Bugün öğrendim ki: Bilinen tek doğal nükleer fisyon reaktörü Gabon'un Oklo kentinde keşfedildi ve 1,7 milyar yıl önce aktif olduğu düşünülüyor. 1972'deki bu keşif, kimyagerlerin Gabon madeninden gelen cevherdeki fisyonlanabilir U-235'te önemli bir azalma fark etmesinden sonra yapıldı.

---

Doğal uranyum özünde kendi kendini sürdüren nükleer zincirleme reaksiyonlar

Doğal bir nükleer fisyon reaktörü, kendi kendini sürdüren nükleer zincirleme reaksiyonların gerçekleştiği bir uranyum yatağıdır. 1956'da Paul Kuroda, yeraltında cevher gövdesi içinde yerleşik bir nükleer reaktör fikrini, yeraltı sularıyla moderasyona uğrayan bir uranyum yatağı olması ihtimalini kısaca araştırmıştır. [1] Geçmişte kendi kendini sürdüren nükleer reaksiyonların gerçekleştiği yok olmuş veya fosilleşmiş bir nükleer fisyon reaktörünün varlığı, uranyum ve fisyon ürünleri (ve bu fisyon ürünlerinin kararlı kızım nükleitleri) izotop oranlarının analizi ile belirlenir. İlk fosil reaktör, 1972'de Gabon'daki Oklo'da, Fransız Alternatif Enerjiler ve Atom Enerjisi Komisyonu (CEA) araştırmacıları tarafından Fransız nükleer sanayisi için kalite kontrolü yapan kimyacılar tarafından Gabon cevherinden elde edilen gaz halindeki uranyumda bölünebilir 235U'nun keskin bir şekilde azalması fark edildiğinde keşfedildi.

Oklo, bu fenomenin meydana geldiği bilinen tek yer olup, santimetre büyüklüğünde cevher katmanları içeren 16 siteden oluşmaktadır. Orada, yaklaşık 1,7 milyar yıl önce, Paleoproterozoik'in Statherian döneminde, kendi kendini sürdüren nükleer fisyon reaksiyonlarının meydana geldiği düşünülmektedir. Oklo'daki cevherdeki fisyon birkaç yüz bin yıl boyunca devam etti ve muhtemelen asla 100 kW'ı aşmadı [2] [3] [4]. Bu dönemde Dünya'daki yaşam büyük ölçüde deniz alglerinden ve ilk ökaryotlardan oluşmaktaydı ve atmosferin oksijen içeriği %2 civarındaydı. Ancak, bu az miktardaki oksijenin, uranyumun çözünebilir cevher gövdelerine yoğunlaşmasında muhtemelen önemli bir rol oynamış olması olasıdır, çünkü uranyum sadece oksijenin varlığında suda çözünür. Erken fotosentez yapanların gezegen ölçekli oksijen üretimleri öncesinde, yeraltı suyu ile moderasyon sağlayan doğal nükleer reaktörlerin mümkün olmadığı düşünülmektedir. [4]

Oklo fosil reaktörlerinin keşfi

[düzenle]

Mayıs 1972'de, Fransa'daki Pierrelatte'deki Tricastin uranyum zenginleştirme tesisinde, Oklo madeninden gelen UF6 örnekleri arasındaki rutin kütle spektrometrisi karşılaştırmasında 235U izotopunun miktarında bir farklılık ortaya çıktı. Normal 235U konsantrasyonları %0,72 iken, Oklo örneklerinde yalnızca %0,60 bulunmuştur. Bu, anlamlı bir farklılıktı; örnekler beklenenden %17 daha az 235U içeriyordu. [5] Bu farklılık, sivil uranyum işleme tesislerinin hiçbirinin izinsiz nükleer silah üretiminde kullanılmaması için tüm bölünebilir izotopların titizlikle kaydedilmesini gerektirmesi nedeniyle açıklama gerektirmişti. Ayrıca, bölünebilir malzeme uranyum madenciliğinin temel nedeni olduğundan, eksik olan %17'lik kısım doğrudan ekonomik bir endişeyi de beraberinde getiriyordu.

Bu nedenle, Fransız Alternatif Enerjiler ve Atom Enerjisi Komisyonu (CEA) bir araştırma başlattı. Oklo'da çıkarılan uranyumun iki en önemli izotopunun göreli bolluklarının bir dizi ölçümü, diğer madenlerden elde edilenlere kıyasla anormal sonuçlar gösterdi. Bu uranyum yatağı hakkında yapılan daha ileri araştırmalar, uranyum cevherinde 235U konsantrasyonunun %0,44'e kadar düştüğünü (normal değerinin neredeyse %40 altında) ortaya çıkardı. Daha sonra, neodyum ve rutenyum gibi fisyon ürünlerinin izotoplarının da incelenmesi, aşağıda daha ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, anormallikler gösterdi. Ancak, iz radyoizotop 234U, diğer doğal örneklerden konsantrasyonunda önemli bir sapma göstermedi. Hem tükenmiş uranyum hem de yeniden işlenmiş uranyum, genellikle 234U konsantrasyonlarının, 238U'ya göre 55 ppm 234U'nun zamansal dengesinden önemli ölçüde farklı olacaktır. Bunun nedeni, 234U'nun 235U ile birlikte zenginleştirilmesi ve hem nötron yakalamasıyla tüketilmesi hem de nükleer reaktörlerde hızlı nötronla indüklenmiş (n,2n) reaksiyonlar yoluyla 235U'dan üretilmesidir. Oklo'da, reaktörün aktif olduğu dönemde 234U konsantrasyonunda olası bir sapma uzun zamandır yok olmuş olacaktı. 236U'nun da reaktörün çalıştığı sırada olağanüstü oranlarda mevcut olması gerekiyordu, ancak yarı ömrünün, reaktörün çalışmasından bu yana geçen zamandan neredeyse iki sıra büyüklüğünde daha kısa olması nedeniyle, orijinal değerinin yaklaşık 1,4×10−22'sine kadar bozunmuştur ve dolayısıyla şu anda mevcut ekipmanların algılayabileceği seviyenin altında kalmaktadır.

235U'daki bu kayıp, tam olarak bir nükleer reaktörde meydana gelen bir durumdur. Olası bir açıklama, uranyum cevherinin uzak jeolojik geçmişte doğal bir fisyon reaktörü olarak çalışmasıydı. Diğer gözlemler de aynı sonuca götürdü ve 25 Eylül 1972'de CEA, Dünya'da yaklaşık 2 milyar yıl önce kendi kendini sürdüren nükleer zincirleme reaksiyonların meydana geldiğini duyurdu. Daha sonra bölgede diğer doğal nükleer fisyon reaktörleri de keşfedildi. [4]

Nd 143 144 145 146 148 150 C/M 0.99 1.00 1.00 1.01 0.98 1.06

Fisyon ürünü izotop imzaları

[düzenle]

Neodyum

[düzenle]

Oklo'da bulunan neodyumun, doğal neodyumunkinden farklı bir izotop bileşimi vardır: ikincisi %27 142Nd içerirken, Oklo'dakiler %6'dan az içerir. 142Nd, fisyon ile üretilmez; cevher hem fisyonla üretilmiş hem de doğal neodyum içerir. Bu 142Nd içeriğinden, doğal neodyumu çıkararak 235U'nun fisyonu ile üretilen neodyumun izotop bileşimine ulaşabiliriz. İki izotop 143Nd ve 145Nd, nötron yakalaması yoluyla 144Nd ve 146Nd'nin oluşumuna yol açar. Bu fazlalık (yukarıda belirtildiği gibi) bu düzeltilmiş izotop bileşiminin fisyon veriminden elde edilenle uyuşması sağlamak için düzeltilmelidir.

Rutenyum

[düzenle]

Oklo'daki rutenyum izotop oranları hakkında yapılan benzer araştırmalar, diğer doğal olarak bulunanlardan çok daha yüksek bir 99Ru konsantrasyonu ( %27-30'a karşı %12,7) bulmuştur. Bu anormallik, 99Tc'nin 99Ru'ya bozunmasıyla açıklanabilir. Çubuk grafikte, normal doğal rutenyum izotop imzası, 235U'nun termal nötronlarla fisyonunun sonucu olan fisyon ürünü rutenyum ile karşılaştırılmaktadır. Fisyon rutenyumun farklı bir izotop imzası vardır. Fisyon ürünü karışımında 100Ru seviyesi düşüktür, çünkü fisyon nötron açısından zengin izotoplar üretir ve bunlar daha sonra beta bozunur ve 100Ru sadece çok uzun ömürlü (7,1×1018 yıllık yarı ömürlü) molibden izotopunun (100Mo) çift beta bozunmasıyla önemli miktarlarda üretilebilir. Reaktörlerin çalıştığı zaman ölçeğinde, 100Ru'ya çok az (yaklaşık 0,17 ppb) bozunma gerçekleşmiş olacaktır. 99Ru veya 99Tc'deki (ardından hemen beta bozunması izleyen) nötron yakalaması gibi 100Ru üretiminin diğer yolları yalnızca yüksek nötron akışında gerçekleşmiş ve bu nedenle fisyon zincirleme reaksiyonunun durduğu zaman durmuş olabilir.

Mekani̇zm

[düzenle]

Oklo'daki doğal nükleer reaktör, uranyum bakımından zengin bir cevher yatağı, nükleer fisyonda üretilen nötronları moderasyona uğratabilen yeraltı suyu ile dolduğunda oluşmuştur. Bir zincirleme reaksiyon gerçekleşti ve yeraltı suyuna ısı verdi; ancak, nötronları yavaşlatabilen bir moderatör olmadan reaksiyon yavaşladı veya durdu. Reaktör, bu nedenle insan yapımı hafif su reaktörlerinde güvenlik mekanizması olarak kullanılan negatif boşluk katsayısına sahipti. Cevher yatağının soğumasından sonra su geri döndü ve reaksiyon başladı ve her 3 saatte bir tam bir döngüyü tamamladı. Fisyon reaksiyonu döngüleri yüzbinlerce yıl boyunca devam etti ve zincirleme reaksiyonu sürdürebilecek her geçen gün azalan bölünebilir malzemeler ve nötron zehirlerinin birikimiyle sona erdi.

Uranyumun fisyonu genellikle beş tane bilinen fisyon ürünü xenon izotopu üretir; tümü doğal reaktörün kalıntılarında, değişen konsantrasyonlarda bulunmuştur. 2 milyar yıl sonra mineral oluşumlarda bulunan xenon izotoplarının konsantrasyonları, reaktör çalışmasının belirli zaman aralıklarını hesaplamayı mümkün kılmaktadır: yaklaşık 30 dakika kritiklik ve 2 saat 30 dakika soğuma (üstel olarak azalan artık bozunma ısısı) ile 3 saatlik bir döngü tamamlanır. [6] Xenon-135, bilinen en güçlü nötron zehirdir. Ancak, önemli miktarlarda doğrudan üretilmez, bunun yerine iyot-135'in (veya ebeveyn nükleitlerinin birinin) bozunma ürünü olarak üretilir. Xenon-135 kendiliğinden kararsızdır ve nötronları ememeye bırakılırsa sezyum-135'e bozunur. Sezyum-135 nispeten uzun ömürlü olsa da, Oklo reaktörü tarafından üretilen tüm sezyum-135 o zamandan beri kararlı baryum-135'e daha da bozunmuştur. Bu arada, xenon-136, xenon-135'te nötron yakalamasının sonucudur, son derece yavaş bir şekilde çift beta bozunması yoluyla bozunur ve bu nedenle bilim insanları, bu izotop oranlarına dayalı hesaplamalar yoluyla bu reaktörün nötroniğini, uranyumu fisyonlamaya son vermesinden yaklaşık iki milyar yıl sonra belirleyebildi.

Reaksiyonun mümkün olmasını sağlayan bir anahtar faktör, reaktörün 1,7 milyar yıl önce kritik hale geldiği dönemde, bölünebilir izotop 235U'nun doğal uranyumun yaklaşık %3,1'ini oluşturmasıdır, bu da günümüz reaktörlerinin bazılarında kullanılan miktardan karşılaştırılabilirdir. (Kalan %96,9 238U ve yaklaşık 55 ppm 234U'ydu, bunların hiçbiri yavaş veya hafifletilmiş nötronlarla bölünebilir değildi.) 235U'nun 238U'dan daha kısa bir yarı ömrü olduğu ve dolayısıyla daha hızlı bozunması nedeniyle, doğal uranyumdaki 235U'nun şu anki boluluğu sadece %0,72'dir. Bu nedenle, doğal bir nükleer reaktör artık Dünya'da ağır su veya grafit olmadan mümkün değildir. [7]

Oklo uranyum cevher yatakları, doğal nükleer reaktörlerin var olduğu bilinen tek yerlerdir. O dönemde diğer zengin uranyum cevher yataklarının da nükleer reaksiyonları destekleyecek kadar uranyuma sahip olması muhtemeldi, ancak zincirleme reaksiyonu desteklemek için gereken uranyum, su ve fiziksel koşulların birleşimi, şu anda bilindiği kadarıyla Oklo cevher yatakları için benzersizdi. Başka doğal nükleer fisyon reaktörlerinin bir zamanlar çalışmış olması, ancak o zamandan beri jeolojik olarak o kadar bozulmuş olması da olasıdır ki artık tanınamaz hale gelmiş, hatta uranyumu o kadar seyreltmiş olabilir ki izotop oranı artık "parmak izi" olarak hizmet etmiyor olabilir. Kıtasal kabuğun küçük bir kısmı ve okyanus kabuğunun hiçbir kısmı Oklo yataklarının yaşı veya doğal uranyum izotop oranlarının su gibi bir moderatörle kendi kendini sürdüren bir zincirleme reaksiyonu sağlayabileceği bir çağa ulaşmaz.

Oklo doğal nükleer reaktörünün 2 milyar yıl önce başlaması yerine daha erken bir zamanda başlamasına muhtemelen katkıda bulunan başka bir faktör, Dünya atmosferindeki oksijen içeriğinin artmasıdır. [4] Uranyum, Dünya'nın kayaçlarında doğal olarak bulunur ve bölünebilir 235U'nun bolluğu, reaktörün başlamasından önce her zaman %3 veya daha yüksekti. Uranyum sadece oksijenin varlığında suda çözünür. [alıntı gerekli] Bu nedenle, Dünya'nın yaşlanmasıyla birlikte artan oksijen seviyeleri, uranyumun çözünerek yeraltı suları ile taşınmasına ve zengin uranyum cevher gövdelerinin oluşması için yeterli yoğunluğa ulaşabileceği yerlere birikmesine izin vermiş olabilir. O dönemde Dünya'da mevcut olan yeni aerobik ortam olmasaydı, bu yoğunluklar muhtemelen gerçekleşemeyecekti.

Santimetre ila metre boyutundaki damarlardaki uranyumdaki nükleer reaksiyonların yaklaşık beş ton 235U tükettiği ve sıcaklıkları birkaç yüz derece Celcius'a yükselttiği tahmin edilmektedir. [4] [8] Uçucu olmayan fisyon ürünleri ve aktinidler son 2 milyar yılda yalnızca damarlar içinde birkaç santimetre hareket etmişlerdir. [4] Çalışmalar, bu durumu nükleer atık bertarafı için yararlı bir doğal analog olarak önermektedir. [9] 5 ton 235U'nun fisyonundan kaynaklanan toplam kütle kusuru yaklaşık 4,6 kilogramdır. Reaktörün ömrü boyunca yaklaşık 100 megaton TNT (420 PJ) ısı enerjisi, nötrinolar da dahil olmak üzere üretmiştir. Eğer insan yapımı hafif su reaktörlerindeki normal yanma sırasında meydana gelen fisyon olaylarının yaklaşık üçte biri olan plutonyumun fisyonunu görmezden gelirsek, o zaman fisyon ürünü verimleri yaklaşık 129 kilogram teknetyum-99 (rutenyum-99'a bozunmuştur), 108 kilogram zirkonyum-93 (nyobyum-93'e bozunmuştur), 198 kilogram sezyum-135 (ancak gerçek değer muhtemelen daha düşüktür çünkü ana nükleidi olan xenon-135 güçlü bir nötron zehiridir ve bazı durumlarda 135Cs'ye bozunmadan önce nötronları emecektir), 28 kilogram paladyum-107 (gümüşe bozunmuştur), 86 kilogram stronsiyum-90 (zirkonya bozunmuştur) ve 185 kilogram sezyum-137 (baryuma uzun süre bozunmuştur) olacaktır.

Atom ince yapı sabiti ile ilişki

[düzenle]

Oklo'nun doğal reaktörü, son 2 milyar yılda atom ince yapı sabiti α'nın değişmiş olabileceğini kontrol etmek için kullanılmıştır. Çünkü α, çeşitli nükleer reaksiyonların hızını etkiler. Örneğin, 149Sm bir nötronu yakalayarak 150Sm olur ve nötron yakalama hızı α değerine bağlı olduğundan, Oklo örneklerindeki iki samaryum izotopunun oranı, 2 milyar yıl öncesindeki α değerini hesaplamak için kullanılabilir.

Birkaç çalışma, Oklo'da geriye kalan radyoaktif izotopların göreli konsantrasyonlarını analiz etmiştir ve çoğu, o zamanki nükleer reaksiyonların bugün olduğuyla hemen hemen aynı olduğunu ve bu da α'nın da aynı olduğunu ima etmiştir. [10] [11] [12]

Ayrıca bkz.

[düzenle]

Derin jeolojik depolama

Gabon jeolojisi

Mounana

Kaynaklar

[düzenle]

Kaynaklar

Bentridi, S.E.; Gall, B.; Gauthier-Lafaye, F.; Seghour, A.; Medjadi, D. (2011). "Génèse et évolution des réacteurs naturels d'Oklo" [Oklo doğal nükleer reaktörlerinin başlangıcı ve evrimi]. Comptes Rendus Geoscience (Fransızca). 343 (11–12): 738–748. Bibcode:2011CRGeo.343..738B. doi:10.1016/j.crte.2011.09.008.