Jaderný reaktor v přírodě

3. říjen 2008 | 06.00 |

OkloŠokující objev byl učiněn v africkém státě Gabon v uranovém nalezišti Oklo v roce 1972. Tehdy si francouzský chemik Bougzigues, pracující v závodě na výrobu paliva pro jaderné elektrárny, všiml, že v jednom ze zpracovávaných vzorků je obsah uranu 235 nepatrně menší než očekávaných 0,72%. Tak zde byly nalezeny důkazy mnoha přírodních jaderných reaktorů, které pracovaly již před dvěma miliardami let. Na základě analýz bylo zjištěno, že ložiska uranu v tamních skalních masívech umožnily vznik a udržení se štěpné jaderné reakce o průměrném výkonu srovnatelném s dnešními výzkumnými reaktory po dobu asi 150 tisíc let.

Jaderná reakce, která v Oklu probíhala, je stejná jako ta, která dnes udržuje v chodu velké množství reaktorů na celém světě. Jde o štěpení jader uranu. Pomalý neutron je zachycen jádrem uranu 235 (tento izotop má celkem 235 protonů a neutronů, tedy o 3 neutrony méně než běžný uran 238), čímž vyvolá rozdělení jádra na dvě lehčí a uvolnění několika (dvou či tří) rychlých neutronů. Uvolněná energie vyletujících produktů rozpadu se postupně mění na teplo a reaktor zahřívá chladící médium.

V současné době žádný přírodní reaktor nikde na Zemi nepracuje, proč to tedy bylo možné před dvěma miliardami let? Klíč k pochopení této skutečnosti je ukryt ve stupni obohacení přírodního uranu vzácným izotopem 235. Dnes připadá na každých 100 tisíc jader přírodního uranu v průměru jen asi 720 jader uranu 235, zbytek je většinou uran 238, který tvoří více než 99 procent přírodního uranu. Víme, že vyvolat jaderné štěpení u uranu 238 je mnohem obtížnější než u uranu 235 a proto musí být uranové palivo před vložením do reaktoru obohaceno izotopem 235.
Jenže izotopické složení uranu se v průběhu historie Země výrazně mění. Ani jeden ze zmíněných izotopů uranu není stabilní - oba se rozpadají vyzářením jádra hélia a stávají se součástí známých radioaktivních rozpadových řad. Poločas rozpadu uranu 238 je srovnatelný se stářím Země, necelých 5 miliard let, zatímco poločas rozpadu uranu 235 je asi šestkrát menší, "pouhých" 0,7 miliardy let. To znamená, že uran 235 se rozpadá rychleji a jeho zastoupení v přírodním uranu neustále klesá. Před dvěma miliardami let, kdy přírodní reaktory v Oklu pracovaly, nebylo toto obohacení jen 0,72%, jako dnes, ale asi 3 %.
Přírodní reaktory v Oklu si dokázaly část paliva samy vytvořit jadernými reakcemi doprovázejícími proces štěpení. Neutrony produkované při štěpení se totiž mohou pohlcovat v uranu 238. Tím vzniká uran 239, který se přes neptunium postupně rozpadá na plutonium 239, které se rozpadá na uran 235.
Jaké podmínky tedy nastartovaly řetězové jaderné štěpení? Je to celkově vysoká koncentrace uranové rudy, naopak nízká koncentrace látek, které pohlcují neutrony a přítomnost vody jako moderátoru zpomalujícího neutrony
Protože však při reakci je vzniklých neutronů vždy více než původních, vzniká řetězová reakce. Nekontrolované jaderné štěpení má podobu jaderné exploze. Řízené štěpení v jaderných reaktorech proto vyžaduje použití tzv. regulačních tyčí, které pohlcují část vzniklých neutronů. V případě reaktorů v Oklu žádné regulační tyče neexistovaly, takže jejich roli musel sehrát nějaký jiný samoregulační mechanismus.
V úvahu přicházely dvě teorie. Podle jedné z nich v procesu jaderného hoření docházelo v některých oblastech aktivní zóny reaktoru ke zvýšení koncentrace bóru nebo prvků vzácných zemin, který neutrony pohlcuje, což vedlo k zastavení reakce v dané oblasti.
Druhá, dnes více podporovaná teorie, počítala s rolí vody jako neutronového moderátoru. Jak se reakce v dané oblasti aktivní zóny rozrůstala, zvyšování teploty mělo za následek postupné vypařování a únik vody. Když se efektivita zpomalování neutronů snížila natolik, že se soustava stala podkritickou, reakce ustala. K jejímu opětnému nastartování bylo zapotřebí, aby reaktor zchladl, což vodě dovolilo znovu "natéct" do aktivní zóny. Podlé této teorie tedy reaktor fungoval cyklickým způsobem s cca tříhodinovou periodou, v níž aktivní období probíhající řetězové reakce tvořilo zhruba 30 minut.
Oklo je vlastně příkladem testovacího úložiště radioaktivního odpadu, které ukazuje, jak by lidmi vybudované úložiště mohlo vypadat po uplynutí geologických věků.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1 (9x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře