مفاعل الانشطار النووي الطبيعي

المفاعل النووي الانشطاري الطبيعي هو رواسب يورانيوم تحدث فيها تفاعلات نووية متسلسلة ذاتية الاستدامة . وقد استكشف بول كورودا فكرة وجود مفاعل نووي في الموقع داخل جسم خام مُهَدَّأ بواسطة المياه الجوفية لفترة وجيزة عام 1956. ^{[ 1 ]} وقد تم إثبات وجود مفاعل نووي انشطاري منقرض، أو أحفوري ، حيث حدثت تفاعلات نووية ذاتية الاستدامة في الماضي، من خلال تحليل نسب نظائر اليورانيوم ونواتج الانشطار (والنظائر المستقرة الناتجة عن تلك النواتج). وكان أول اكتشاف لمثل هذا المفاعل عام 1972 في أوكلو ، الغابون ، على يد باحثين من هيئة الطاقة الذرية الفرنسية (CEA) عندما لاحظ الكيميائيون الذين يقومون بمراقبة الجودة للصناعة النووية الفرنسية انخفاضًا حادًا في نظير اليورانيوم ^{235 القابل للانشطار.}U في سداسي فلوريد اليورانيوم الغازي المصنوع من خام غابوني.

أوكلو هي الموقع الوحيد المعروف بحدوث هذه الظاهرة فيه، وتتألف من ستة عشر موقعًا تحتوي على طبقات من الخام بحجم سنتيمترات . يُعتقد أن تفاعلات الانشطار النووي المستدامة ذاتيًا قد حدثت هناك قبل حوالي 1.7 مليار سنة، خلال العصر الستاتيري من حقبة ما قبل الكامبري . استمر الانشطار في خام أوكلو بشكل متقطع لبضع مئات الآلاف من السنين، وربما لم يتجاوز 100 كيلوواط من الطاقة الحرارية. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} كانت الحياة على الأرض في ذلك الوقت تتألف في الغالب من الطحالب البحرية وأولى حقيقيات النوى ، التي تعيش في جو يحتوي على 2% من الأكسجين . ومع ذلك، من المرجح أن هذا الأكسجين الضئيل كان ضروريًا لتركيز اليورانيوم في أجسام خام قابلة للانشطار، حيث لا يذوب اليورانيوم في الماء إلا في وجود الأكسجين. قبل إنتاج الأكسجين على نطاق كوكبي بواسطة الكائنات الحية المبكرة التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي ، يُعتقد أنه لم يكن من الممكن وجود مفاعلات نووية طبيعية مُهدَّأة بالمياه الجوفية. ^{[ 4 ]}

في مايو 1972، في موقع تخصيب اليورانيوم تريكاستين في بييرلات، فرنسا، أظهر التحليل الطيفي الكتلي الروتيني الذي يقارن عينات UF ₆ من منجم أوكلو تباينًا في كمية ²³⁵نظير اليورانيوم . حيث تكون التركيزات المعتادة لـ ²³⁵كانت نسبة U 0.72%، بينما أظهرت عينات أوكلو 0.60% فقط. كان هذا فرقًا كبيرًا، حيث احتوت العينات على نسبة أقل بنسبة 17% من ^235.كانت نسبة اليورانيوم أقل من المتوقع. ^{[ 5 ]} استدعى هذا التباين تفسيراً، إذ يجب على جميع منشآت معالجة اليورانيوم المدنية حصر جميع النظائر الانشطارية بدقة لضمان عدم تحويل أي منها إلى بناء أسلحة نووية غير مرخصة . علاوة على ذلك، ولأن المواد الانشطارية هي السبب الرئيسي لاستخراج اليورانيوم، فإن نسبة الـ 17% المفقودة تُشكل أيضاً مصدر قلق اقتصادي مباشر.

وهكذا، بدأت هيئة الطاقة الذرية الفرنسية (CEA) تحقيقًا. وأظهرت سلسلة من القياسات للوفرة النسبية لنظيري اليورانيوم الأكثر أهمية المستخرجين من أوكلو نتائج شاذة مقارنةً بتلك التي تم الحصول عليها لليورانيوم من مناجم أخرى. وكشفت تحقيقات إضافية في هذا الرواسب عن خام يورانيوم يحتوي على نظير ²³⁵انخفض تركيز اليورانيوم إلى 0.44% (أي أقل بنحو 40% من القيمة الطبيعية). كما أظهر الفحص اللاحق لنظائر نواتج الانشطار، مثل النيوديميوم والروثينيوم ، شذوذًا، كما هو موضح بمزيد من التفصيل أدناه. ومع ذلك، فإن النظير المشع النزري ²³⁴لم يختلف تركيز اليورانيوم بشكل ملحوظ عن تركيزه في العينات الطبيعية الأخرى. عادةً ما يحتوي كل من اليورانيوم المستنفد واليورانيوم المعاد معالجته على ²³⁴تركيزات اليورانيوم تختلف اختلافًا كبيرًا عن التوازن العلماني البالغ 55 جزءًا في المليون ²³⁴U بالنسبة إلى ²³⁸U. هذا بسبب ²³⁴يتم إثراء U مع ²³⁵وذلك بسبب استهلاكه عن طريق التقاط النيوترونات وإنتاجه من ²³⁵يتفاعل اليورانيوم بواسطة تفاعلات (ن،2ن) المحفزة بالنيوترونات السريعة في المفاعلات النووية. في أوكلو، أي انحراف محتمل لليورانيوم ²³⁴كان تركيز اليورانيوم الموجود وقت تشغيل المفاعل قد انخفض منذ زمن طويل. ²³⁶لا بد أن اليورانيوم كان موجودًا أيضًا بنسب أعلى من المعتاد خلال فترة تشغيل المفاعل، ولكن نظرًا لعمر النصف له البالغ2.348 × 10 ⁷ سنوات، وهي مدة أقصر بنحو مئتي ضعف من المدة الزمنية التي انقضت منذ تشغيل المفاعل، وقد انخفضت إلى ما يقارب1.4 × 10 ⁻²² قيمتها الأصلية وأقل من أي قدرات للأجهزة الحالية للكشف عنها.

هذه الخسارة في ^{عام 235}إن ما يحدث بالضبط في المفاعل النووي هو U. أحد التفسيرات المحتملة هو أن خام اليورانيوم كان يعمل كمفاعل انشطار طبيعي في الماضي الجيولوجي البعيد. أدت ملاحظات أخرى إلى نفس النتيجة، وفي 25 سبتمبر 1972، أعلنت هيئة الطاقة الذرية الفرنسية (CEA) اكتشافها أن تفاعلات نووية متسلسلة ذاتية الاستدامة قد حدثت على الأرض قبل حوالي ملياري سنة. لاحقًا، تم اكتشاف مفاعلات انشطار نووي طبيعية أخرى في المنطقة. ^{[ 4 ]}

تشكّل المفاعل النووي الطبيعي في أوكلو عندما غمرت المياه الجوفية رواسب معدنية غنية باليورانيوم ، والتي كانت بمثابة مُهدئ للنيوترونات الناتجة عن الانشطار النووي. حدث تفاعل متسلسل ، مُنتجًا حرارةً تسببت في تبخر المياه الجوفية؛ ولكن بدون مُهدئ يُبطئ النيوترونات، تباطأ التفاعل أو توقف. ولذلك، كان للمفاعل معامل فراغ تفاعلي سالب ، وهو ما يُستخدم كآلية أمان في مفاعلات الماء الخفيف التي صنعها الإنسان . بعد تبريد الرواسب المعدنية، عادت المياه، وبدأ التفاعل من جديد، مُكملاً دورة كاملة كل 3 ساعات. استمرت دورات تفاعل الانشطار لمئات الآلاف من السنين، وانتهت عندما لم تعد المواد الانشطارية المتناقصة باستمرار، بالإضافة إلى تراكم سموم النيوترونات ، قادرة على دعم التفاعل المتسلسل.

ينتج عن انشطار اليورانيوم عادةً خمسة نظائر معروفة لغاز الزينون الناتج عن الانشطار ؛ وقد وُجدت جميعها محتجزة في بقايا المفاعل الطبيعي، بتراكيز متفاوتة. تُمكّن تراكيز نظائر الزينون، التي وُجدت محتجزة في التكوينات المعدنية بعد ملياري عام، من حساب الفترات الزمنية المحددة لتشغيل المفاعل: حوالي 30 دقيقة من التفاعل الحرج، تليها ساعتان و30 دقيقة من التبريد (مع انخفاض أُسّي في حرارة الاضمحلال المتبقية ) لإكمال دورة مدتها 3 ساعات. ^{[ 6 ]} يُعدّ الزينون-135 أقوى سمّ نيوتروني معروف. ومع ذلك، لا يُنتج مباشرةً بكميات ملحوظة، بل كناتج اضمحلال لليود-135 (أو أحد نظائره الأصلية ). الزينون-135 نفسه غير مستقر، ويتحلل إلى السيزيوم-135 إذا لم يُسمح له بامتصاص النيوترونات. على الرغم من أن السيزيوم-135 يتميز بعمر طويل نسبيًا، إلا أن كل السيزيوم-135 الذي أنتجه مفاعل أوكلو قد تحلل لاحقًا إلى الباريوم-135 المستقر . في الوقت نفسه، يتحلل الزينون-136، وهو ناتج التقاط النيوترونات في الزينون-135، ببطء شديد عبر تحلل بيتا المزدوج ، وبالتالي تمكن العلماء من تحديد خصائص النيوترونات لهذا المفاعل من خلال حسابات تستند إلى نسب النظائر هذه بعد ما يقرب من ملياري عام من توقفه عن انشطار اليورانيوم.

كان أحد العوامل الرئيسية التي جعلت التفاعل ممكناً هو أنه في الوقت الذي وصل فيه المفاعل إلى حالة حرجة قبل 1.7  مليار سنة، كان النظير الانشطاري ²³⁵شكّل اليورانيوم حوالي 3.1% من اليورانيوم الطبيعي، وهي نسبة مماثلة للكمية المستخدمة في بعض المفاعلات النووية الحالية. (أما النسبة المتبقية البالغة 96.9% فكانت من اليورانيوم ^-238).يو وحوالي 55 جزءًا في المليون ²³⁴( وهما ليسا قابلين للانشطار بواسطة النيوترونات البطيئة أو المعتدلة.) لأن ²³⁵يتمتع اليورانيوم بنصف عمر أقصر من النظير ²³⁸وبالتالي يتحلل بسرعة أكبر، ويبلغ وفرته الحالية ²³⁵نسبة اليورانيوم في اليورانيوم الطبيعي لا تتجاوز 0.72%. ولذلك، لم يعد من الممكن إنشاء مفاعل نووي طبيعي على الأرض بدون الماء الثقيل أو الجرافيت . ^{[ 7 ]}

تُعدّ رواسب خام اليورانيوم في أوكلو المواقع الوحيدة المعروفة التي وُجدت فيها مفاعلات نووية طبيعية. كانت رواسب خام اليورانيوم الأخرى الغنية تحتوي على كميات كافية من اليورانيوم لدعم التفاعلات النووية في ذلك الوقت، إلا أن مزيج اليورانيوم والماء والظروف الفيزيائية اللازمة لدعم التفاعل المتسلسل كان فريدًا، على حد علمنا الحالي، بالنسبة لرواسب خام أوكلو. من المحتمل أيضًا أن مفاعلات انشطار نووي طبيعية أخرى كانت تعمل في السابق، ولكنها تعرضت منذ ذلك الحين لاضطرابات جيولوجية كبيرة لدرجة يصعب معها التعرف عليها، وربما حتى "تخفيف" تركيز اليورانيوم إلى درجة أن نسبة النظائر لم تعد بمثابة "بصمة" مميزة. جزء صغير فقط من القشرة القارية، ولا أي جزء من القشرة المحيطية، يصل إلى عمر رواسب أوكلو، أو إلى عمر تسمح فيه نسب نظائر اليورانيوم الطبيعي بحدوث تفاعل متسلسل مستدام ذاتيًا مع الماء كمُهدئ.

من العوامل الأخرى التي يُحتمل أنها ساهمت في بدء تشغيل مفاعل أوكلو النووي الطبيعي قبل  ملياري عام، بدلاً من وقتٍ سابق، هو ازدياد نسبة الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض . ^{[ 4 ]} يتواجد اليورانيوم بشكل طبيعي في صخور الأرض، ووفرة النظير الانشطاري ²³⁵كان تركيز اليورانيوم 3% على الأقل قبل بدء تشغيل المفاعل. يذوب اليورانيوم في الماء فقط بوجود الأكسجين . لذا، ربما سمحت زيادة مستويات الأكسجين خلال تقادم الأرض بذوبان اليورانيوم وانتقاله مع المياه الجوفية إلى أماكن تراكم فيها تركيز كافٍ لتكوين رواسب غنية بخام اليورانيوم. لولا البيئة الهوائية الجديدة المتاحة على الأرض آنذاك، لما أمكن حدوث هذه التراكيز.

تشير التقديرات إلى أن التفاعلات النووية في اليورانيوم الموجود في عروق يتراوح حجمها من سنتيمترات إلى أمتار استهلكت حوالي خمسة أطنان من ²³⁵اليورانيوم ودرجات حرارة مرتفعة تصل إلى بضع مئات من الدرجات المئوية. ^{[ 4 ] [ 8 ]} لم تتحرك معظم نواتج الانشطار غير المتطايرة والأكتينيدات سوى سنتيمترات قليلة في العروق خلال الملياري سنة الماضية. ^{[ 4 ]} وقد أشارت الدراسات إلى أن هذا يُعدّ نظيرًا طبيعيًا مفيدًا للتخلص من النفايات النووية. ^{[ 9 ]} بلغ إجمالي النقص الكتلي الناتج عن انشطار خمسة أطنان من ²³⁵يبلغ وزن اليورانيوم حوالي 4.6 كيلوغرام (10 أرطال) . وعلى مدار عمره، أنتج المفاعل ما يقرب من 100 ميغا طن من مادة تي إن تي (420 بيتا جول) من الطاقة الحرارية، بما في ذلك النيوترينوات . إذا تجاهلنا انشطار البلوتونيوم (الذي يشكل ما يقارب ثلث أحداث الانشطار خلال الاحتراق الطبيعي في مفاعلات الماء الخفيف الحديثة المصنعة بشريًا )، فإن نواتج الانشطار تبلغ حوالي 129 كيلوغرامًا (284 رطلًا) من التكنيتيوم-99 (الذي تحلل لاحقًا إلى الروثينيوم-99)، و 108 كيلوغرامات (238 رطلًا) من الزركونيوم-93 (الذي تحلل لاحقًا إلى النيوبيوم -93)، و 198 كيلوغرامًا (437 رطلًا) من السيزيوم-135 (الذي تحلل لاحقًا إلى الباريوم-135، ولكن القيمة الحقيقية ربما تكون أقل لأن نظيرته الأصلية، الزينون-135، سامة قوية للنيوترونات وستمتص النيوترونات قبل أن تتحلل إلى ^{135) .}     في بعض الحالات ، 28 كيلوغرامًا (62 رطلاً) من البلاديوم-107 (الذي تحلل منذ ذلك الحين إلى فضة)، و 86 كيلوغرامًا (190 رطلاً) من السترونتيوم-90 (الذي تحلل منذ فترة طويلة إلى زركونيوم)، و 185 كيلوغرامًا (408 أرطال) من السيزيوم-137 (الذي تحلل منذ فترة طويلة إلى باريوم).   

استُخدم المفاعل الطبيعي في أوكلو للتحقق مما إذا كان ثابت البنية الدقيقة الذرية α قد تغير على مدى الملياري سنة الماضية. وذلك لأن α يؤثر على معدل التفاعلات النووية المختلفة. على سبيل المثال، ¹⁴⁹يلتقط الساماريوم نيوترونًا ليصبح ¹⁵⁰Sm ، وبما أن معدل التقاط النيوترونات يعتمد على قيمة α ، فإن نسبة نظائر الساماريوم في عينات من أوكلو يمكن استخدامها لحساب قيمة α منذ 2 مليار سنة.

حللت العديد من الدراسات التركيزات النسبية للنظائر المشعة المتبقية في أوكلو، وخلصت معظمها إلى أن التفاعلات النووية آنذاك كانت مشابهة إلى حد كبير لما هي عليه اليوم، مما يعني أن جسيمات ألفا كانت هي نفسها أيضاً. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

• مستودع جيولوجي عميق
• جيولوجيا الغابون
• منانا
• شركة أوكلو

• بنتريدي، SE؛ غال، ب. غوتييه لافايي، ف.؛ سيغور، أ.؛ مجددي، د. (2011). "Génèse et évolution des réacteurs Naturels d'Oklo" [ نشأة وتطور مفاعلات أوكلو النووية الطبيعية ] . Comptes Rendus Geoscience (باللغة الفرنسية). 343 ( 11 – 12): 738 – 748. بيب كود : 2011CRGeo.343..738B . دوى : 10.1016/j.crte.2011.09.008 .

• المفاعل النووي الطبيعي في أوكلو: مقارنة مع المفاعلات النووية الحديثة، شبكة معلومات الإشعاع، أبريل 2005
• مفاعلات أوكلو الأحفورية
• صورة ناسا الفلكية لليوم: ناسا، أوكلو، مفاعل الوقود الأحفوري، المنطقة 15 (16 أكتوبر 2002)
• Ыара гразини сл Тетба ( باللغة العبرية )