Oklo – jaderné reaktory z pravěku

 

Pavel Cejnar

Ústav částicové a jaderné fyziky MFF UK, Praha

 

Když 2. prosince 1942 v podzemí chicagského univerzitního stadionu Enrico Fermi a jeho spolupracovníci poprvé uváděli do chodu svůj „atomový milíř,“ který později vstoupil do dějin jako první jaderný reaktor na světě, netušili, že nejsou tak docela první. Jistě, vědce pracující ve prospěch spojeneckých velmocí svíraly neutuchající obavy, že na stejném problému – a možná rychleji - pracují také vědci v nacistickém Německu. Tyto obavy se naštěstí nepotvrdily. Existovaly také představy o tom, že jaderné procesy se uplatňují při produkci energie ve hvězdách. Nicméně uskutečnění jaderné reakce na Zemi bylo nahlíženo jako výlučně lidský podnik.

 

Fermi nebyl první

 

A přece, v roce 1972 byly nalezeny nezvratné důkazy toho, že několik jaderných reaktorů muselo pracovat již před dvěma miliardami let v rovníkové západní Africe, v oblasti dnešního státu Gabon. Zatím 16 reaktorových zón bylo lokalizováno v uranovém nalezišti Oklo v jihovýchodní části Gabonu a další v asi 30 km vzdáleném Bangombe (obě lokace jsou často označovány společným názvem Oklo). Na základě geologických a radiochemických analýz bylo zjištěno, že ložiska uranu v  tamních skalních masívech umožnily vznik a udržení se štěpné jaderné reakce o průměrném výkonu asi 100 kilowattů v každé zóně (tedy výkonu srovnatelném s dnešními výzkumnými reaktory) po relativně dlouhou dobu, cca 150 tisíc let.

 

Senzační objev okamžitě vyvolal celou řadu otázek. Jak mohlo dojít k samovolné iniciaci štěpného procesu? Podmanění jaderné energie člověkem v průběhu 40. a 50. let 20. století bylo z vědeckého a technologického hlediska dosti náročným procesem, takže není úplně snadné smířit se s tím, že to může jít také úplně samo. A dále: jak je možné, že jaderná reakce probíhající v gabonských uranových nalezištích nepřerostla v nekontrolovanou produkci energie, vedoucí k roztavení ložisek nebo dokonce k jaderné explozi?

 

Štěpení uranu

 

Jaderná reakce, která před dvěma miliardami let v Oklu probíhala, je stejná jako ta, která dnes udržuje v chodu velké množství reaktorů na celém světě. Jedná se o proces štěpení jader uranu. Pomalý neutron (s energií řádově rovnou energii tepelných pohybů okolních atomů) 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 emisi několika (typicky dvou až tří) rychlých neutronů. Jednoduchá bilance hmotností zúčastněných jader a částic vede k závěru, že v každém jednotlivém procesu štěpení se uvolní cca 0,03 nanojoulů energie. Ta je zprvu soustředěna do kinetické a vnitřní energie vyletujících produktů rozpadu, ale postupně se nevyhnutelně mění (alespoň její podstatná část) na teplo. Reaktor zahřívá chladící médium. Ačkoliv se energie uvolněná při jednom štěpení může zdát nicotná, její hodnota je řádově miliónkrát větší než typická energie uvolněná v chemických reakcích jako hoření, což je právě důvodem pro vysokou výkonnost jaderných reaktorů (k výpočtu celkového energetického výkonu je nutné výše uvedenou energii vynásobit faktorem udávajícím počet procesů probíhajících v reaktoru za jednu sekundu).

 

Jestliže jsou neutrony vzniklé při rozpadu dostatečně rychle zpomaleny na tepelné energie (to se přirozeně děje, je-li v místě reakce např. dostatek vody, která funguje jako velmi účinný moderátor), mohou vyvolat další štěpení. Protože vzniklých neutronů je vždy více než původních, celý proces se rozrůstá, vzniká řetězová reakce. Nekontrolované jaderné štěpení má podobu jaderné exploze, jako v Hirošimě a Nagasaki. Řízené štěpení v jaderných reaktorech proto vyžaduje použití tzv. regulačních tyčí, které pohlcují část produkovaných neutronů a nastavují multiplikační koeficient (tj. poměr počtů štěpení ve dvou po sobě následujících „generacích“ řetězové reakce) na hodnotu přesně rovnou jedné. V případě reaktorů v Oklu žádné regulační tyče neexistovaly, takže jejich roli musel sehrát nějaký jiný samoregulační mechanismus, využívající kladnou zpětnou vazbu mezi okamžitou intenzitou probíhající reakce a efektivitou pohlcování neutronů. Pravděpodobnou podobu tohoto mechanismu popsali vědci z Washingtonovy university v St. Louis na sklonku minulého roku.

 

Přírodní reaktory

 

Dříve než se k vysvětlení tohoto mechanismu dostaneme, musíme ale objasnit problém zcela opačný, totiž to, jak se řetězová jaderná reakce vůbec mohla samovolně rozběhnout. 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 výrazně obohaceno izotopem 235  - to byl také jeden z hlavních technických problémů v počátcích jaderného programu.

 

Jenže izotopické složení uranu se v průběhu historie Země výrazně mění. Ani jeden ze zmíněných izotopů uranu  není stabilní - oba se rozpadají vyzářením částice alfa (jádra hélia) a stávají se součástí známých radioaktivních rozpadových řad (které končí až v oblasti mnohem lehčího olova). 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 procenta, jako dnes, ale cca 3 procenta (tedy 3000 jader na 100 tisíc). Tato okolnost je pro pochopení možnosti samovolného rozběhnutí řetězové reakce v prehistorických etapách zemského vývoje zcela zásadní.

 

Kromě toho se ukázalo, že 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 dvojnásobnou emisí elektronu (tj. dvěma následnými rozpady beta) na plutonium 239. To je samo alternativním štěpným materiálem k uranu 235 (pozůstatky jeho štěpení byly v Oklu skutečně nalezeny), ale zároveň se emisí částice alfa rozpadá (s poločasem rozpadu cca 24 tisíc let) na uran 235. Reaktory využívající tento proces dnešní jaderní inženýři nazývají plodivé, či množivé ("breed"). Reaktory v Oklu tak byly nejen prvními jadernými reaktory vůbec, ale zároveň prvními reaktory množivého typu. Mohly tak spálit ještě více uranu 235, než bylo původně přítomno tamní v uranové rudě.

 

Jaké další podmínky jsou k nastartování řetězového jaderného štěpení nutné? Samozřejmě je to celkově vysoká koncentrace uranové rudy a naopak nízká koncentrace látek, které pohlcují neutrony (například bór nebo prvky vzácných zemin). Nutnou podmínkou, o které již byla řeč, je také přítomnost moderátoru, tedy média zpomalujícího v reakci emitované neutrony na tepelné energie. Takovým médiem může být prakticky libovolná látka obsahující lehká jádra, protože srážkami s nimi se neutrony brzdí nejefektivněji (naopak, při kolizi neutronu s těžkým jádrem se kinetická energie neutronu mění jen málo - představte si to jako odraz pingpongového míčku od bowlingové koule). Nejúčinnějším moderátorem je tudíž vodík, který je typicky přítomen ve formě vody. Všechny tyto parametry spolu s geometrickými charakteristikami uranového ložiska (ty ovlivňují míru uniku produkovaných neutronů do okolního prostředí) určují jistou minimální (kritickou) velikost soustavy nutnou pro rozběhnutí řetězové reakce.

 

Je zajímavé, že možnost vzniku přírodních reaktorů si uvědomil již v roce 1956 japonský fyzik P. Kuroda. Žádné z tehdy známých nalezišť uranu se však jeho požadavky na vznik řetězové reakce nezdálo splňovat. Dnes víme, že Kuroda přehlédl jeden podstaný "detail," kterým je právě možná přítomnost vody, hrající roli moderátoru. Ta může za příznivých podmínek nastartování řetězové reakce podstatně usnadnit.

 

Objev reaktorů v Oklu

 

Celý problém se vrátil na scénu až v roce 1972, kdy byly objeveny reaktory v Oklu. Tehdy si francouzský analytický 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 procenta. Konkrétněji, naměřená hodnota obohacení byla o 0,03 procenta nižší, nad čímž by možná leckdo mávnul rukou. Naštěstí se tak nestalo! Vzorek pocházel z uranového naleziště Oklo v nedávno osamostatněné francouzské kolonii Gabon.

 

Dnes víme, že snížení obsahu izotopu 235 bylo způsobeno právě částečným vyhořením paliva v době fungování přírodního reaktoru. Těžba uranu, která zde probíhala od šedesátých let, byla dočasně zastavena a části naleziště byly zpřístupněny pro provedení rozsáhlých izotopických měření. Metody datování založené na radioaktivním rozpadu jader s dlouhými dobami života (jako uran 238, samarium 147 nebo rubidium 87, jejichž poločasy rozpadu jsou řádově miliardy až stovky miliard let) umožnily zařazení doby fungování reaktoru do epochy před dvěma miliardami let, tedy cca 2,5 miliardy let po zformování Sluneční soustavy (pro srovnání: tou dobou na Zemi už existovaly jednobuněčné formy života, ale do vzniku mnohobuněčných organismů zbývala téměř miliarda let).

 

Izotopy s kratšími poločasy rozpadu pak umožnily vzájemné srovnání operačních dob jednotlivých reaktorových zón - těch bylo dosud objeveno celkem 17, včetně 30 km vzdáleného reaktoru v Bangombe. Celková doba aktivity soustavy přírodních reaktorů byla stanovena na cca 150 tisíc let. Podrobné analýzy umožnily popsat jak proces formování tohoto unikátního objektu, tak následnou migraci radioaktivních produktů rozpadu (vzhledem k dlouhé době, která nás od fungování reaktorů dělí, se většina radioaktivních produktů - až na ty s nejdelšími dobami života - stačila rozpadnout, takže oblast není radiačně nebezpečná).

Těžba uranu byla později obnovena (devět z objevených reaktorových zón již bylo vytěženo), ale část dolu je trvale konzervována pro vědecké účely.

 

Seznam jaderných izotopů vyprodukovaných přírodním reaktorem obsahuje mnoho desítek položek. Absolutní a relativní zastoupení všech těchto dochovaných jader představuje rozsáhlý soubor dat, který nám dovoluje dedukovat, jaké podmínky v přírodním reaktoru panovaly. Tato analýza však v žádném případě není jednoduchou záležitostí. Pro každý z izotopů je třeba uvážit specifický mechanismus jeho vzniku, rozpadu, případně úniku z aktivní zóny a také možnosti pozdější kontaminace reaktorových vzorků stejným izotopem z okolního prostředí. Nyní se zdá, že po třech desetiletích experimentálního a teoretického studia fenoménu v Oklu máme konečně pohromadě všechna podstatná fakta.  

 

Samoregulační mechanismus

 

Konečně se tedy dostáváme k vysvětlení výše zmíněného samoregulačního mechanismu, který zabránil lavinovitému nárůstu řetězové jaderné reakce. To by vedlo k rychlému roztavení hornin nebo dokonce k jaderné explozi, tedy ke scénářům, jež lze s jistotou vyloučit. V úvahu přicházely v podstatě dvě alternativní možnosti. Podle jedné z nich v procesu jaderného hoření docházelo v některých oblastech aktivní zóny reaktoru ke zvýšení koncentrace neutronových absorbátorů (jako bór nebo prvky vzácných zemin), což vedlo k zastavení reakce v dané oblasti (v důsledku zvýšené absorpce neutronů se soustava stala podkritickou) a k jejímu přestěhování do oblasti jiné. Vyhořívání jaderného paliva v aktivní zóně tak vzdáleně připomínalo hoření vlhkého polínka.

 

Druhý navržený mechanismus počítal 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 - intervaly aktivní produkce energie periodicky střídaly intervaly relaxace, kdy reaktor "sbíral síly" k dalšímu intervalu aktivity.

 

Až donedávna nebyly k dispozici v podstatě žádné indicie upřednostňující libovolný z obou možných samoregulačních mechanismů.  Koncem minulého roku se však v časopise Physical Review Letters objevila práce skupiny vědců, vedené A.P. Meshnikem z Washingtonovy university v americkém státě Missouri, podle níž byl v Oklu realizován druhý z navržených mechanismů - ten na bázi vody. Práce došla k závěru, že reaktory v Oklu pracovaly s cca tříhodinovou periodou, v níž aktivní období probíhající řetězové reakce tvořilo zhruba 30 minut.

 

Na jakých datech jsou tyto závěry založeny? Meshnik se svou skupinou analyzoval izotopické složení xenonu v aktivní zóně reaktoru v Oklu. Xenon není přítomen v samotné uranové rudě, ale vzniká v procesu jaderného štěpení, především z beta rozpadů přímých štěpných produktů. Protože xenon je plyn, při kontinuálním režimu fungování reaktoru s trvale ohřátou aktivní zónou by difuse musela způsobit jeho rychlý únik do okolí. Při cyklickém režimu, kdy se aktivní zóna periodicky ochlazuje, je však  část vyprodukovaného xenonu uvězněna v zapouzdřených aluminium-fosfátových zrnech. Ta byla právě analyzována Meshnikovou skupinou.

 

Ukázalo se, že zastoupení jednotlivých xenonových izotopů v zrnech je zcela odlišné od běžného izotopického složení xenonu na Zemi (celková koncentrace xenonu v zrnech je vůbec nejvyšší, jaká kdy byla naměřena). Především byl pozorován výrazný deficit xenonu 136. Tento izotop vzniká beta rozpadem jádra jódu 136, který je produktem štěpení uranu, přičemž z malého poločasu rozpadu lze soudit, že křivka produkce xenonu 136 sleduje křivku intenzity uranové reakce se zpožděním jen několik desítek sekund. Tento izotop má tedy dost času opustit aktivní zónu, dokud je ještě horká. Jinak je to však s dalšími xenonovými izotopy. Štěpné produkty, ze kterých tyto izotopy vznikají, mají delší rozpadové poločasy. Během aktivní fáze funkce reaktoru tyto produkty migrují do aluminium-fosfátových zrn, kde se postupně rozpadají na příslušné izotopy xenonu. Ty však již zůstávají uvězněny v zrnech v důsledku jejich pevné krystalové struktury - k jejímu narušení by bylo zapotřebí teplot vyšších, než jaké byly vyvinuty během aktivních fází. V zrnech tak vzniká zcela specifické izotopické složení xenonu, jehož analýza umožňuje relativně přesný odhad doby trvání aktivní fáze a celkové periody fungování reaktoru. Výsledkem jsou již výše zmíněné hodnoty 30 minut pro aktivní fázi a 3 hodiny pro celkovou periodu (tj. 2,5 hodiny relaxace).

 

Inspirace pro jaderné inženýry

 

Způsob, jakým přírodní reaktory v Oklu pracovaly, může být velmi poučný i pro současné konstruktéry jaderných reaktorů. Napodobení přírody, konkrétně jejího "triku" se zapouzdřením štěpných produktů do aluminium-fosfátových zrn, by totiž mohlo pomoci vyřešit v současné době nejpalčivější problém jaderné energetiky - skladování vysoce radioaktivního vyhořelého paliva. Z tohoto hlediska jsou zbytky reaktorů v Oklu také neocenitelným zdrojem poznatků o dlouhodobé míře migrace jednotlivých štěpných produktů v zemské kůře. Oklo je vlastně jakýmsi testovacím úložištěm radioaktivního odpadu, které ukazuje, jak by lidmi vybudované úložiště mohlo vypadat po uplynutí geologických věků.

 

Oklo a fundamentální fyzika

 

Další zajímavou aplikací pozůstatků jaderných reaktorů v Oklu je možnost měření případných změn fundamentálních fyzikálních konstant na dlouhodobé časové škále. Všeobecně se spíše předpokládá, že fyzikální konstanty jsou opravdu konstantní, tj. neměnné s časem. Tento předpoklad je však třeba podrobit seriózním experimentálním testům. Některé z těchto testů byly založeny na poměrném výskytu izotopů samaria naměřeném v horninách z Okla.

 

Kromě produktů jaderného štěpení a jader vzniklých jejich následným rozpadem se v pozůstatcích aktivní zóny objevují též izotopy vzniklé zachycením neutronu na jádrech hornin (toky neutronů v reaktorové aktivní zóně byly samozřejmě vysoké - také jejich hodnoty se dají určit z izotopických dat). Samarium 150 vznikalo právě tímto druhým způsobem, totiž záchytem neutronu na samariu 149 a následnou emisí spršky záření gama. Pravděpodobnost (resp. účinný průřez) této jaderné reakce má výrazné maximum (rezonanci) při energii neutronu, která odpovídá teplotě 856 stupňů Celsia. To znamená, že v horké aktivní zóně docházelo k intenzivní produkci samaria 150.

 

Zjištěné koncentrace samaria 150 ve vzorcích z Okla jsou v souladu s hodnotami neutronových toků, určenými z výskytu dalších izotopů. Kdyby ale maximum energetické závislosti pravděpodobnosti zmíněné reakce leželo na jiné energii, zastoupení samaria 150 by bylo výrazně jiné, než jaké skutečně pozorujeme. A to je právě důležitý moment. Přesná velikost rezonanční energie souvisí s hodnotami fundamentálních konstant jaderné a elektromagnetické interakce. Stálost rezonanční energie, vyplývající z analýzy vzorků z Okla, proto naznačuje, že hodnoty fundamentálních konstant byly před dvěma miliardami let stejné jako dnes, a to na velmi vysoké hladině přesnosti.

 

Na závěr

 

Přírodní reaktory v Oklu jsou jistě samy o sobě fascinujícím objektem. Skutečnost, že na Zemi jen tak "pro nic za nic" existovaly tak zajímavé a podivuhodné útvary (Oklo je jen jedním z nich) pro mnohé z nás skýtá úlevnou možnost alespoň na chvíli v duchu uniknout od každodenních soubojů s malichernostmi. Skutečnost, že člověk je schopen i po uplynutí dvou miliard let - jen z nalezených pozůstatků a nepřímých dokladů - domyslet přesný průběh složitých přírodních procesů se navíc může stát jedním z "předmětů doličných" pro filosofy, kteří si od úsvitu lidstva kladou otázku, zda svět je poznatelný. 

 

 

Další informace na webu:

Stránky Dr. R. Losse, Curtin University, Austrálie

http://www.curtin.edu.au/curtin/centre/waisrc/OKLO/