ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER

Reaktory jadrowe naturalne

Oklo Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Pierwszy naturalny reaktor odkryto w 1972 roku a ostatni w 1991 roku. Oklo Jedyne znane na świecie naturalne reaktory jądrowe znajdują się w południowo-wschodniej części Gabonu w zachodniej Afryce Równikowej. Pierwszy naturalny reaktor odkryto w 1972 roku a ostatni w 1991 roku. Większość naturalnych reaktorów jądrowych znajduje się w złożu Oklo, a jeden w złożu Bangombe, 30 km na południe od Oklo. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Oklo Okolica złoża w Oklo Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

W Gabonie odkryto złoża rud uranowych o kształcie soczewek, średnica około 10 m, grubość około 1 m. Złoże zawierało znacznie mniej (ok. 0.5%) 235U niż normalnie. znacznie więcej lżejszych nietrwałych pierwiastków, które są produktami rozszczepienia 235U. charakterystyczny produkt rozpadu neodym 143 Nd - dwukrotnie więcej (24% zamiast 12%) niż w innych naturalnych złożach. Fakty te doprowadziły do wniosku, że około 2.109 lat temu, gdy naturalne stężenie uranu 235 U było duże, działał tam naturalny reaktor jądrowy. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Oklo Okolica złoża w Oklo Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

odpowiednie stężenie rozszczepialnego uranu, Reaktor w Oklo Aby mogła zajść reakcja w reaktorze naturalnym muszą być spełnione warunki identyczne jak w reaktorze zbudowanym przez człowieka: odpowiednie stężenie rozszczepialnego uranu, małe stężenie związków pochłaniających neutrony, obecność dostatecznej ilości substancji spowalniającej neutrony, określone rozmiary pozwalające na zajście reakcji łańcuchowej i jej podtrzymania. Warunki te w Oklo były spełnione. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Ewolucja reaktora w Oklo Ewolucję reaktora w Oklo można podzielić na cztery okresy: Okres I < 3.5 miliarda lat – gromadzenie się uranu. Ekspansja roślin powodowała zmianę składu atmosfery ziemskiej  i pojawienie się w niej znacznych ilości tlenu. Tlen po połączeniu się z innymi związkami po przedostaniu się do wód gruntowych zapoczątkował rozpuszczanie się drobin uranowych, stężenie uranu na początku okresu było rzędu ppm Rozpuszczony uran dostał się do źródeł i rzek podziemnych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Ewolucja reaktora w Oklo Okres II - 3.5 - 2.8 miliarda lat - koncentracja rudy Podziemne rzeki niosły znaczne ilości osadów, które gromadząc się w pewnych miejscach powodowały zwiększanie tam koncentracji rudy uranowej. odparowanie wody spowodowało postanie owalnych piaskowców. Deszcz padający na piaskowiec powodował wniknięcie wody, która dzięki redukcyjnym własnościom niektórych pierwiastków wchodzących w skład piaskowca powodowała powstanie dwutlenku uranu o bardzo wysokiej koncentracji (do 50%). Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Ewolucja reaktora w Oklo Okres III - około 2 - 1.8 miliarda lat - działanie reaktora zawartość 235 U (tj. ok. 3%) zrealizowana naturalnie, przed 2.109 laty masa tego izotopu była wystarczająca podłoże geologiczne nie zawierało pierwiastków o dużych przekrojach czynnych na wychwyt neutronów (Cd, B) brak reakcji konkurencyjnych do rozszczepienia substancją spowalniającą neutrony była woda oraz pewne ilości naturalnie występującego węgla materiał rozszczepialny miał odpowiednie rozmiary woda w miarę podwyższania temperatury odparowywała co powodowało samoczynnie przerywanie pracy reaktora po ochłodzeniu woda ponownie dostawała się do obszaru złoża i reakcja rozpoczynała się od nowa. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Ewolucja reaktora w Oklo Okres IV - 1.8 miliarda lat do teraz - rozpad produktów reakcji. Rozpady jąder nietrwałych aż do uzyskania jąder stabilnych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Można traktować reaktor w Oklo jak naturalny reaktor powielający Możliwe, że w reaktorze w Oklo zachodziły również reakcje z plutonem 239Pu. Nie występują żadne złoża plutonu czyli pluton został wyprodukowany z 238U Można traktować reaktor w Oklo jak naturalny reaktor powielający Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Geologia w Oklo Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Rekonstrukcja Około 2109 lat temu na głębokości co najmniej 1,5 km zaistniały tam warunki spontanicznych reakcji rozszczepienia, które z przerwami i ze zmiennym natężeniem trwały przez kilkaset tysięcy lat. Oszacowano, że masa uranu, która uległa rozszczepieniu była około 7106 kg, co przy uwzględnieniu roli powstałych izotopów Pu, odpowiada rozszczepieniu około 5103 kg izotopu 235U. W wyniku reakcji jądrowych powstały wszystkie izotopy, które powstają się we współczesnych reaktorach energetycznych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Nie doszło do wybuchu ani stopienia rudy uranu. Rekonstrukcja Od chwili odkrycia pierwszego naturalnego reaktora znanych jest dotychczas osiemnaście miejsc, w których stwierdzono deficyt 235U w naturalnej mieszaninie wynikający z reakcji jądrowych. Średnia moc reaktora nie przekraczała 100 kilowatów (zapotrzebowanie dziesięciu domów jednorodzinnych w energię). Nie doszło do wybuchu ani stopienia rudy uranu. Najprawdopodobniej moderatorem była woda. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Cykl ten powtarzał się przez wiele tysięcy lat. Rekonstrukcja W skałach otaczających złoża uranu zmierzono zawartość ksenonu, który powstaje podczas reakcji łańcuchowej. Analiza doprowadziła do wniosku, że reaktor w Oklo rozpalał się i działał przez 30 min. po czym gasł i po upływie 2,5 godziny znowu się rozpalał. Cykl ten powtarzał się przez wiele tysięcy lat. Prawdopodobnie zachodzi mechanizm jak w gejzerach. W czasie aktywności reaktora woda zmieniała w parę wodną i wydostawała się na zewnątrz złoża uranu. Reakcja łańcuchowa zanikała i reaktor „gasł”. Następny cykl rozpoczynał się gdy znowu zgromadziła się odpowiednia ilość wody. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Rekonstrukcja Zawartość uranu rozszczepialnego 235U około 2109 lat temu w pierwotnej rudzie wynosiła 3,7%, co jest porównywalne do zawartości tego izotopu we wzbogaconym paliwie reaktorów lekkowodnych. Obecnie obserwowany stosunek 235U/238U w niektórych naturalnych reaktorach wynosi tylko 0,38%, podczas gdy stosunek ten w normalnej rudzie uranu jest równy 0,72%. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Rekonstrukcja Naturalne reaktory jądrowe występują w piaskowcach na różnej głębokości. Najgłębszy znajduje się na głębokości 350 m pod powierzchnią terenu, a najpłytszy na głębokości 12 m. W naturalnych reaktorach znajduje się ruda uranu o zawartości uranu dochodzącej aż do 87% wagowych. Ruda uranu stanowiła rdzeń reaktora, który miał grubość od 20 do 50 cm, choć były reaktory o grubości 1 m. Rdzeń był otoczony otuliną minerałów ilastych, illitem lub chlorytem, tworząc strefę reaktora, która osiągała długość do 30 m i szerokość kilkanaście metrów. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Naturalnie zużyte paliwo jądrowe Istniejąca w miejscach reaktorów naturalnych ruda uranu jest naturalnym zużytym paliwem jądrowym. Naturalnie zużyte paliwo jądrowe i zużyte paliwo z reaktorów jądrowych energetycznych, mają inny skład chemiczny. Szczególnie duża jest zawartość ołowiu radiogenicznego w uraninicie, wynikającą z jego bardzo starego wieku. Zawartość radiogenicznego ołowiu w zużytym paliwie jądrowym z reaktorów energetycznych po dziesięciu tysiącach lat wyniesie tylko 1,410-4 % wagowego Pb. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Reakcje rozszczepienia przebiegały w różnych warunkach. Rekonstrukcja Reakcje rozszczepienia przebiegały w różnych warunkach. Temperatura w czasie naturalnych reakcji jądrowych wynosiła nie więcej niż 780K. Woda miała bezpośredni dostęp do rdzenia reaktora. W czasie reakcji rozszczepienia część rudy uranu mogła ulegać rozpuszczaniu. Rozpuszczanie rudy uranu i jej chemiczne przetwarzanie powtarzały się kilkakrotnie po zakończeniu reakcji jądrowych. Uran, produkty jego rozpadu i produkty reakcji jądrowych wędrowały z wodami podziemnymi poza strefę reaktora. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Rekonstrukcja Pozwala to na prześledzenie mechanizmów migracji radionuklidów po zakończeniu reakcji jądrowych. Niektóre (Cs, Rb, Ba i Sr) całkowicie opuściły strefy reakcji i migrowały na nieznaną dzisiaj odległość, nie mniejszą niż kilkadziesiąt metrów. Inne pierwiastki zostały przynajmniej częściowo wychwycone przez minerały ilaste i inne minerały otaczające rudę uranu. Szczególne interesujące było odkrycie minerałów zawierających izotop 99Ru, powstały z izotopu 99Tc, gdyż technet jest pierwiastkiem, którego istnienia w przyrodzie do niedawna nie podejrzewano. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Istnienia w przyrodzie technetu do niedawna w ogóle nie podejrzewano. Szczególne interesujące było odkrycie minerałów zawierających izotop 99Ru, powstały z izotopu 99Tc. Istnienia w przyrodzie technetu do niedawna w ogóle nie podejrzewano. w śladowych ilościach (3,7 pg) został wykryty w rudzie uranu ze złoża Cigar Lake. Na podstawie ilości 99Ru oszacowano, że reaktory w złożu Oklo wytworzyły co najmniej 730 kg 99Tc. Badania geochemiczne wykazały, że od 60 do 85% 99Tc zostało na miejscu jego powstania lub w jego najbliższym sąsiedztwie. Pozostała część wędrowała z wodami podziemnymi na odległość nie większą niż 10 m. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Ruten Ruten razem z radem, tellurem i radiogenicznym ołowiem wytrącił się w postaci arsenków i siarkoarsenków. Ziarenka arsenku rutenu znaleziono w piaskowcach w odległości 20 cm od strefy jednego z reaktorów. Rozmiary ziarenek (1,5 mm) odpowiadają metalicznym agregatom E-Ru obserwowanym na granicach międzyziarnowych w wypalonym paliwie z reaktorów energetycznych. Analiza izotopów rutenu, w tym 100Ru (powstałego częściowo przez wychwyt neutronów z 99Tc) wykazała, że w arsenkach rutenu zachodziło chemiczne frakcjonowanie Ru i Tc jeszcze w trakcie trwania reakcji jądrowych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Technet W ciągu kilku milionów lat, jakie upłynęły od powstania atomów technetu do ich przemiany w ruten, minerały ilaste i piaskowiec otaczające reaktory przerwały ich migrację. Było to w dużej mierze dzięki warunkom redukcyjnym, jakie panowały w reaktorach i ich otoczeniu. Obserwacje w złożu uranu Koongara w Australii pokazały, że w warunkach utleniających technet jest kilkanaście razy bardziej ruchliwy niż uran. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Stwierdzono ślady migracji 239Pu w otoczeniu reaktorów w Oklo. Pluton Stwierdzono ślady migracji 239Pu w otoczeniu reaktorów w Oklo. Okres połowicznego zaniku 239Pu wynosi 24100 lat. Zawartość 239Pu w rudzie z Oklo jest rzędu kilku pikogramów. W naturalnych reaktorach stwierdzono obecność uranu wzbogaconego w 235U w odległości 5,5 m od strefy jednego z reaktorów. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Naturalne reaktory charakteryzują się znacznym zubożeniem w 235U. Pluton Naturalne reaktory charakteryzują się znacznym zubożeniem w 235U. Stwierdzenia istnienia uranu wzbogaconego w 235U wskazuje na rozpad 239Pu do 235U. Uran wzbogacony w 235U występował w uraninicie zaadsorbowanym przez minerał ilasty - chloryt. Wskazuje to na migrację plutonu co najmniej na odległość 5,5 m poza reaktor, oraz na efektywność minerałów ilastych w przechwytywaniu migrującego plutonu. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny