Naturreaktor Oklo

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-1.39444413.160833Koordinaten: 1° 24′ S, 13° 10′ O

Reliefkarte: Gabun
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Naturreaktor Oklo
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Gabun

Der Naturreaktor Oklo in Mounana, in der gabunischen Provinz Haut-Ogooué, ist eine Uranlagerstätte, in der durch natürlich entstandene Urankonzentration eine nukleare Kettenreaktion einsetzte. Mittlerweile sind die Überreste von insgesamt 15 Naturreaktoren im Becken von Franceville gefunden worden. Davon befinden sich 14 Reaktoren in Oklo und einer im 30 km entfernten Bangombé.[1]

Die hohe Urankonzentration entstand vor ca. zwei 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 Tera-Wattstunden-Bereich frei. Das entspricht in etwa der Energiemenge, die ein durchschnittliches Kernkraftwerk in einem Zeitraum von vier Jahren erzeugt. Im Zuge dessen wurden insgesamt etwa 10 Tonnen 235U nuklear gespalten und aus 238U etwa 4 Tonnen 239Pu erzeugt. 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.

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

Geschichte[Bearbeiten]

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 Prozentpunkte weniger) gemessen.[2] Da das Isotopenverhältnis für 235U im Natururan auf der Erde, im Mondgestein und auch bei gefundenen Meteoriten sehr exakt bei 0,7202 % liegt, wurde diese Differenz 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, so dass diese Theorie verworfen wurde. Die daraufhin angestellten Untersuchungen führten zur Entdeckung des Reaktors. Als der Reaktor vor ca. zwei 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 %.

Beschreibung der Reaktoren[Bearbeiten]

Die insgesamt 14 Reaktoren von Oklo sind heute vollständig beziehungsweise teilweise erschöpft. Die Tage- und Untertagebaue sind geflutet, so dass nur noch der kleinste der bekannten Reaktoren in Bangombé für weitere wissenschaftliche Studien bezüglich des Verhaltens von Spaltprodukten und Actinoiden in geologischen Formationen erhalten geblieben ist.
Die Größe der unterschiedlichen Reaktoren variiert. Der größte bekannte Reaktor ist 12 m lang, 18 m tief und 20 bis 50 cm dick. Der kleinste Reaktor ist 5 m lang, 1 m breit und wenige Zentimeter dick. Dadurch, dass sich dieser kleinste Reaktor sehr nah an der Erdoberfläche befindet, ist dieser einer starken Verwitterung ausgesetzt. Der eigentliche Reaktorkern besteht aus 5 bis 20 cm dicken Schichten von Uraninit, eingebettet in Ton.[1]

Funktionsweise[Bearbeiten]

Neue Untersuchungen zeigen, dass dieser natürliche Reaktor durch Zufluss von (Grund-)Wasser moderiert wurde, was eine zyklische Aktivität nach sich zog: Die Spaltreaktion setzte ein, wenn die Sandsteinmatrix einen Gehalt an Uran von 10% erreicht hatte. Der Reaktorkern hitzte sich bis auf 400 °C auf, so dass es durch Wärmeleitung zu hydrothermalen Wasserströmungen kam. Diese heißen Wässer lösten das umgebende Silikatgestein und transportierten es ab, so dass es zu einer relativen Anreicherung an Uran auf 40 bis 60% kam.[1] 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 erneut begann.

Forschung[Bearbeiten]

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. Allerdings schreibt etwa die NAGRA, dass solche Natur-Analoga dennoch nicht als 100-prozentige „Beweise“, sondern lediglich als „Hinweise“ für das Verhalten von Endlagern betrachtet werden dürften.[3]

Das vorgefundene Verhältnis von Nukliden lässt einen Rückschluss darauf zu, dass vor zwei Milliarden Jahren die Kernreaktionen genauso abliefen wie heute, und setzt damit einer möglichen Veränderung von Naturkonstanten, insbesondere der Feinstrukturkonstanten, enge Grenzen.[4]

Anhang[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c F. Gauthier-Lafaye: 2 billion year old natural analogs for nuclear waste disposal: the natural nuclear fission reactors in Gabon (Africa) In: C. R. Physique 3, Nr. 7, S. 839-849 (2002). {DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S1631-0705(02)01351-8}
  2. R. Loss: Oklo Fossil Reactors – Who discovered these Natural Fossil Reactors? online Curtin University of Technology Australia, 25. Oktober 2005, Abgerufen am 8. Februar 2009
  3. Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (NAGRA): Wie die Natur konserviert und entsorgt. In: Nagra info 22, November 2006, S. 3. PDF, 948 kB
  4. C. R. Gould, E. I. Sharapov, S. K. Lamoreaux: Time-variability of alpha from realistic models of Oklo reactors In: Phys. Rev. C 74, 024607 (2007)arXiv:nucl-ex/0701019

Literatur[Bearbeiten]

  • 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 In: Phys. Rev. Lett. 93, 182302 (2004) online
  • A. P. Meshik: Natürliche Kernreaktoren In: 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

Weblinks[Bearbeiten]