Tyto přírodní jaderné reaktory v Oklo tam pracovalo asi dvě miliardy let. Našli jsme v uranovém dole Oklo poblíž města Franceville v provincii Haut-Ogooué v Gabonu fosilní zbytky přírodních jaderných reaktorů , kde by mohly proběhnout samonosné řetězové reakce jaderného štěpení , dlouho před objevením lidí. .
V roce 1972 francouzský fyzik Francis Perrin objevil ve vojenském obohacovacím závodě Pierrelatte stopy tohoto jevu v uranu z uranového dolu Oklo provozovaného společností na těžbu uranu Franceville (Comuf). Jedná se o dosud jediné přírodní jaderné reaktory na světě. Ve srovnání s jadernými reaktory vyrobenými člověkem měli velmi nízký výkon, ale vzbudili velký zájem vědců u Francouzské komise pro atomovou energii (CEA).
Gabon byl francouzskou kolonií, když CEA provedla první analýzy podloží ze základny MABA ve Franceville , přesněji prostřednictvím jejího průmyslového odvětví, které se později stalo Cogemou , což vedlo v roce 1956 k objevení ložisek uranu v této oblasti.
Francie téměř okamžitě otevřela doly, spravované Compagnie des mines d'uranium de Franceville (COMUF), na využívání zdrojů poblíž vesnice Mounana . Po získání nezávislosti , v roce 1960 , dostal stát Gabon malou část zisků společnosti.
„Fenomén Oklo“ byl objeven v roce 1972 laboratoří závodu na obohacování uranu ve Pierrelatte ve Francii. Rutinní analýzy na vzorku hexafluoridu uranu (UF 6) z dolu Oklo odhalil mírný, ale abnormální deficit uranu 235 ( 235 U). Normální podíl 235 U je 0,7202%, zatímco vzorky představovaly pouze 0,7171%. Protože množství štěpných izotopů je přesně katalogizováno, musel být tento rozdíl vysvětlen; CEA rovněž zahájilo vyšetřování . Byla provedena série odečtů izotopového složení uranu z Okla (a dalších dolů), která odhalila významné rozdíly; podíl 235 U v některých vzorcích rudy poklesl na 0,440%. Tento zjevný deficit 235 U je přesně to, co by se dalo očekávat od použitého jaderného paliva po štěpení v jaderném reaktoru.
Takový jev byl teoreticky věrohodný a o to věrohodnější, jak se vracíme do minulosti. Před dvěma miliardami let byly stupně těchto ložisek uranu 235 mnohem vyšší (3,813%) než dnes (0,7202%), dostatečně vysoké, aby dosáhly kritičnosti a vyvolaly řetězovou reakci. Tyto usazeniny také splňovaly dvě další podmínky: přítomnost vody jako moderátoru reakce a nepřítomnost kovů nebo minerálů, které absorbují příliš mnoho neutronů, například chloru. Jelikož je však uran relativně snadno mobilizovatelný vodou, je vysoce nepravděpodobné, že by důkazy o takovém jevu mohly přežít v geologických dobách. Bylo zváženo několik hypotéz, které vysvětlují izotopové anomálie Okla (mírný pokles hladiny 235 U ve většině místních rud a obohacení v několika případech), ale objev stop štěpných produktů definitivně podpořil tezi spontánního jaderného reaktoru.
Podle geologických průzkumů a studia vzorků odebíraných na místě byly reakčními ložisky oblasti nejbohatší na rudu s velmi vysokým obsahem uranu (zavedeno před asi 1,95 miliardami let).
Nejméně 500 tun uranu by se účastnilo jaderných reakcí, při nichž by se uvolnilo množství energie odhadované na zhruba 100 miliard kWh . Integrál toku neutronů v některých bodech překročil 1,5 × 10 21 n / cm 2 a v některých vzorcích obsah 235 U poklesl na 0,29% (ve srovnání s 0,72% v normálním geologickém uranu). Výskyt takového jevu znamená výjimečnou kombinaci okolností, včetně působení mechanismů ovládajících tyto reakce, které dosud nebyly zcela objasněny.
Přirozený jaderný reaktor je ložisko uranu, kde analýzy ukazují příznaky soběstačné řetězové reakce jaderného štěpení. Fenomén přírodního reaktoru charakterizuje francouzský fyzik Francis Perrin . Podmínky, za kterých soběstačnou přirozená reakce může dojít byly popsány v roce 1956 Paul Kazuo Kuroda (v) na University of Arkansas ; podmínky v Oklo se blíží teoretickým předpovědím.
Byla předložena hypotéza o homologní situaci v Brazílii, protože v době vzniku ložiska Oklo nebyla Jižní Amerika a Afrika ještě odděleny. Colorado Plateau byl také citován jako obsahující o něco méně obohacený uran, než je obvyklá hodnota. Oklo však zůstává jediným známým umístěním zachovaného přírodního jaderného reaktoru; Šestnáct lokalit bylo objeveno v Oklo a jedno v Bangombé, asi třicet kilometrů daleko, se stopami štěpných reakcí z doby 1,95 miliardy let.
Hostitelská hornina mineralizace pánve Franceville je diferencovaný pískovec fluviálního až fluviálně deltaického původu, kde je uran vždy „úzce spojen s organickou hmotou “ s mineralizací, která byla ovlivněna stratigrafickými, sedimentologickými a tektonickými faktory. (Syn- a post-sedimentace).
NeodymNeodym nalézt na Oklo má jinou izotopového složení než ten, který Nd nalezeno jinde na Zemi: Nd typický obsahuje 27% 142 Nd; to Oklo obsahuje méně než 6% a obsahuje více než 143 Nd. Složení odpovídá složení štěpného produktu 235 U.
RutheniumRuthenia nalézt na Oklo má vysokou koncentraci 99 Ru (27-30%, ve srovnání s 12,7% typicky). Tento přebytek lze vysvětlit rozpadem 99 Tc (štěpný produkt) na 99 Ru.
Přirozený jaderný reaktor vzniká, když je ložisko rudy bohaté na uran zaplaveno vodou : vodík ve vodě pak působí jako moderátor neutronů a transformuje „rychlé neutronové“ záření na „pomalé neutrony“, čímž zvyšuje jejich pravděpodobnost, že budou absorbováno 235 atomy uranu a štěpení (zvýšení reaktivity). Tím se zahájí řetězová reakce jaderného štěpení. Jak se reakce zesiluje, zvyšuje se teplota, voda se odpařuje a uniká, což zpomaluje reakci (více rychlých neutronů a méně pomalu) a brání reaktoru v závodění. Jakmile teplota klesne, voda znovu protéká a reakce se opět zvyšuje atd.
Ve společnosti Oklo reakce trvala několik set tisíc let (mezi 150 000 a 850 000 lety). Štěpením uranu vzniká pět izotopů xenonu , které byly navzdory těkavosti chemického těla všechny nalezeny ve zbytcích reaktorů v různých koncentračních úrovních; to naznačuje, že rychlost reakce byla cyklická (viz vysvětlení výše). Na základě koncentrací měla být doba přibližně dvě a půl hodiny.
Odhaduje se, že tyto přírodní reaktory spotřebuje asi šesti tun 235 U (viz průmyslové aplikace ), a pracuje při výkonu 100 kW , produkovat oblasti upraví na teplotu několika set ° C . Neprchavé štěpné produkty se za dvě miliardy let posunuly jen o několik centimetrů a poskytly případovou studii migrace radioaktivních izotopů v zemské kůře s využitím při hlubokém ukládání odpadu jaderného průmyslu.
Na jedné straně mohla taková reakce začít, protože v době, kdy došlo k vytvoření ložiska a když reaktory začaly fungovat, byla část štěpného izotopu 235 U v přírodním uranu (podíl jader) řádově 3,66%, což je hodnota blízká hodnotě obohaceného uranu používaného v současných jaderných reaktorech. Vzhledem k tomu, že uran 235 má nižší radioaktivní poločas než uran 238 , jeho relativní hojnost v průběhu času klesá. Podíl je dnes 0,7202%: přirozený jaderný reaktor, jako je reaktor v Oklo, proto již nelze vytvářet.
Na druhou stranu je uran rozpustný ve vodě pouze v přítomnosti kyslíku. Když voda bohatá na kyslík eroduje uranovou rudu, rozpouští oxidovaný uran (+6 nebo VI ) a znovu ho ukládá, když ztrácí kyslík, čímž zvyšuje koncentraci uranu tam, kde je redukován (U + 4). Přítomnost kyslíku - a dalších geologických jevů - je nezbytná ke zvýšení koncentrace uranu. Jedná se o zvýšení obsahu kyslíku v zemské atmosféře asi před dvěma miliardami let v důsledku biochemické aktivity, což vysvětluje, proč reakce začala v této době, a ne dříve, ačkoli koncentrace 235 U byly zpočátku ještě vyšší.
Další experimentální měření byla provedena díky lokalitě Oklo. V roce 1976 tedy Alex Shlyakhter (en) navrhl měřit početnost 149 Sm (samarium) k odhadu průřezu zachycení neutronů tímto izotopem v době Okla a jeho porovnání se současnou hodnotou.
Hodnota 1,95 miliardy let je nyní stanovena po mnoha fyzikálních studiích a měřeních prováděných na místě. Mezi prvky, které přispěly k vytvoření prvního hrubého odhadu, patří:
Hluboko ukládáním radioaktivních odpadů se skládá z klimatizačního radioaktivních odpadů v uzavřených nádobách a uložením do komor vyhloubených v geologicky stabilních vrstvách, v hloubce 500 a 1000 metrů.
Během provozu vyprodukovaly přírodní reaktory 5,4 tun štěpných produktů, 1,5 tuny plutonia a dalších transuranových prvků. Všechny tyto prvky zůstaly uzavřené až do svého objevu, a to navzdory skutečnosti, že v nich proudí voda a nepřicházejí v chemicky inertních formách.
Lokalita Oklo by proto ilustrovala schopnost místních geologických vrstev izolovat radioaktivní materiály. Podle disertační práce z University of Orsay tedy:
"Mineralogická pozorování, chemické analýzy a izotopové analýzy na celkové hornině nám umožnily dospět k závěru, že část radioelementů a jejich potomků zůstala koncentrována v reakčních zónách spojených se sekundárními minerálními fázemi, zatímco další frakce migrovala na okraj reaktoru." V závislosti na intenzitě jaderných reakcí a přítomnosti nebo nepřítomnosti facie vlasové hlíny, která často představuje přechodnou facii mezi jádrem reaktoru a okolním pískovcem, zůstávaly radioaktivní prvky koncentrované na okraji reaktoru nebo migrovaly do prvních metrů masivního pískovce. […] Hlavní poznatky získané z této práce pro odstraňování vysoce aktivního jaderného odpadu se týkají dlouhodobé stability oxidů uranu v redukujícím geologickém prostředí a retenční kapacity sekundárních minerálních fází a jílové bariéry s ohledem na na několik rádiových prvků. Naše výsledky také naznačují, že rozhraní mezi různými umělými bariérami úložiště může omezit migraci radioelementů v blízkém poli. Tato studie navíc potvrzuje, že přenosy radioelementů mohou probíhat prasklinami. "
Tento příklad přirozeného zadržování byl uváděn jako argument ve prospěch podzemního skladování a pokračoval výzkum v souvislosti s projekty podzemního skladování radioaktivního odpadu; vláda Spojených států cituje a extrapoluje pozorování učiněná v Oklu při vyšetřování možnosti otevření úložiště na hoře Yucca :
"Když se tyto přirozené podzemní jaderné řetězové reakce zastavily, příroda ukázala, že je schopna účinně zadržet odpad produkovaný reakcemi." V místě likvidace radioaktivního odpadu nikdy nedojde k žádné řetězové reakci. Pokud by však mělo být v pohoří Yucca vybudováno úložiště, vědci by se spoléhali na to, že geologie lokality bude obsahovat radionuklidy generované tímto odpadem se stejnou účinností. "
Vzhledem k tomu, že lokalita Oklo je velmi starým prostředím, které je neustále upravováno, nemůže představovat model nebo odkaz na místo pro ukládání radioaktivního odpadu; představuje však jedinečný příklad dlouhodobého chování určitých produktů vznikajících při jaderných reakcích v přírodním prostředí a poskytuje konkrétní informace o vlastnostech jílu z hlediska zadržení. V tomto případě je to přítomnost organické hmoty spojené s minerály Fe II / Fe III ( železo II a železo III ) v „redoxní nárazníkové zóně“ kolem přírodního reaktoru, což vysvětluje konzervaci uraninitu v reakční zóně a nízká migrace uranu v geologickém čase.
Je to také 30 km odtud, kde najdeme dosud známé nejstarší stopy mnohobuněčných organismů (2020) ze stejného období, fosilní skupinu Franceville : CNRS v roce 2010 oznámila objev stop organizovaného mnohobuněčného života ve Franceville. včerven 2014, potvrzuje tento objev novými makroskopickými fosiliemi o velikosti až 17 cm a potvrzuje stáří 2,1 miliardy let.
Toto datum je přibližně stejné jako datum, kdy byl reaktor v provozu. Tyto dva jevy jsou nezávislé, ale důsledkem jejich geografické blízkosti je, že datování vrstev obsahujících fosilie bylo velmi rychle přijato, oblast je francouzským geologům velmi dobře známa.
Takový objev narušuje stav současných znalostí, které do té doby považovaly nejstarší makroskopické zvířecí fosilie z doby před 565 až 550 miliony let ( ediacaranská fauna ).