Natürlicher Reaktor

Geologische Voraussetzungen des Naturreaktors in der Oklo-Mine:
1. Reaktorzonen,
2. Sandstein,
3. Erzflöz,
4. Granitstock

Bei dem Naturreaktor Oklo in Gabun handelt es sich um eine Uranlagerstätte, in der durch natürlich entstandene Urankonzentration eine nukleare Kettenreaktion einsetzte. Die hohe Urankonzentration entstand vor ca. 2 Milliarden Jahren, also im Erdzeitalter des Proterozoikum. Der Kernreaktor war ca. 500.000 Jahre lang aktiv und setzte während dieses Zeitraums, bei einer thermischen Leistung von bis zu 100 kW, Energie im unteren dreistelligen TWh-Bereich frei. Das entspricht in etwa der Energiemenge, die ein durchschnittliches Kernkraftwerk in einem Zeitraum von 4 Jahren erzeugt. Im Zuge dessen wurden insgesamt mehrere Tonnen Uran nuklear gespalten und eine entsprechende Menge Plutonium erzeugt.

Geschichte

Bereits 1956 wurde von Paul K. Kuroda (USA) die Möglichkeit der Existenz von Naturreaktoren erörtert. Die notwendigen Voraussetzungen für die Aufrechterhaltung eines Kernspaltungsprozesses sind:

• die ausreichende Menge und Konzentration spaltbarer Isotope wie z. B. ²³⁵U
• die Abwesenheit von Stoffen wie z. B. Blei oder Cadmium, die freie Neutronen absorbieren und so dem Prozess entziehen.
• die Anwesenheit eines Moderators aus leichten Atomen wie z. B. Wasser zum Abbremsen der schnellen Neutronen.

Seine These wurde kontrovers diskutiert, da man ein Zusammentreffen dieser Bedingungen in der freien Natur für zu unwahrscheinlich hielt.

1972 entdeckte der französische Physiker Francis Perrin in der Urananreicherungsanlage von Eurodif in Pierrelatte (Frankreich) eine Anomalie im Isotopenverhältnis von UF₆, das aus dem Uranerz der Oklo-Mine aus Gabun gewonnen worden war. Insbesondere das Isotop ²³⁵U wies einen im Vergleich zu allen anderen auf der Welt befindlichen Lagerstätten niedrigeren Anteil auf. Statt des üblichen Anteils von 0,7202 % wurde nur ein Anteil von 0,7171 % ²³⁵U (0,0031 % weniger) gemessen^[1]. Diese Differenz mag zunächst irrelevant erscheinen. Da aber das Isotopenverhältnis im Natururan auf der Erde, im Mondgestein und auch bei gefundenen Meteoriten sehr exakt bei 0,7202 % für ²³⁵U liegt, wurde dies als eine „deutliche Abweichung“ interpretiert. Es wurden später in anderen Proben aus der Oklo-Mine sogar noch geringere ²³⁵U-Anteile gemessen.

Die ersten Erklärungsversuche zogen frühere oberirdische Kernwaffenexperimente als Ursache in Betracht. Die damit verbundenen kurzlebigen Isotope konnten jedoch nicht gefunden werden, sodass diese Theorie verworfen wurde. Die daraufhin angestellten Untersuchungen führten zur Entdeckung des Reaktors. Als der Reaktor vor ca. 2 Milliarden Jahren aktiv war, betrug sein ²³⁵U-Anteil ca. 3 % (Die Halbwertszeit von ²³⁵U beträgt ca. 704 Millionen Jahre). Da der Reaktor längst erloschen ist, fehlen in seinem Umfeld alle Reaktionsprodukte kurzer Halbwertszeit. Reaktionsprodukte längerer Halbwertszeit existieren in genau jenem Isotopenverhältnis, wie man es von einem Reaktor mit verbrauchtem Brennstoff erwartet. Beispielsweise unterscheidet sich das Isotopenverhältnis bei Neodym im Oklo-Erz deutlich vom Weltdurchschnitt: nur 6 % ¹⁴²Nd statt der üblichen 27 %.

Funktionsweise

Neue Untersuchungen zeigen, dass dieser natürliche Reaktor durch Zufluss von (Grund-)Wasser moderiert wurde, was eine zyklische Aktivität nach sich zog: Etwa 30 Minuten lang bremste das Wasser die Neutronen auf die erforderliche Geschwindigkeit für die Kernspaltung ab. Dabei erhitzte es sich und verdampfte. Ohne Wasser waren die Neutronen zu schnell für eine Kettenreaktion, was zur Folge hatte, dass diese zeitweilig zum Erliegen kam. In dieser Zeit – etwa 2 bis 2,5 Stunden – lief Wasser nach, bis wieder genügend für die Kettenreaktion vorhanden war und der Zyklus von vorne begann.

Forschung

Für die moderne Wissenschaft liefern Naturreaktoren äußerst interessante Erkenntnisse. Sie lassen unter anderem Rückschlüsse darauf zu, wie sich radioaktive Stoffe in der Natur verbreiten, was im Hinblick auf die Planung atomarer Endlager große Bedeutung hat.

Das vorgefundene Verhältnis von Nukliden lässt einen Rückschluss darauf zu, dass vor 2 Milliarden Jahren die Kernreaktionen genauso abliefen wie heute, und setzt damit einer möglichen Veränderung von Naturkonstanten, insbesondere der Feinstrukturkonstanten, enge Grenzen.^[2]

Weitere Naturreaktoren

Mittlerweile sind die Überreste von insgesamt 17 Naturreaktoren in Oklo und im 30 km entfernten Bangombé entdeckt worden.

Ihre Aktivitäten kamen vor mindestens ca. 1,5 Milliarden Jahren zum Erliegen, da sich der natürliche Isotopenanteil von ²³⁵U zu diesem Zeitpunkt so weit reduziert hatte, dass die Bedingungen für selbsterhaltende Spaltungsprozesse nicht mehr gegeben waren.

Siehe auch

• Funktionsprinzip eines Kernreaktors

Literatur

• A. P. Meshik, C. M. Hohenberg, O. V. Pravdivtseva: Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon, Phys. Rev. Lett. 93, 182302, The American Physical Society, 27 Oct 2004
• A. P. Meshik: Natürliche Kernreaktoren, Spektrum der Wissenschaft 2006/06, S. 84-90
• Paul K. Kuroda: The origin of the chemical elements and the Oklo phenomenon. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11679-6

Einzelnachweise

1. ↑ Robert Loss (25. Oktober 2005). Oklo Fossil Reactors -Who discovered these Natural Fossil Reactors?. Curtin University of Technology Australia. Abgerufen am 8. Februar 2009.
2. ↑ C. R. Gould, E. I. Sharapov, S. K. Lamoreaux, Time-variability of alpha from realistic models of Oklo reactors, Phys. Rev. C 74, 024607 (2006)arXiv:nucl-ex/0701019

Weblinks

• Gibt es natürliche Reaktoren?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)
• http://www.kernenergie-wissen.de/oklo.html
• Kernreaktoren und nukleare Endlager - eine Erfindung des Menschen?
• Artikel aus Spiegel Online vom 03. November 2004
• The Oklo Fossil Fission Reactors (in Englisch)
• Oklo's Natural Fission Reactors (in Englisch; mit Foto des heutigen Minen-Geländes)
• NASA Astronomy Picture of the Day, 16.Oktober 2002

-1.394444444444413.1608333333337Koordinaten: 1° 24′ S, 13° 10′ O