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Wissen im Bereich Geologie

Natürliche Atomreaktoren

Im afrikanischen Gabon befinden sich die ältesten unmetamorphisierten Sedimente der Welt, rund 2 Milliarden Jahre alt. In der Ortschaft Oklo wurden seltsame Gesteinsformationen entdeckt, die auf einen Vorgang in der Natur schließen lassen, den die Menschen nur von den Energieversorgern kennen, Atomreaktoren. Nur befanden diese sich in der freien Natur, „natürliche Atomreaktoren“.

 

Wie könnten solche Reaktionen ablaufen?

Dazu sind erstmal einige Vorraussetzungen nötig!

Als erstes braucht das System eine Uranvoranreicherung. Dies wird erreicht durch Grundgebirgserosion, welche in Schwermineral-Anreicherung in fluviatilen Sedimenten resultiert.

Danach werden diese überlagert. Am besten geeignet sind marine Sedimenten wie Schwarzschiefer oder Pelite. Dann fehlt nur noch ein tektonisches Ereignis, wie etwa Hebungsprozesse mit Zerscherung und Verkippung. Als Ergebnis entsteht ein Mikrobruchsystem.

In diesen Bruchsystem braucht man ein Medium, am besten ist da Wasser, und zwar großräumig zirkulierende meteorische Wässer. Dadurch entwickeln sich wirksame Redoxprozesse, vorallem in dem Grenzbereich zwischen Sandstein und marinen Sedimenten. Dies ist der bedeutendste Bereich in dem Gebiet. Hier an dieser geologischen Barriere sammeln sich nicht nur das Uran, sondern auch Öl.

 

Hintergrund der Reaktoren

Für eine Kernreaktion benötigt man angereichertes 235Uran. Davon gibt es heute nicht mehr viel. Deswegen bemühen sich große Industrienationen und auch andere, diese Material anzureichern. Denn erst ab einer gewissen Konzentration kann es erst zu einer Reaktion kommen, diese ist ab 3 % 235 U erreicht. Naturliche Uranerzlagerstätten heutzutage schaffen keine Kernreaktion, es ist zuviel 238Uran zwischen dem 235 Uran. Im Verhältnis stehen 99,28 % 238 Uran 0,72 % 235 Uran gegenüber.

Die Uranverteilung sieht heute also ganz anders aus als früher. Rechnerisch lässt sich feststellen, das vor 4,5 Milliarden Jahren etwa 24 % 235Uran existiert haben müssen und vor 2 Milliarden Jahren nur noch 3,7 % und vor 400 Millionen Jahren nur noch etwa 1 %. Es gab also mal eine zeit, in der es praktisch möglich war, das sich eine Lagerstätte selbst entzünden konnte.

In der Region von Oklo konnte man nachweisen, das dies dort tatsächlich geschehen war. An dieser Stelle wurde das Uran so angereichert, das Erze mit einem Gehalt von 1 – 10 % enstehen konnte.

Damit nun eine Reaktion starten konnte, benötigte das System thermische Neutronen, dies sind langsame Neutronen mit einer Geschwindigkeit von km/s oder 0,01 eV (im Gegensatz normale Neutronen sind schnelle Neutronen im MeV-Bereich). Das im System langsame Neutronen vorhanden sein konnten brauchte es einen Neutronenmoderator, und Wasser ist dafür am besten geeeignet. Seine Eigenschaften ermöglichen auch eine Kontrolle des Reaktorprozesses. Damit ein Reaktor nämlich laufen kann muss dieser im kritischen Zustand laufen. Außerhalb dieses Zustands ist er unterkritisch und erlischt oder überkritisch und droht zu explodieren.

Nun hat Wasser die Eigenschaft, das es im bei tieferen Temperaturen dichter von den Molekülen gepackt ist, was dazu führt, das Neutronen öfter mit Wasserstoffatomen zusammenstoßen und zu thermischen Nuetronen abgebremst werden. So steigt die Reaktionzahl im Reaktor an und das Wasser erhitzt sich. Damit reguliert es schon das System von selbst, denn bei höheren Temperaturen sind die Wassermoleküle weniger dicht gepackt und die, bei der Reaktion, freigesetzten Neutronen stoßen nicht mehr so häufig mit den Wasserstoffatomen zusammen und gehen der Reaktion verloren.

Nachweis des Reaktors

So ein Nachweis bekommt man mit Hilfe der Isotopengelogie. Dabei untersucht man die Isotopenverteilung des Gesteins. Rausgekommen ist, das die Werte für 235Uran mit 0,7171 % geringer sind als die normale Verteilung mit 0,7202 %. Um sicher zu sein, das es sich bei dem Fund nicht um frisches Uran handelt wurde nach 236Uran gesucht. Da dies an der Stelle nicht der Fall war, konnte man sicher sein, das es sich hierbei um ein fossilen Fund handelt. Weiter ging die Untersuchung mit 232Thorium, dieses Isotop entsteht nämlich durch den Zerfall von 236Uran. Dieses fand man nur an den Stellen der 235Uran-Anomalie. Es gibt in der U-Th-Pb Zerfallskette noch einen weiteren Zerfall der über das Isotop 237U und 237Np zu 209Bi führt, was ebenfalls nachgewiesen werden konnte. Ein weiterer Beweis war Palladium, die Werte für dieses Element sind in Oklo viel geringer als normal.

Die Werte bewiesen, das der Reaktor nicht nur vorhanden, sondern auch eine ganze Weile aktiv war. Wie lange der Reaktor im Betrieb war kann auch festgestellt werden, mit Hilfe der Bi-Werte und dem Verhältnis 209Bi zu 238Uran. Das Ergebnis liefert einen Wert von 0,1 bis 1 Million Jahre, was zwar ein ziemlich ungenauer Wert ist, aber die Langlebigkeit dieses Prozesses wiederspiegelt.

Die Energie, die in Oklo freigesetz wurde ist aber viel geringer als heutige Atomreaktoren. Denn im gegensatz zur technischen kontinuierlichen Nutzung lief der natürliche diskontinuierlich. Ablesen kann man die Energiefreisetzung aus dem Verbrauch von 235Uran. Verbraucht wurden etwa 600 kg 235Uran und noch, aus dem Zerfall von 239Plutonium entstandene, 4400 kg 235Uran. Ein Kg 235Uran entspricht etwa dem Wert von 21*10^6 kWh. Auf ein Jahr gerechnet ergibt dies eine Leistung von 0,1 MW, was viel weniger ist als ein technisch genutztes Kraftwerk (etwa 1000 MW).