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1 394444 13 160833 Koordinaten 1 24 S 13 10 ONaturreaktor Oklo Geologische Voraussetzungen des Naturreaktors 1 Reaktorzonen 2 Sandstein 3 Erzfloz 4 GranitstockAbnahme des Gehalts an Uran 235 in den letzten und den nachsten Milliarden Jahren Vor 2 Milliarden Jahren betrug der Anteil von Uran 235 im naturlichen Uran noch 3 65 und vor 1 5 Milliarden Jahren noch 2 35 was unter geeigneten Umstanden nukleare Kettenreaktionen ermoglichteDer Naturreaktor Oklo in Mounana in der gabunischen Provinz Haut Ogooue ist eine Uranlagerstatte in der durch eine naturlich entstandene Urankonzentration zusammen mit Wasser eine nukleare Kettenreaktion einsetzte Mittlerweile sind im Becken von Franceville die Uberreste von insgesamt 15 Naturreaktoren gefunden worden davon befinden sich 14 in Oklo und einer im 30 km entfernten Bangombe 1 Vor ca zwei Milliarden Jahren im Erdzeitalter des Proterozoikums betrug der Anteil des spaltbaren Uran Isotops 235U im Natururan noch ca 3 heute 0 7 die seitherige Abnahme erklart sich aus der kurzeren Halbwertszeit des 235U im Vergleich zu 238U Diese 235U Konzentration reichte aus um moderiert durch naturliches Wasser Kritikalitat zu erreichen Der naturliche Kernreaktor war etwa 500 000 Jahre lang aktiv und setzte wahrend dieses Zeitraums bei einer thermischen Leistung von bis zu 100 kW einige hundert Terawattstunden Energie frei Das entspricht etwa der Energiemenge die ein durchschnittliches Kernkraftwerk in einem Zeitraum von einigen Jahrzehnten erzeugt Im Zuge dessen wurden insgesamt etwa 10 Tonnen Uran 235 235U gespalten und zugleich aus Uran 238 238U etwa 4 Tonnen Plutonium 239 239Pu erbrutet Die Kettenreaktion kam vor mindestens ca 1 5 Milliarden Jahren zum Erliegen als das 235U weit genug aufgebraucht war Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Beschreibung der Reaktoren 3 Funktionsweise 4 Forschung 5 Sonstiges 6 Einzelnachweise 7 Literatur 8 WeblinksGeschichte BearbeitenDie Moglichkeit von Naturreaktoren wurde 1953 von George Wetherill und Mark Inghram postuliert 2 1956 untersuchte Paul K Kuroda USA die Moglichkeit ihrer Existenz genauer 3 Die notwendigen Voraussetzungen fur die Aufrechterhaltung eines Kernspaltungsprozesses sind die ausreichende Menge und Konzentration leicht spaltbarer Isotope wie 235U die Abwesenheit von Stoffen wie Bor oder Cadmium die freie Neutronen stark absorbieren und so dem Prozess entziehen die Anwesenheit eines Moderators aus leichten Atomen wie Wasser zum Abbremsen der schnellen NeutronenKurodas These wurde kontrovers diskutiert da man ein Zusammentreffen dieser Bedingungen in der freien Natur fur zu unwahrscheinlich hielt In Frankreich diskutierte man solche Moglichkeiten schon seit langerem Ein Pionier auf diesem Gebiet war dort Jacques Noetzlin der gleich nach der Entdeckung der Kernspaltung diese 1939 als mogliche Energiequelle fur Vulkanismus sah Wieweit diese These durch Radioaktivitatsmessungen an den zahlreichen aktiven Vulkanen gestutzt oder widerlegt worden ist ist hier nicht bekannt 1972 entdeckte der Franzose Henri Bouzigues in der Urananreicherungsanlage von Eurodif in Pierrelatte Frankreich eine Anomalie im Isotopenverhaltnis von UF6 das aus Oklo Erz gewonnen worden war Veroffentlichung des Laborleiters H Bouzigues 4 5 Insbesondere das Isotop 235U wies einen im Vergleich zu allen anderen Lagerstatten der Welt niedrigeren Anteil auf Statt des ublichen Anteils von 0 7204 wurde nur ein Anteil von 0 7171 235U 99 54 der normalen Konzentration gemessen 6 Da der Anteil von 235U im Natur Uran auf der Erde im Mondgestein und auch bei gefundenen Meteoriten sehr exakt bei 0 7204 liegt wurde diese Differenz als eine deutliche Abweichung interpretiert Spater wurden in anderen Proben aus dem Tagebau Oklo noch geringere 235U Anteile gemessen Die ersten Erklarungsversuche zogen fruhere oberirdische Kernwaffenexperimente als Ursache in Betracht Die damit verbundenen kurzlebigen Nuklide konnten jedoch nicht gefunden werden so dass diese Theorie verworfen wurde Die daraufhin angestellten Untersuchungen fuhrten zur Entdeckung des Reaktors Da der Reaktor langst erloschen ist fehlen in seinem Umfeld alle Spaltprodukte mit kurzen Halbwertszeiten Reaktionsprodukte mit langeren Halbwertszeiten existieren in genau jenem Isotopenverhaltnis wie man es in verbrauchtem Reaktorbrennstoff erwartet Beispielsweise unterscheidet sich das Isotopenverhaltnis bei Neodym im Oklo Erz deutlich vom Weltdurchschnitt nur 6 142Nd statt der ublichen 27 Am Verhaltnis der Isobare zueinander kann auch abgelesen werden wie sehr bestimmte Elemente seit der Zeit als der Reaktor aktiv war mobil gewesen sind oder an Ort und Stelle verblieben sind Dies gibt wichtige Anhaltspunkte fur den Bau eines Endlagers 7 8 9 Beschreibung der Reaktoren BearbeitenDie insgesamt 14 Reaktoren von Oklo sind zum Teil vollstandig zum Teil weitgehend erschopft Die Tage und Untertagebaue sind geflutet so dass nur noch der kleinste der bekannten Reaktoren in Bangombe fur weitere wissenschaftliche Studien bezuglich des Verhaltens von Spaltprodukten und Actinoiden in geologischen Formationen erhalten geblieben ist Die Grosse der Reaktoren variiert Der grosste bekannte Reaktor ist 12 m lang 18 m tief und 20 bis 50 cm dick Der kleinste Reaktor ist 5 m lang 1 m breit und wenige Zentimeter dick Dieser kleinste Reaktor befindet sich sehr nah an der Erdoberflache und ist daher starker Verwitterung ausgesetzt Der eigentliche Reaktorkern besteht aus 5 bis 20 cm dicken Schichten von Uraninit eingebettet in Ton 1 Funktionsweise BearbeitenDie Halbwertszeit von 235U betragt ca 704 Millionen Jahre 238U ist wesentlich langlebiger Uber die Zeit nimmt der Anteil an 235U also ab Als der Reaktor vor ca zwei Milliarden Jahren aktiv war betrug sein 235U Anteil ca 3 Neue Untersuchungen zeigen dass dieser naturliche Reaktor durch Zufluss von Grund Wasser moderiert wurde was zu einem zyklischen Vorgang fuhrte Die Spaltreaktion setzte ein wenn die Sandsteinmatrix einen Urangehalt von 10 erreicht hatte Der Reaktorkern heizte sich bis auf 400 C auf so dass es durch Warmeleitung zu hydrothermalen Wasserstromungen kam Diese heissen Wasser losten das umgebende Silikatgestein und transportierten es ab so dass es zu einer relativen Anreicherung an Uran auf 40 bis 60 kam 1 Etwa 30 Minuten lang bremste das Wasser die Neutronen auf die fur die Kernspaltung erforderliche Geschwindigkeit ab Dabei erhitzte es sich und verdampfte Ohne Wasser war das System unterkritisch so dass die Kettenreaktion erlosch Danach lief etwa 2 bis 2 5 Stunden lang Wasser nach bis das System wieder Kritikalitat erreichte und der Zyklus erneut begann Der Dampfblasenkoeffizient war also wie bei heutigen Leichtwasserreaktoren negativ Siehe auch Kernreaktor FunktionsweiseForschung BearbeitenFur die moderne Wissenschaft liefern Naturreaktoren ausserst interessante Erkenntnisse Sie lassen unter anderem Ruckschlusse darauf zu wie sich radioaktive Stoffe in der Natur innerhalb extrem langer Zeitraume hier 2 Milliarden Jahre verbreiten was im Hinblick auf die Planung atomarer Endlager grosse Bedeutung hat Allerdings schreibt etwa die Schweizer Nagra dass solche Natur Analoga dennoch nicht als hundertprozentige Beweise sondern lediglich als Hinweise fur das Verhalten von Endlagern betrachtet werden durften 10 Das vorgefundene Verhaltnis der Nuklide lasst einen Ruckschluss darauf zu dass bereits vor zwei Milliarden Jahren die Kernreaktionen genauso abliefen und setzt damit einer moglichen These der Veranderung von Naturkonstanten insbesondere der Feinstrukturkonstanten enge Grenzen 11 12 Sonstiges BearbeitenGabun hat am 15 Dezember 1976 eine Briefmarke zum Naturreaktor Oklo herausgegeben 13 Einzelnachweise Bearbeiten a b c F Gauthier Lafaye 2 billion year old natural analogs for nuclear waste disposal the natural nuclear fission reactors in Gabon Africa In C R Physique 3 Nr 7 S 839 849 2002 doi 10 1016 S1631 0705 02 01351 8 Nach Alex Meshik The workings of an ancient nuclear reactor Scientific American November 2005 Kuroda On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals Journal of Chemical Physics Band 25 Nr 4 1956 S 781 782 Etienne Roth Rene Letolle Jacques Noetzlin 1898 1972 et la geologie nucleaire un pionnier meconnu Comite francais d histoire de la geologie Band 20 2006 Webseite Annales des mines R Bodu H Bouzigues N Morrin F Pfiffelmann Sur l existence d anomalies isotopiques rencontrees dans l uranium du Gabon C R Acad Sci Paris Band 275 1972 S 1731 1732 R Loss Oklo Fossil Reactors Who discovered these Natural Fossil Reactors Memento vom 18 Juli 2009 im Internet Archive Curtin University of Technology Australia 25 Oktober 2005 abgerufen am 8 Februar 2009 https cordis europa eu project id FI2W0071 https www surao cz wp content uploads 2021 05 presskit 20210504 EN DGR pdf https www osti gov etdeweb biblio 140481 Nationale Genossenschaft fur die Lagerung radioaktiver Abfalle NAGRA Wie die Natur konserviert und entsorgt In Nagra info 22 November 2006 S 3 PDF 948 kB C R Gould E I Sharapov S K Lamoreaux Time variability of alpha from realistic models of Oklo reactors In Phys Rev C 74 024607 2007 arxiv nucl ex 0701019 S K Lamoureux J R Torgerson Neutron moderation in the Oklo natural reactor and the time variation of alpha Physical Review D Band 69 2004 121701 Arxiv Reacteur fossile d Oklo Briefmarke 60 FCFA Gabun colnect com 2003 2017 abgerufen am 5 Juli 2017 Literatur BearbeitenMichael Schaaf Kernspaltung im Herzen der Finsternis Afrika und die Ursprunge des Nuklearzeitalters In Vera Keiser Hrsg Radiochemie Fleiss und Intuition Neue Forschungen zu Otto Hahn Berlin 2018 ISBN 978 3 86225 113 1 A P Meshik C M Hohenberg O V Pravdivtseva Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo Okelobondo Area in Gabon In Phys Rev Lett 93 182302 2004 doi 10 1103 PhysRevLett 93 182302 A P Meshik Naturliche Kernreaktoren In Spektrum der Wissenschaft 2006 06 S 84 90 Paul K Kuroda The origin of the chemical elements and the Oklo phenomenon Springer Berlin 1982 ISBN 3 540 11679 6 George Cowan A natural fission reactor Scientific American Band 235 Januar 1976 Weblinks BearbeitenGibt es naturliche Reaktoren aus der Fernseh Sendereihe alpha Centauri ca 15 Minuten Erstmals ausgestrahlt am 16 Aug 2006 Urzeit Kernspaltung Wasser hielt Naturreaktor unter Kontrolle Artikel aus Spiegel Online vom 3 November 2004 The Oklo Fossil Fission Reactors in Englisch Oklo s Natural Fission Reactors in Englisch mit Foto des heutigen Tagebaugelandes Oklo Ancient African Nuclear Reactors Astronomy Picture of the Day vom 16 Oktober 2002 englisch Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Naturreaktor Oklo amp oldid 239246039