Ősi civilizáció vagy a természet hozta létre az első atomreaktorokat?

Az egyik oklói reaktor maradványa

A véletlennek köszönhetően fedezték fel a világ eddig ismert legősibb atomreaktorait, melyek közel kétmilliárd évesek, és legalább százezer évig termelték az energiát. Keletkezésük pontos körülményei még ma sem ismertek; a tudomány szerint természetes folyamatok hozták létre őket, míg az összeesküvés-hívők az idegenek kezét sejtik a dologban.

Uránlopásra gyanakodtak

1972 májusában a francia Tricastin atomerőmű technikusai riasztó felfedezést tettek. A Gabonban található oklói uránbányából érkező ércszállítmányban az urán-235 izotóp aránya az urán-238-hoz képest 0,71% volt, holott a természetes arány 0,72%. Ez az eltérés látszólag nem tűnik nagynak, mégis megkongatta a vészharangot a szakértőknél, mert attól tartottak, valaki rátehette a kezét az uránrakományra, hogy saját céljaira használja, például nukleáris fegyvert állítson elő belőle. Atomtudósok egy csoportja ezért a bánya területére utazott, hogy kiderítse, mi az igazság.

Hetekig tartó vizsgálat következett, de a szakértők nem találtak bizonyítékot az uránlopásra. A kitermelt ércben az urán-235 aránya alacsony volt, egyes mintákban alig érte el a 0,44%-ot. És nem csak ez volt az egyetlen érdekes felfedezés; a helyszínen találtak neodímium-143, ruténium-99, valamint xenon -131, -132, -134, -135 és -136 izotópokat is, melyek az urán-235 hasadása során keletkeznek.

A bizonyítékok vizsgálata során az egyik kivezényelt szakértő, Francis Perrin arra a következtetésre jutott, hogy nagyjából 2 milliárd éve – vagyis jóval a komplexebb életformák megjelenése előtt – a területen önmagát fenntartó nukleáris láncreakció jött létre, azaz egy ősi "atomerőműre" akadtak.

A legizgalmasabb kérdés, hogy mesterséges (például idegen civilizáció által létrehozott) létesítményről, vagy természetes képződményről van-e szó.

Uránbánya (illusztráció) Forrás: Wikimedia Commons

Az atomreaktorok működésének elve

Paul Kuroda, japán származású fizikus 1956-ban egy kutatása során arra a következtetésre jutott, hogy a távoli múltban kialakulhattak természetes úton is atomreaktorok. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan lehetséges ez, meg kell ismernünk az ember alkotta atomerőművek működésének elvét.

A nukleáris láncreakciót az indítja el, hogy egy szabad neutron egy hasadóanyaghoz (urán-235) ütközik, és ennek hatására maghasadás (fisszió) történik. A maghasadás energiafelszabadulással járó folyamat, mely során két vagy több kisebb atommag és szabad neutron keletkezik. Amennyiben a létrejövő szabad neutronok további uránmagokat hasítanak szét, akkor önfenntartó nukleáris láncreakció jön létre.

A mesterséges atomreaktorokban az önfenntartó láncreakciót az urán-238 és urán-235 izotópokat tartalmazó fűtőelemek biztosítják, a rudak között a neutronok pedig szabadon mozognak. Csakhogy a maghasadás során keletkező neutronok túl gyorsak ahhoz, hogy újabb hasadásokat idézzenek elő, ezért le kell lassítani őket.

Ezt úgynevezett moderátorral viszik véghez.

Az, hogy mi tulajdonképpen a moderátor, atomreaktor-típustól függ; a csernobili erőműben például e feladatot a grafit látta el, míg sok ma üzemelő atomerőműben a víz egyszerre moderátor és hűtőközeg.

A víz legnagyobb hátránya, hogy könnyen elnyeli a neutronokat, így az uránt dúsítani kell, vagyis az urán-235 részarányát 3%-ra, vagy a fölé kell növelni. Léteznek olyan reaktortípusok, ahol moderátorként deutérium-oxidot, vagy más néven nehézvizet használnak, ezeknél nincs szükség dúsított uránra.

A paksi atomerőműben például nyomott vizes reaktorok működnek, ahol a víz egyszerre moderátor és hűtőközeg Forrás: Origo

Idegen kéz vagy a természet építette a reaktorokat?

Ha a természetes urán nem használható fel nukleáris üzemanyagként, akkor az oklói reaktorok miként tudták fenntartani a láncreakciót?

Az urán-235 izotópjának felezési ideje 700 millió év, sokkal rövidebb, mint az urán-238-é, mely 4,6 milliárd év.

Ha visszamegyünk az időben 2 milliárd évet, az urán-235 izotóp részaránya az urán-238-hoz képest 3% volt – pont annyi, mint amennyit a könnyűvizes reaktorokban használnak.

Az oklói régió geológiai viszonyai kedveztek természetes reaktorok létrejöttének. Az uránérctelep a Franceville-medencében van, ahol a porózus homokkő áthatolhatatlan gránitágyon fekszik.

A homokkőn keresztülszivárgó víz az uránérc körül gyűlt össze, ahol moderátorként kezdett viselkedni, és lehetővé tette a láncreakciót.

A folyamat a becslések szerint 100 kilowatt energiát termelt, ami nagyjából 1000 régi típusú villanykörte üzemeltetéséhez elegendő. A keletkező hő idővel elpárologtatta a vizet, így a moderátor megszűnésével a láncreakció átmenetileg leállt. Csak akkor indult újra, amikor az érc lehűlt, a lehulló csapadék pedig ismét vízzel árasztotta el a telepet.

A természetes atomreaktorok legkevesebb 100 000 évig üzemeltek, végül az urán-235 koncentrációja annyira lecsökkent, hogy a nukleáris láncreakciót nem lehetett tovább fenntartani. Napjainkban a Földön nincs olyan hely, ahol az urán-235 aránya 3% fölött lenne, ezért az oklóihoz hasonló reaktorok kialakulása elképzelhetetlen.

Ismereteink alapján 17 reaktor működött a bánya területén.

Az egyik oklói reaktor maradványa Forrás: Robert D. Loss

Miért nem jelentek meg korábban?

Érdekes kérdés, hogy miért nem jelentek meg természetes reaktorok korábban, amikor az urán-235 izotóp koncentrációja még nagyobb, 30% körül volt. Erre ma sincs mindent kielégítő magyarázat.

Az egyik valószínű elmélet szerint a folyamathoz oxigénre volt szükség. 2,4 milliárd évvel ezelőtt zajlott le az ún. nagy oxigenizációs esemény, mely során az újonnan megjelent cianobaktériumok nagy mennyiségű oxigént kezdtek pumpálni a légkörbe.

Az urán – amely eleinte szétszórtan, és nem koncentráltan volt jelen a földkéregben - alapvetően nem oldódik vízben, oxidált állapotban viszont igen, így a talajvíz közvetítésével olyan uránban gazdag érctelepek alakultak ki, amik már lehetővé tették a természetes atomreaktorok létrejöttét.

Ilyen hely volt Okló is.

Az oklóihoz hasonló természetes reaktorok jelentősége abban rejlik, hogy segítségükkel lehetőség nyílik az atomhulladékok kezelésének tanulmányozására. Bár a bányát 2000-ben bezárták, egy kivételével az összes reaktort kitermelték. A szintén Franceville-ércbázishoz tartozó Bangombé természetes reaktor azonban még ma is nyitva áll a kutatók előtt.