Reactor nuclear natural de Oklo

Els reactors de fissió nuclear de Oklo són uns jaciments d'urani de la regió d'Oklo (Gabon) a on varen tindre lloc de manera natural reacciones nuclears en cadena autosostenidas. L'existència d'este fenomen va ser descoberta en 1972 analisant les proporcions anómales dels isòtops d'urani presents en mostres d'una de les mines d'urani de la zona.

S'han identificat 16 reactors nuclears naturals en Oklo: localisacions en reaccions autosostenidas de fissió nuclear que varen tindre lloc fa aproximadament 1700 millons d'anys (durant el periodo Estatérico), i varen estar en funcionament durant varis centenars de mils d'anys,

Descobriment del «reactor fòssil» de Oklo

Gabon era una colónia francesa quan el Commissariat à l'énergie atomique (CEA) va realisar els primers anàlisis del subsol des de la base de el MABA en Franceville, més concretament pel seu braç industrial que més tart es va convertir en Cogema, lo que va conduir en 1956 al descobriment de jaciments d'urani en la regió.

França va obrir casi immediatament mines, gestionades per la Compagnie dones mines d'uranium de Franceville (COMUF), per a explotar els recursos, prop del poble de Mounana. Despuix de l'independència en 1960, l'Estat gabonés va rebre una menuda part [ref. necessària] dels beneficis de l'empresa.

El «fenomen Oklo» va ser descobert en 1972 pel laboratori de la planta d'enriquiment d'urani de Pierrelatte (França). Els anàlisis de rutina d'una mostra d'urani natural varen revelar un dèficit lleu pero anormal d'urani 235. La proporció normal de ²³⁵O és del 0,7202 %, mentres que esta mostra només tenia un 0,7171 %. Com les cantitats d'isòtops fisionables estan catalogades en precisió, calia explicar esta diferència, per lo que el CEA va iniciar una investigació sobre mostres procedents de totes les mines explotades en França, Gabon i Níger per el CEA i en totes les fases de tractament del mineral i de purificació de l'urani.

Per als anàlisis del contingut d'urani i de ²³⁵O, el departament de producció de el CEA es recolza en el laboratori d'anàlisis de la planta de Pierrelatte i en el laboratori central d'anàlisis i control de el CEA en el centre CEA de Cadarache, dirigit per Michèle Neuilly, a on Jean François Dozol s'encarrega dels anàlisis per espectrometria de masses.

Els anàlisis efectuats en Pierrelatte i Cadarache varen demostrar que els uranatos de magnesi procedents de Gabon presentaven un dèficit variable pero constant de ²³⁵U. El 7 de juliol de 1972, els investigadors de el CEA Cadarache varen descobrir una anomalia en el mineral d'urani de Oklo, en Gabon. El seu contingut en ²³⁵O era molt inferior a l'observat habitualment. Els anàlisis isotòpics varen permetre identificar la font de l'agotament de el ²³⁵O: l'urani empobrit procedia del mineral de Oklo, en Gabon, explotat per COMUF. A continuació es va portar a terme una campanya d'anàlisis sistemàtics en els laboratoris de Cadarache i Pierrelatte (medicions del contingut d'urani, medicions del contingut isotòpic). En les mostres de Oklo, els analistes de Cadarache varen constatar una carència de ²³⁵O en el uranato de magnesita de la planta de Mounana (²³⁵O = 0,625 %) i una carència encara major en el uranato de magnesita (Oklo M) (²³⁵O = 0,440 %): els minerals Oklo 310 i 311 tenen continguts d'urani del 12 % i 46 % respectivament i continguts de ²³⁵O del 0,592 % i 0,625 %.

En este context, J. F. Dozol va prendre l'iniciativa d'analisar les mostres de uranato de magnesi i de mineral de Oklo en l'espectrómetro de masses AEI MS 702 Spark Source Mass Spectrometer (SMSE).

Archiu:Plaque spectro de masse caps block 18 311.jpg

Placa fotogràfica obtinguda en l'espectrómetro de masses

La ventaja de la SMSE és la seua capacitat per a produir cantitats substancials de ions a partir de tots els elements presents en els electrodos. Els electrodos, entre els que es genera una purna, deuen ser conductors (per a conseguir-ho, les mostres de Oklo es varen mesclar en argent de gran purea). Tots els isòtops de la mostra, des del liti fins a l'urani, es tracen en una placa fotogràfica (vore la foto de la placa més avall). En examinar la placa, J.F. Dozol va observar en particular per a Oklo 311 mineral en un contingut d'urani molt elevat :

- elements presents en cantitats significatives entorn a les masses 85-105 i 130-150, que corresponen als dos clots dels rendiments de fissió de el ²³⁵U. (La distribució en massa dels productes de fissió seguix una curva en «joroba de camello», en dos màxims),

- els últims lantànits (del holmi al luteci) no es detecten (més allà de la massa 166). En la naturalea es troben els 14 lantànits; en el combustible nuclear, en haver sofrit reaccions de fissió, no es detecten els isòtops dels últims lantànits.

El següent pas és l'anàlisis isotòpic de determinats elements en un espectrómetro de masses de termionización despuix de la separació química del neodimi i el samari. Dels primers anàlisis del uranato "M" de Oklo i del mineral Oklo 311 es desprén que la composició isotòpica del neodimi i del samari és molt més pròxima a la que es troba en el combustible irradiado que a la de l'element natural. La detecció d'isòtops ¹⁴²Nd i ¹⁴⁶Sm no produïts per fissió indica que estos elements també estan presents en estat natural, del que es pot sostraure la seua contribució.

Estos resultats es varen comunicar a Jean Claude Nimal, neutronista de el CEA Saclay, que va estimar el fluix neutrónico rebut per la mostra analisada a partir del seu dèficit de ²³⁵U. Açò va permetre estimar la captura de neutrons pels isòtops ¹⁴³Nd i ¹⁴⁵Nd, lo que conduïx a la formació adicional de ¹⁴⁴Nd i ¹⁴⁶Nd respectivament. Este excés deu restar-se per a obtindre els rendiments de fissió de el ²³⁵U. Pot observar-se (vore la taula següent) que existix concordancia entre els rendiments de fissió (M) i els resultats corregits (C) per la presència de neodimi natural i la captura de neutrons.

Isotopos de neodimi	143	144	145	146	148	150
C/M	0,99	1,00	1,00	1,01	0,98	1,06

Mecanisme de formació del reactor

Archiu:Gabon Geology Oklo.svg

Situació geològica en Gabon que desencadena reactors de fissió nuclear.
1. Zona a on varen ocórrer les reaccions de fissió
2. Arenisca
3. Mena d'urani
4. Granit

Durant el funcionament del reactor, la temperatura de l'aigua aumenta considerablement, lo que accelera el procés de «desilicificación» i, per diferència, aumenta la concentració d'urani, compensant aixina el seu agotament en ²³⁵O per fissió.  En efecte, la concentració d'urani en les zones de reacció és extremadament elevada, a voltes superior al 50%, i quant major és la concentració d'urani, menor és el contingut en ²³⁵U. Ademés, en perdre el seu sílice, la arenisca circumdant s'ha convertit en argila, en un alt contingut en alúmina, lo que impedix una migració excessiva de les aigües subterrànees i manté l'urani en el seu lloc.

La bona irrigación del mineral per l'aigua infiltrada, que va actuar com a moderador, es va deure a l'altíssima porosidad del terreny causada per la desilicificación de la arenisca en presència d'aigua. Açò va reduir el volum original de la arenisca en un factor de 7, reduint la gruixa del jaciment d'urani de 5 metros a 80 cm. Els reactors de Oklo es varen crear per sí mateixos, concentrant l'urani de prop i de llunt.

Els minerals destruïts en els núcleus dels reactors pel bombardeig de neutrons eren dissolts fàcilment per este decorregut. La calor lliberada per les reaccions nuclears va posar en marcha un potent sifón tèrmic. En estes condicions, certs elements, en particular el sílice, que la seua solubilidad aumenta molt en la temperatura, varen poder ser evacuats en grans cantitats. Com a resultat, les areniscas de les capes mineralizadas es varen dissoldre i el diòxit d'urani, poc soluble, es va concentrar en el fi espai mineralizado de les zones de reacció, a on recristalizó en forma de uraninita. Com l'alúmina és molt manco soluble que la sílice en condicions hidrotermales, la ganga es va enriquir en alúmina en relació en la sílice i, una volta detingudes les reaccions, va donar lloc al fosfat d'alumini, que es forma ràpidament en condicions hidrotermales entre 270 i 300 °C, a partir del fosfat i l'alumini resultants de la desilificación de la arenisca.

Durant cada periodo actiu de funcionament del reactor Oklo i durant algun temps despuix, mentres la temperatura es mantenia alta, gran part del gas xenón (inclosos els isòtops ¹³⁶Xe i ¹³⁴Xe, que es generaven en relativa rapidea) es venteaba. En gelar-se el reactor, els precursors de xenón de vida més llarga (els que més tart donarien lloc als isòtops ¹³²Xe, ¹³¹Xe i ¹²⁹Xe) es varen incorporar preferentment a l'estructura en forma de gàbia dels minerals de fosfat d'alumini, capaços de retindre el gas xenón creat en el seu interior, inclús a altes temperatures. Llavors, en tornar més aigua a la zona de reacció, es varen reiniciar les reaccions de fissió.