be a moderátor szerepét, az energiatermelés a víz elforralásával történik, ami egyben a reakció által termelt hő egy részét is elvonja (természetesen altípustól függően megfelelő hűtőrendszer is szükséges). A módszer viszonylag biztonságos, hiszen a víz távoztával elvileg leáll a reakció - ez persze nem jelenti azt, hogy kizárt lenne a baleset, hiszen a rendszer igen nagy mennyiségű energiát termelhet még a "leállás" előtt, azaz a hűtőrendszer meghibásodása, kiesése esetén könnyen robbanás következhet be a zárt rendszerben (ahogy ez a fukusimai erőműben is megtörtént). A rendszer hátránya, hogy jelenleg dúsított uránra van szükség hozzá - azonban 1,7 millió éve még nem ez volt a helyzet. (A Paksi Atomerőmű a nyomottvizes altípusba tartozik.)
A nehézvizes reaktor moderátora a deutérium-oxid, ebben az esetben a reakció dúsitatlan urán-235-tel is működik, az erőmű egyes alrendszerei jól elkülönülnek, ezért üzemeltetése és karbantartása viszonylag olcsó, azonban a nehézvíz beszerzése igen drága. Mivel utóbbi a természetben nem fordul elő a megfelelő mennyiségben, természetes nehézvizes reaktorról nem tudunk.
A grafit moderátoros atomerőmű értelemszerűen grafitrudakat használ moderátorként, szintén dúsítatlan uránnal működik, és közönséges vizet forral el, hogy energiát termeljen. Ennek egy változata a hírhedté vált RBMK reaktor, aminek konstrukciós hiányosságait 1986 és 2019 óta nem igazán szükséges részletezni. Mivel az urán és a grafit a természetben gyakorlatilag nem tud a szükséges mintázatban előfordulni, grafit moderátoros természetes reaktorról sem hallhattunk még.
De miért tudjuk ezt ilyen pontosan 1,7 milliárd év után is? Azért, mert Oklo különleges geológiai viszonyai miatt részben megörződtek a nukleáris reakció bomlástermékei (pl. a cézium, xenon) is. Ahogy már volt róla szó: az uránércet részben bitumenes kőzetek vették körül, melyek megakadályozták az izotópok "elvándorlását". Ezek jelenléte alapján egyrészt a tudósok meg tudták becsülni a rendszer működésének összteljesítményét (mintegy 100 MT - közel egy millió év alatt), illetve ötletet is adott az atomerőművek radioaktív hulladékának tárolására: az Oklohoz hasonló geológiai szerkezettel rendelkező tárolók jó eséllyel szintén ennyire hatékonyan el tudják szeparálni a nem kívánatos anyagokat.
A 2000 körül kimerült bánya ma földtani múzeumként működik - (forrás)
Feltehetjük a kérdést, hogy miért csak egy helyen, a gaboni Okloban találták nyomát a természetes nukleáris reakciónak? Ahogy láthattuk, a természetes reakcióra rendelkezésre álló időablak viszonylag szűk volt: a földi oxigénszint nagyjából 2,4 milliárd évvel ezelőtt emelkedett olyan szintre, ami lehetővé tette az eseményeket (azaz komolyabb uránérctelepek kialakulását), és az U-235-ös természetes koncentrációja alig 1 milliárd évvel később már túl kicsi volt a reakció beindulásához. Ebből az időszakból viszont nagyon kevés kőzet maradt fenn, amely magában rejthetné az ezzel kapcsolatos "bizonyítékokat", így bár nagyon valószínű, hogy máshol is létrejöttek ezidőtájt természetes "atomerőművek", a geológiai folyamatok már eltűntették ezek nyomait.
Felhasznált források:
https://www.forbes.com/sites/davidbressan/2018/08/14/two-billion-year-old-natural-reactor-may-holds-key-for-safe-nuclear-waste-disposal/#1fb1f6ac3c72
https://en.wikipedia.org/wiki/Oklo_Mine
https://www.scientificamerican.com/article/ancient-nuclear-reactor/
https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/natures-nuclear-reactors-the-2-billion-year-old-natural-fission-reactors-in-gabon-western-africa/
https://en.wikipedia.org/wiki/Geology_of_Gabon
https://en.wikipedia.org/wiki/Congo_Craton
https://en.wikipedia.org/wiki/Columbia_(supercontinent)
https://nuklearis.hu/sites/default/files/nukleon/Nukleon_5_1_103_Breitner.pdf
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703796002451
https://en.wikipedia.org/wiki/Franceville_basin
https://www.ancient-origins.net/artifacts-ancient-technology/gabon-nuclear-reactor-0016597
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/earth-natural-nuclear-reactor/
