Energetyka jądrowa wydaje się wchodzić obecnie w okres swoistego renesansu; szczególnie w Azji i Europie planowany jest intensywny rozwój elektrowni jądrowych. Świat w coraz większym stopniu rozumie, że jest to najczystszy, najbezpieczniejszy i najtańszy (w przeliczeniu na wyprodukowaną kilowatogodzinę) sposób wytwarzania elektryczności. Energia atomowa została ujęta w Taksonomii UE i już tylko nieliczne europejskie kraje się jej sprzeciwiają, z powodów trudnych do pojęcia i wbrew opinii własnych obywateli (przykładowo w Niemczech niezadowolenie z zamknięcia sprawnych i mogących długo jeszcze działać elektrowni jądrowych wyraża ponad połowa ankietowanych). W 2021 roku energetyka jądrowa wytworzyła ponad ¼ wyprodukowanej na naszym kontynencie elektryczności (choć niestety spalanie paliw kopalnych i biomasy, odpowiadających za ogromne zanieczyszczenie powietrza i emisję wielkich ilości CO₂, wciąż stanowi główne źródło prądu, bo około 36%).
Być może części z nas produkcja elektryczności w oparciu o reakcje jądrowe wydaje się nienaturalna w porównaniu z „klasycznymi” metodami, takimi jak czerpanie energii z ruchu wody i powietrza albo spalanie drewna lub węgla. W końcu przy ogniu (opalanym drewnem, ewentualnie torfem – węgiel do celów grzewczych i produkcji energii zaczęto stosować na szerszą skalę dopiero w czasach rewolucji przemysłowej, gdy potrzebne było wydajniejsze paliwo dla maszyn parowych) grzali się już przodkowie Homo sapiens, koła wodne są znane co najmniej od III wieku p.n.e., a wiatraki – od IX wieku naszej ery. Natomiast pierwszy reaktor jądrowy został zbudowany przez zespół Enrico Fermiego w 1942 roku (w Chicago), a pierwszą elektrownię jądrową uruchomiono dopiero w 1954 roku.
Jednak i w tym przypadku natura wyprzedziła ludzi. Oczywiście dobrze wiemy, że reakcje jądrowe zachodzą w przyrodzie przez cały czas, często w takim tempie, że wydzielająca się w ich wyniku energia mierzalnie zwiększa temperaturę skał. W pierwszych fazach istnienia naszej planety zawartość radioaktywnych izotopów w skałach była tak duża, że rozgrzały one skorupę do 1000°C i utrzymywały tę temperaturę tak długo, że zdążyła zajść grawitacyjna segregacja pierwiastków. W wierzchnich warstwach Ziemi pozostały głównie te lżejsze, takie jak magnez, sód, glin, tlen, krzem. Powierzchniowe złoża ciężkich pierwiastków powstały już po zastygnięciu powierzchni – w wyniku działalności wulkanicznej lub upadków asteroid.
W 1972 roku odkryto, że ruda uranu pochodząca z kopalni Oklo (Gabon, Afryka) zawiera zbyt mały procent izotopu U-235. Z uwagi na naturalne reakcje jądrowe obecnie rudy uranu na całym świecie zawierają 0,72% tego izotopu, podczas gdy złoża w Oklo zawierały go 0,5-0,6%. Wykryto tam natomiast zwiększone stężenie izotopów będących produktami przemian jądrowych, zwłaszcza neodymu-143 (24% w porównaniu z 12% w innych, typowych złożach). Wszystko to wskazywało, że musiały tam zachodzić indukowane reakcje jądrowe, a nie tylko samorzutne procesy rozpadu.
Kiedy to miało miejsce? Odpowiedź brzmi: wtedy, kiedy stężenie uranu-235 było odpowiednio duże, czyli przekraczało 3%. Na podstawie okresu półtrwania tego izotopu udało się wyliczyć, że było tak około dwóch miliardów lat temu. Musiały też zostać spełnione pozostałe wymogi obowiązujące w przypadku reaktorów budowanych przez człowieka: odpowiednio mała zawartość zmiataczy wolnych neutronów, obecność moderatora (czyli substancji, która spowalnia neutrony emitowane przez rozpadające się jądra atomowe, odbierając tym neutronom część energii) i odpowiednie rozmiary (strefy, w których zachodziły łańcuchowe reakcje jądrowe w Oklo, miały szerokość rzędu metrów i grubość około 10 cm).
Moderatorem była w tym przypadku przesiąkająca przez skały woda z miejscowej rzeki, która odgrywała też rolę koncentratora (transportując rozpuszczalne związki uranu aż do nagromadzenia się masy krytycznej) i chłodziwa. Dzięki niej reaktor w Oklo działał przez mniej więcej 200 milionów lat, aż do ostatecznego spadku stężenia odpowiednich izotopów poniżej wartości umożliwiającej reakcję łańcuchową. Warto dodać, że reaktor ten działał jak reaktor powielający, to znaczy sam produkował sobie dodatkowe paliwo, przemieniając nieaktywny uran-238 w pluton-239. Podobne miejsce odkryto też w Bangombé w Gabonie.
W złożach w Oklo istniało 16 stref będących naturalnymi reaktorami jądrowymi. Moc tych reaktorów wynosiła średnio 100 kW. Szacuje się, że w złożu uległo rozszczepieniu około 5 ton ²³⁵U, a temperatura podnosiła się w trakcie procesu o kilkaset stopni Celsjusza (dlatego reaktory działały zapewne okresowo, z fazami stygnięcia powodowanymi przez odparowanie wody).
Co ciekawe, jednym z podstawowych warunków, który musiał zostać spełniony, aby w ogóle mogło dojść do opisywanego zjawiska, jest obecność wolnego tlenu w atmosferze. Tlenu na Ziemi nigdy nie brakowało (wspomniałem już kiedyś, że tlen jest na trzecim miejscu pod względem rozpowszechnienia pierwiastków we Wszechświecie), jednak w fazie „magmowej Ziemi” przereagował on z reaktywnymi pierwiastkami i został w całości związany w skałach. Ponownie pojawił się dopiero po powstaniu organizmów zdolnych do fotosyntezy, które wytwarzały go jako produkt uboczny tego procesu. Pojawienie się wolnego tlenu w środowisku miało wiele następstw: spowodowało np. katastrofę ekologiczną wśród organizmów anaerobowych, które nie miały mechanizmów obronnych chroniących je przed tak agresywnym pierwiastkiem; utleniło rozpuszczalne w wodzie związki żelaza(II) do trudno rozpuszczalnych związków żelaza(III) (dzięki czemu uformowały się ważne dla naszej cywilizacji wstęgowe złoża żelaza). Wywołało też odwrotny proces w przypadku związków uranu – połączenia uranu na wyższych stopniach utlenienia są lepiej rozpuszczalne niż te na niższym, a ich rozpuszczenie się w wodzie było niezbędne dla odpowiedniego skoncentrowania uranu-235.
Można zatem powiedzieć, że pierwszy reaktor jądrowy na Ziemi został zbudowany nie przez zespół Fermiego, a przez sinice i glony…
Tekst pierwotnie opublikowany w grupie dla nauczycieli chemii wydawnictwa Nowa Era na Facebooku.
[źródła: Krzysztof Zberecki, Naturalny reaktor w Oklo, 1.04.2001, http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mtj/zal00/Zberecki/oklo.htm; Krzysztof Orliński, Naturalny reaktor jądrowy, „Wiedza i Życie” 5/2016, https://www.wiz.pl/srodowisko/2116873,1,naturalny-reaktor-jadrowy.read; Wikipedia; hasło „Płaszcz Ziemi” w encyklopedii PWN, https://encyklopedia.pwn.pl/materialy-dodatkowe/haslo/Plaszcz-Ziemi;493114.html]
[źródła ilustracji: cytowany artykuł internetowy Krzysztofa Zbereckiego, Wikipedia, posty z grupy Zielony Atom na Facebooku]