راکتوری که دو میلیارد سال پیش خودبه‌خود روشن شد

حدود دو میلیارد سال پیش، زمانی که هنوز انسان وجود نداشت، یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای طبیعی و پایدار در زمین رخ داد.

حدود دو میلیارد سال پیش، زمانی که هنوز انسان روی زمین وجود نداشت، طبیعت در بخشی از آفریقای امروزی شرایطی را ایجاد کرد که در نگاه اول بیشتر به یک داستان علمی‌تخیلی شبیه است: یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای پایدار شبیه راکتور در دل زمین شکل گرفت و برای صدها هزار سال ادامه پیدا کرد.

این پدیده در منطقه‌ای به نام اوکلو در گابن رخ داد. برخلاف راکتورهای امروزی که با طراحی و مهندسی انسان ساخته می‌شوند، راکتور اوکلو نتیجه‌ی ترکیب چند شرایط طبیعی بود؛ مقدار زیادی اورانیوم، نسبت مناسب ایزوتوپ‌های آن و وجود آب برای کندکردن نوترون‌ها. آژانس بین‌المللی انرژی اتمی در گزارشی درباره‌ی کاربردهای فناوری‌های هسته‌ای، اوکلو را نمونه‌ای از یک «راکتور طبیعی» معرفی می‌کند.

ماجرا در سال ۱۹۷۲ و نه با کشف یک سازه‌ی عجیب زیرزمینی، بلکه با اندازه‌گیری آزمایشگاهی شروع شد. در یک نمونه سنگ اورانیوم که از معدن اوکلو به فرانسه فرستاده شده بود، پژوهشگران متوجه شدند مقدار ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ کمی کمتر از حد طبیعی است. اختلاف در ابتدا فقط حدود ۰٫۴ درصد بود، اما بررسی نمونه‌های دیگر نشان داد هرچه مقدار اورانیوم موجود در سنگ بیشتر باشد، کاهش اورانیوم-۲۳۵ نیز بیشتر است.

موضوع نمی‌توانست با فرایندهای معمول زمین‌شناختی توضیح داده شود. پژوهشگران سپس سراغ عناصر دیگری رفتند که محصولات شناخته‌شده‌ی شکافت هسته‌ای هستند. بررسی ایزوتوپ‌های نئودیمیم و چند عنصر دیگر، الگوهایی را نشان داد که با محصولات حاصل از شکافت اورانیوم مطابقت داشتند. به این ترتیب، شواهد مستقیمی به دست آمد که نشان می‌داد در گذشته واقعاً در اوکلو واکنش شکافت هسته‌ای رخ داده است.

برای شکل‌گیری یک واکنش زنجیره‌ای، فقط وجود اورانیوم کافی نیست؛ باید مقدار و ترکیب مناسبی از اورانیوم وجود داشته باشد و نوترون‌ها نیز به اندازه‌ای کند شوند که احتمال برخورد آن‌ها با هسته‌های اورانیوم و ایجاد شکافت بعدی افزایش پیدا کند.

دو میلیارد سال پیش، شرایط با امروز فرق داشت. ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ به‌دلیل نیمه‌عمر کوتاه‌ترش نسبت‌به اورانیوم-۲۳۸، در آن دوران بسیار فراوان‌تر بود. برآورد گزارش IAEA نشان می‌دهد سهم U-235 در اورانیوم طبیعی آن زمان حدود ۳ تا ۴ درصد بوده است؛ مقداری که با غلظت مورد نیاز برای راکتورهای آب سبک امروزی قابل مقایسه است. در خود ذخایر اوکلو نیز غلظت اورانیوم بسیار بالا بود.

برای شکل‌گیری یک راکتور هسته‌ای همیشه به ساختمان، مهندس و تجهیزات پیچیده نیاز نیست؛ گاهی طبیعت وارد عمل می‌شود

عامل مهم دیگر آب بود. آب باران می‌توانست وارد سنگ‌های غنی از اورانیوم شود و به‌عنوان کندکننده‌ی نوترون، شرایط را برای ادامه‌ی واکنش زنجیره‌ای فراهم کند. وقتی شکافت بیشتری رخ می‌داد، دمای منطقه بالا می‌رفت و آب به بخار تبدیل می‌شد. با خارج‌شدن آب، واکنش متوقف می‌شد؛ سپس با سردشدن محیط و بازگشت آب، واکنش دوباره امکان شروع پیدا می‌کرد. به این ترتیب، اوکلو احتمالاً مانند یک سامانه‌ی طبیعیِ خاموش و روشن‌شونده عمل می‌کرد.

این راکتور البته چیزی شبیه نیروگاه‌های عظیم امروزی نبود. شار نوترونی‌اش بسیار کمتر از راکتورهای پژوهشی مدرن بود؛ اما در مقیاس زمین‌شناسی انرژی قابل‌توجهی تولید کرد. طبق گزارش IAEA، بیش از ۱۰ تن اورانیوم در جریان فعالیت آن شکافته شد و حدود ۱۰۰ میلیارد کیلووات‌ساعت گرما آزاد شد؛ مقداری که با تولید چهار سال انرژی هسته‌ای یک نیروگاه مدرن قابل مقایسه است. فعالیت راکتور نیز احتمالاً بیش از چند صد هزار سال ادامه داشت.

اهمیت اوکلو فقط در این نیست که طبیعت، مدت‌ها پیش از انسان یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای ایجاد کرده بود. بقایای این راکتور یک آزمایش طبیعی بسیار طولانی‌مدت هم محسوب می‌شوند.

فعالیت رآکتور طبیعی زمین احتمالاً بیش از چند صد هزار سال ادامه داشت

محصولات حاصل از شکافت در طول میلیاردها سال تغییر کرده‌اند و بسیاری از آن‌ها به ایزوتوپ‌های پایدار تبدیل شده‌اند، اما نسبت‌های ایزوتوپی باقی‌مانده هنوز اطلاعاتی درباره‌ی رفتار این مواد در محیط زمین‌شناختی ارائه می‌کنند. پژوهشگران از همین داده‌ها برای بررسی این موضوع استفاده کرده‌اند که مواد رادیواکتیو در طول زمان چگونه در سنگ‌ها جابه‌جا می‌شوند.

پس اوکلو را می‌توان یک راکتور هسته‌ای طبیعی و بسیار قدیمی دانست که بدون طراحی انسانی شکل گرفت. جالب‌تر اینکه پس از کشف اوکلو، دانشمندان به دنبال نمونه‌های مشابه دیگری گشتند؛ اما طبق گزارش IAEA تاکنون هیچ راکتور طبیعی دیگری با چنین قطعیتی شناسایی نشده است.

در واقع، چیزی که دو میلیارد سال پیش در دل سنگ‌های گابن اتفاق افتاد، نشان می‌دهد برای شکل‌گیری یک راکتور هسته‌ای همیشه به ساختمان، مهندس و تجهیزات پیچیده نیاز نیست؛ اگر طبیعت مقدار مناسبی از سوخت، آب و شرایط زمین‌شناختی مناسب را کنار هم قرار دهد، خودش می‌تواند واکنش زنجیره‌ای را راه بیندازد.