2 miljard jaar geleden creëerde de natuur haar eigen kernreactor: Zo werkt het!
"Dit kan niet."
Dat was de gedachte die in mei 1972 bij natuurkundige Francis Perrin opkwam. Perrin onderzocht een donkere brok uraniumerts in een kerncentrale in Zuid-Frankrijk. Dit monster, gewonnen uit een mijn in Gabon, Afrika, bevatte een geheim dat alles wat wetenschappers wisten over natuurlijk uranium ter discussie stelde.
Normaal gesproken bestaat uranium uit een consistente verhouding van isotopen zoals uranium-238, uranium-234 en het cruciale uranium-235. Het aandeel uranium-235 in de aardkorst is consistent en bedraagt 0,720 procent. Dit monster uit Gabon bevatte echter slechts 0,717 procent uranium-235. Hoewel het een kleine afwijking was, was het voldoende om alarm te slaan. De eenvoudigste verklaring was dat het uranium splijting had ondergaan. Maar aangezien dit een natuurlijk monster was, hoe kon dit dan gebeuren?
Had iemand met het uranium geknoeid? Was dit het werk van een oude, onbekende beschaving? Of speelde er misschien iets nog vreemders mee?
Kernsplijting in de natuur
Naarmate wetenschappers hun onderzoek voortzetten, werd de situatie complexer. Sommige uraniummonsters uit de Oklo -regio in Gabon bevatten zelfs nog lagere niveaus uranium-235, slechts 0,4 procent . Dit was meer dan slechts een statistische toevalstreffer; het duidde op een fundamentele verandering in het erts. Verdere analyse onthulde dat het uranium inderdaad splijting had ondergaan, hetzelfde proces dat in kernreactoren wordt gebruikt. Dit was echter noch het resultaat van menselijk ingrijpen, noch van een buitenaardse soort. Het bewijsmateriaal wees op een gebeurtenis die twee miljard jaar geleden had plaatsgevonden. Plotseling dook het ondenkbare op: de natuur had haar eigen kernreactor gecreëerd. Frankrijk had bijna 40 jaar lang uranium gewonnen uit Gabon, de toenmalige kolonie. Frankrijk was een grote kernmacht en gebruikte uranium voor de opwekking van elektriciteit, zowel in eigen land als elders in Europa. De ontdekking van uraniumvoorraden nabij de stad Oklo in Gabon was spannend nieuws, maar niemand, tenminste aanvankelijk, begreep volledig wat er was ontdekt. Zo analyseerde Perrin dit vreemde monster. Hij en zijn collega's bevestigden dat het om een natuurlijk monster ging, dat een fusie had ondergaan toen de aarde nog een jonge planeet was.
Door de mens gemaakte kernsplijtingsreactoren werken door een kettingreactie zorgvuldig te controleren waarbij uranium-235-atomen door neutronen worden gesplitst, waarbij energie en meer neutronen vrijkomen, die vervolgens andere atomen splitsen. Om deze reactie in stand te houden, wordt "verrijkt uranium" gebruikt, wat de concentratie uranium-235 verhoogt. Het bouwen van dergelijke reactoren vereist geavanceerde technologie, precisietechniek en nauwgezette veiligheidsprotocollen. Het is niet iets wat je zomaar in de natuur zou verwachten.
Toch zorgde de natuur miljarden jaren geleden bij Oklo spontaan voor de juiste combinatie van uraniumconcentratie, water en geologische stabiliteit om een gecontroleerde splijtingsreactie in stand te houden.
Hoe creëer je een natuurlijke reactor?
In 1956 voorspelde chemicus Paul K. Kuroda dat natuurlijke kernsplijtingsreactoren zich onder de juiste omstandigheden konden vormen. Zijn werk trok enige aandacht, maar het sloeg niet meteen aan omdat de omstandigheden onwaarschijnlijk leken en weinigen (zo niet geen) mensen daadwerkelijk verwachtten zoiets te vinden.
Kuroda schatte dat de uraniumlaag minstens 0,66 meter dik zou moeten zijn om een natuurlijke kernsplijtingsreactie in stand te houden. Als de laag kleiner was, zou deze de kritische massa niet bereiken. De laag moest ook voldoende uranium-235 bevatten.
Twee miljard jaar geleden was uranium-235 veel overvloediger aanwezig dan nu. Destijds maakte het ongeveer 3 procent uit van het natuurlijk uranium, een hoeveelheid vergelijkbaar met het verrijkte uranium dat in moderne kernreactoren wordt gebruikt. Net als in moderne reactoren was er een "moderator" nodig om de neutronen te vertragen en de kans op kernsplijting te vergroten. In Oklo speelde grondwater deze cruciale rol. Door de neutronen te vertragen, maakte het water een aanhoudende kettingreactie mogelijk.
"Zonder iets dat de neutronen vertraagt, dat ze tempert, zoals in een door de mens gemaakte lichtwaterkernreactor, komen de splijtingsreacties gewoon tot stilstand. Bij Oklo fungeerde het water als moderator en controleerde de kettingreactie door de neutronen te absorberen", aldus Peter Woods, teamleider verantwoordelijk voor de uraniumproductie bij het Internationaal Atoomenergie Agentschap.
Het moest ook vrij zijn van elementen zoals boor of lithium, die neutronen absorberen en kernsplijting tegengaan. Gelukkig waren Oklo's afzettingen vrij van dergelijke 'verontreinigingen', waardoor de reactie kon plaatsvinden. Toen deze omstandigheden perfect samenkwamen, was het resultaat een natuurlijke kernreactor .
De oude reactor in Oklo werkte niet continu. Door gesteenten te dateren en eerdere activiteit te analyseren, hebben onderzoekers ontdekt dat de reactor in Oklo in cycli werkte.
Terwijl grondwater in de uraniumlagen sijpelde, temperde het de neutronen, waardoor splijting kon plaatsvinden. De reactie verhitte het water en bracht het uiteindelijk tot stoom. Zonder water om de neutronen te temperen, stopte de reactie.
"Dat is wat dit zo fascinerend maakt: dat tijd, geologie en wateromstandigheden samen dit mogelijk hebben gemaakt en het tot op de dag van vandaag bewaard hebben gelaten. Het detectiveverhaal is succesvol opgelost", aldus Woods.
Zodra het gebied afkoelde en er meer grondwater binnensijpelde, begon de reactie opnieuw. Deze cyclus herhaalde zich vervolgens honderdduizenden jaren lang. Onderzoek naar de Oklo-reactor concludeerde:
"Gedurende enkele honderdduizenden jaren werd ongeveer 15.000 megawattjaar aan splijtingsenergie geproduceerd, wat gelijkstaat aan het tien jaar laten draaien van een grote reactor van 1.500 MW."
Een natuurgebied als geen ander
Het nieuws over dit natuurverschijnsel verspreidde zich snel. In 1975 kwamen natuurkundigen van over de hele wereld bijeen in Libreville, Gabon, om te praten over wat bekend werd als het Oklo-fenomeen. De ontdekking was opmerkelijk. Ze onthulde dat de natuur kernenergie beheerste lang voordat de mens zich dat überhaupt had kunnen voorstellen. Hoewel sommige theoretische voorspellingen overeenkwamen met de waarnemingen, bleek het echter moeilijk te bewijzen wat er gebeurde. Er waren vier natuurlijk voorkomende hotspots, allemaal binnen dezelfde geologische structuur.
De sleutel tot het oplossen van deze puzzels lag in een onwaarschijnlijke bron: xenongas. Dit inerte (inactieve) gas, gevangen in de mineralen bij Oklo, diende als een tijdcapsule.
Tijdens kernsplijting worden verschillende xenonisotopen gevormd, en hun verhoudingen kunnen de omstandigheden onthullen waaronder kernsplijting plaatsvindt. Natuurkundige Alex P. Meshik analyseerde deze xenonisotopen en ontdekte dat ze aanwijzingen bevatten over de stabiliteit van de reactor. Het gevangen xenon suggereerde dat de splijtingsreacties van de reactor extreem stabiel waren en in- en uitschakelden naarmate de grondwaterstand veranderde.
Het xenon maakte ook duidelijk hoe de reactor uiteindelijk afsloeg: in de loop van de tijd raakte het uranium-235 geleidelijk uitgeput en daalde de brandstofvoorraad onder de kritische grens die nodig was om kernsplijting in stand te houden.
Hoewel de uraniummijnen van Oklo nu uitgeput zijn, leeft de erfenis van 's werelds enige bekende natuurlijke kernreactoren voort. Voorbeelden van Oklo-reactoren worden bewaard in musea zoals het Natuurhistorisch Museum van Wenen, waar bezoekers de gesteenten kunnen zien die door de splijtingsreactor van de natuur zijn geproduceerd.
Er bestaan wellicht nog andere natuurlijke reactoren, maar die zijn nog niet gevonden.
milliyet
