Když Enrico Fermi se svým týmem v prosinci 1942 v Chicagu uskutečnil první člověkem řízenou samoudržující se jadernou řetězovou reakci, šlo o jeden z přelomových okamžiků moderní fyziky. Příroda však něco podobného dokázala už téměř o dvě miliardy let dříve. V uranovém ložisku Oklo na území dnešního Gabonu vznikly podmínky, za nichž se štěpná řetězová reakce spustila samovolně a následně se také přirozeně regulovala.
Nejde o teorii ani o kuriózní hypotézu. Pozůstatky přírodních jaderných reaktorů byly objeveny v roce 1972 a analýzy izotopového složení uranu i produktů štěpení potvrdily, že v horninách skutečně probíhaly samoudržující se jaderné reakce. Podle Mezinárodní agentury pro atomovou energii musely fungovat déle než několik set tisíc let.
Příběh objevu začal laboratorní nesrovnalostí. Při analýze uranové rudy z Gabonu vědci zjistili, že obsahuje méně izotopu uranu-235, než odpovídalo běžnému přírodnímu poměru. Rozdíl byl příliš velký na to, aby jej bylo možné jednoduše vysvětlit chybou měření. Další analýzy ukázaly překvapivé vysvětlení. Část uranu-235 skutečně zmizela, protože se před téměř dvěma miliardami let účastnila štěpné řetězové reakce. Důkazem nebyl pouze nedostatek tohoto izotopu, ale také charakteristické izotopové složení prvků vznikajících při jaderném štěpení.
Dnes představuje uran-235 přibližně 0,72 procenta přírodního uranu. Před dvěma miliardami let však byl jeho podíl podstatně vyšší, zhruba tři procenta. Uran-235 má totiž kratší poločas rozpadu než mnohem hojnější uran-238, a jeho zastoupení proto v průběhu geologického času klesá. Ani vyšší koncentrace štěpitelného uranu by ale sama nestačila. V Oklu se sešla mimořádná kombinace podmínek: bohaté uranové ložisko, vhodné geometrické uspořádání rudy a především voda pronikající horninou.
Právě voda zřejmě vysvětluje, jak mohl přírodní reaktor fungovat bez regulačních tyčí, čerpadel, elektroniky a lidské obsluhy. Neutrony uvolňované při štěpení uranu mají vysokou energii. Voda pronikající do ložiska je zpomalovala a fungovala jako moderátor. Tím zvyšovala pravděpodobnost, že neutrony vyvolají štěpení dalších jader uranu-235 a udrží řetězovou reakci.
Reakce však současně horninu i vodu zahřívala. Když se voda zahřála a z aktivní zóny postupně mizela, ubývalo moderátoru a štěpná reakce zeslábla nebo se zastavila. Po ochlazení mohla voda do horniny znovu proniknout a celý proces začal znovu. Analýza izotopů xenonu zachovaných v minerálech umožnila vědcům rekonstruovat pravděpodobný rytmus jedné z reakčních zón v oblasti Oklo a Okelobondo. Podle studie publikované v časopise Physical Review Letters byla přibližně 30 minut aktivní a poté následovalo asi dvě a půl hodiny klidu. Tento cyklus se mohl opakovat znovu a znovu. Přírodní reaktor tak nepotřeboval řídicí počítač. Jeho regulátorem se stala kombinace vody, tepla a fyzikálních vlastností horniny.
V oblasti Oklo bylo nalezeno více přírodních reakčních zón. Podle údajů Mezinárodní agentury pro atomovou energii se během jejich fungování rozštěpilo více než deset tun uranu. V důsledku neutronových reakcí vznikly přibližně čtyři tuny plutonia a kolem deseti tun štěpných produktů.
Právě jejich další osud dělá z Okla mnohem víc než geologickou kuriozitu. Vědci zde mohou sledovat, jak se produkty jaderných reakcí chovaly v horninách během časového období, které nelze napodobit žádným lidským experimentem. Některé z nich zůstaly vázány v minerálech nebo se přemístily jen omezeně, a Oklo se proto používá jako jeden z přírodních analogů při výzkumu dlouhodobého geologického ukládání radioaktivních materiálů.
Na příběhu Okla je nejpozoruhodnější, že ke vzniku přírodních reaktorů nebylo zapotřebí nic, co by odporovalo známým fyzikálním zákonům. Naopak. Ve správnou dobu se na jednom místě setkala dostatečná koncentrace uranu, tehdejší vyšší zastoupení uranu-235, vhodné geologické podmínky a voda. Dnes se stejná situace v přírodním uranovém ložisku prakticky zopakovat nemůže. Za další dvě miliardy let kleslo zastoupení uranu-235 natolik, že běžný přírodní uran nemá pro podobnou lehkovodní samoudržující se reakci dostatečnou koncentraci tohoto izotopu.
Oklo tak zůstává mimořádnou geologickou památkou na dobu, kdy přírodní podmínky umožnily Zemi vytvořit vlastní jaderné reaktory, téměř dvě miliardy let předtím, než princip štěpné řetězové reakce dokázal využít člověk.
(vlk, prvnizpravy.cz, foto: zai)
Zdroje: 1. IAEA – Nuclear fission is no invention of humans: The natural reactor of Oklo two billion years ago; 2. Physical Review Letters – Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon; 3. IAEA – The Oklo fossil reactor and research on fission products
