Natürlicher Kernreaktor

Kernspaltung ist keine Erfindung des Menschen
- der natürliche Reaktor von Oklo -
vor 2 Milliarden Jahren

Am 7. Juli 1972 wurde bei der routinemässigen Isotopenanalyse einer angelieferten Uranerzprobe aus dem westafrikanischen Staat Gabun in der französischen Isotopentrennanlage Pierrelatte ein Gehalt von nur 0,7171 Atomprozent ²³⁵U, anstatt der üblichen Gehalte von 0,7202 Atomprozent festgestellt. Eine Abweichung von nur 0,03 %, die aber bei der Genauigkeit der Massenspektrometer von 0,0006 Atomprozent auffiel. Erklärungsversuche, dass es sich um eine Vermischung dieser Proben mit abgereichertem Uran aus der kerntechnischen Anwendung handeln könnte, konnten über die Gehalte an ²³⁶U und ²³⁴U ausgeschlossen werden. Ersteres hätte sich bei einer Nutzung im Kernreaktor bilden müssen und letzteres wird während der Isotopentrennung mit der ²³⁵U-Fraktion angereichert. Der Techniker, der diese Analyse durchführte, war sehr genau und kontrollierte die Analysenbücher von früheren Chargen aus der Mine Oklo. Dabei wurden weitere Abweichungen bemerkt (gefunden wurden später Gehalte bis zu 0,296 Atom-% !). Es zeigte sich, dass diese Isotopenabreicherung um so stärker war, je höher der Gesamturangehalt war. Da geochemische Isotopeneffekte bei so schweren Elemente ausgeschlossen sind, konnte nur die Erklärung der Kernspaltung einigermassen sinnvoll erscheinen. Daraufhin wurden Analysen von Begleitelementen, wie z.B. Neodym, das bei der Kernspaltung in hohen Ausbeuten gebildet wird, vorgenommen. Hier zeigten sich Anomalien in den Isotopenzusammensetzungen gegenüber natürlichem Neodym, die durch das Wissen um die Kernspaltungsausbeuten zu erklären waren. Eindeutige Beweise für eine Kernspaltung liessen sich auch bei anderen Elementen Zink (Ordnungszahl = 30) bis Dysprosium (Z=66) zeigen. Am eindeutigsten ist aber die Abreicherung von Neodym-142, da es in der Spaltung nicht gebildet wird.

Geographische Lage von Oklo.


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Wie hat er funktioniert?

Die Bedingungen für eine sich selbsterhaltende Kettenreaktion sind: genügend Uran in der richtigen Anreicherung (Für normales Wasser als Moderator ist ein Mindestgehalt von 50% Uran mit mindestens 1 Atom-% Uran-235 erforderlich!), genügend Moderator (zur Moderation der schnellen Spontanspaltungsneutronen sind mindestens 6% Wasser nötig.) und so wenig Neutronengifte wie möglich (z.B. Lithium, Bor und Seltene Erdmetalle).

Da die Halbwertszeiten der Uranisotope mit der Massenzahl 235 und 238 sich wesentlich unterscheiden, zerfällt ²³⁵U mehr als sechsmal so schnell wie ²³⁸U. Das bedeutet, da der Isotopengehalt von ²³⁵U vor 2 Milliarden Jahren etwa 3-4 Atom-% betragen haben muss (²³⁵UGehalt in den heutigen Leichtwasserreaktoren ist 3,3 %).
Der Urangehalt in den Erzen von Oklo war besonders hoch und so kann man rekonstruieren, dass bei Eintritt von Regenwasser eine sich selbsterhaltende Kettenreaktion in Gang gekommen sein kann; initiert durch Neutronen aus der Spontanspaltung von ²³⁸U oder durch Neutronen, die durch die Höhenstrahlung in Sekundärreaktionen gebildet werden. Auch wenn der Neutronenfluss mit etwa 10⁷ bis 10⁸ n/(cm²*s) recht niedrig war (typisch für einen kleinen Forschungsreaktor sind 10¹¹ 10¹² n/(cm²*s), muss diese Anordnung so heiss geworden sein, da das Wasser verdampft ist und der Reaktor sich damit zyklisch selbst abgeschalten hat.

Schätzungen gehen von einem Vorrat von etwa 10 Tonnen Uran aus. Diese Menge reichte für einen Erhalt der Reaktionsprozesse für mehrere 100.000 Jahre.

Was ist mit den Spaltprodukten und dem Plutonium?

Der Abbrand berechnet sich zu etwa 4 * 105 MWh/t, was einer entsprechenden, nicht unbedeutenden Menge an Spaltprodukten entspricht. Diese lassen sich nach den langen Zeiträumen heute nicht mehr nachweisen, da sie sich ber den radioaktiven Zerfall in stabile Isotope umgewandelt haben. Aus Verschiebungen von Isotopenverhältnissen kann man aber mit der modernen Massenspektrometrie ein Menge über die Ausbreitung (Migration) der Spaltprodukte erfahren. Hier ist sozusagen der Blick in ein Endlager nach vielen Millionen Jahren möglich, besser als es jede Computersimulation nachzustellen erlaubt. Und obwohl keinerlei technische Barrieren und keinerlei optimierte geologische Bedingungen ein Ausbreiten von Spaltprodukten und Plutonium verhinderten, lässt sich zeigen, dass Uran, Neptunium, Plutonium, Niob, Yttrium, Technetium, Zirkonium, und die seltenen Erdmetalle an der ursprünglichen Stelle verblieben sind. Gewandert sind die Alkalimetalle, z.B. Rubidium und Cäsium, die Erdalkalimetalle Barium und Strontium, die Edelgase, Molybdän, Cadmium, Blei und Iod. Dabei muss beachtet werden, da in diesem historischen Endlager die Wärmeleistung (durch die anhaltende Kettenreaktion) von etwa 50 Watt pro m² um ein Vielfaches höher war, als in den heute geplanten Endlagern für hochaktive Abfälle.

Über die Isotopenverschiebung bei dem selten in der Natur vorkommenden Neodym konnte der Nachweis der Kernspaltung sicher geführt werden.