Prirodzený jadrový štiepny reaktor Gabonu v západnej Afrike

2024 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 09:38

Aby sme pochopili, ako prirodzený jadrový reaktor vznikol, pomáha pochopiť trochu histórie a vedy o jadrových reakciách.

Jadrové reakcie v skratke

Podľa Medzinárodnej komisie pre atómovú energiu (MAAE) existuje viac ako 400 jadrových elektrární vo viac ako 30 krajinách; a napriek nedávnym katastrofickým zlyhaniam bezpečnosti, akým je tragédia vo Fukushima Daiichi v roku 2011, sa v súčasnosti pripravuje takmer 70 nových jadrových elektrární. Tak prečo budeme pokračovať v budovaní takýchto potenciálne nebezpečných zariadení? Sila, ktorá napriek takým katastrofám ako Černobyl a Fukušima je megawatt za megawatty v skutočnosti celkovo vo všeobecnosti považovaná za bezpečnejšiu a "zelenšiu" ako energia získaná prostredníctvom uhlia alebo plynu.

Tento typ jadrovej energie vzniká, keď sa izotop, často urán 235 (U-235), bombarduje s neutronom. Kolízia zvyčajne rozbije izotop na dva kusy, z ktorých každý obsahuje polovicu neutrónov a protónov pôvodného atómu, v procese nazývanom jadrové štiepenie. Počas reakcie dôjde k strate malého množstva hmoty, čo je dôsledkom toho, že malá časť hmoty sa premení na relatívne veľké množstvo energie.

V typickom reaktore sa zhromaždí celá skupina U-235 a potom sa bombarduje s neutrónmi; pri každej kolízii medzi U-235 a neutronom, ešte dve neutrony sa vyrábajú spolu s uvoľňovaním energie. Pokiaľ existuje dostatok izotopov U-235, tieto extra neutróny spôsobia ďalšie reakcie. Reakcie rastú exponenciálne v procese nazývanom reťazová reakcia, ktorá produkuje ešte viac energie. Jadrové elektrárne využívajú energiu z týchto kontrolovaných reťazových reakcií a konvertujú ich na elektrickú energiu, ktorá ovláda také veci, ako je tento MacBook Air, na ktorom píšem.

Urán-235

Urán je jedným z najťažších prvkov s atómovou hmotnosťou 238,03. Pokiaľ ide o tento článok, len tri jeho izotopy sa vyskytujú prirodzene v zemskej kôre; U-238, ktorý tvorí 99,3% všetkých uránov, U-235, ktoré tvoria väčšinu zvyšných 7% a U-234, ktoré sú prítomné iba v nekonečnej miere. U-238 je len mierne reaktívny a nevytvára dobrý štiepny materiál. U-235 je však vynikajúca pri rozdelení a výrobe veľa energie.

Keď pochádza zo zeme, uránová ruda sa skladá z troch izotopov v ich relatívnom pomere. Aby bolo možné štiepiť, percento U-235 v rude sa musí zvýšiť z približne 7% na približne 5% celku. Tento proces je známy ako obohacovanie uránu. V typickom obohacovacom scenári sa urán konvertuje na plyn, hexafluorid uránu (UF-6) a plyn sa oddeľuje podľa hmotnosti (pamätajte si, že U-234 a U-235 sú ľahšie ako U-238). Oddelenie umožňuje odobrať dostatok ťažšieho uránu a zvyšná látka nakoniec má vhodnú koncentráciu U-235 na štiepenie.

Jadrový reaktor v Gabone

Môžete sa opýtať: "Ak je uránová ruda nevhodná pre jadrové reakcie bez zložitého, umelého procesu obohacovania, ako prirodzený začal pred takmer dvomi miliardami rokov?" Dobrá otázka a odpoveď nie je "cudzinci".

U-235 má výrazne kratší polčas než U-238, takže v ďalekej minulosti by mal byť oveľa hojnejší a vo väčších koncentráciách, ako je dnes. Vedec Paul K. Kuroda navrhol v roku 1956, že táto ruda bohatá na U-235 by za správnych podmienok podporila jadrové štiepenie a reťazové reakcie, ktoré by vytvorili prirodzené jadrové reaktory.

Existujú dve teórie o tom, ako Gabonský reaktor pracoval, hoci obaja predpokladajú cyklus reťazovej reakcie, zastavenie, ochladzovanie, opakovanie počas obdobia tisícov rokov, až kým nie je vyčerpaný štiepny materiál.

Jedna teória navrhuje, aby bol urán pokrytý spodnou vodou, ktorá neutralizovala neutróny a poskytla prostredie, ktoré podporilo reťazovú reakciu. Vygenerovaná energia nakoniec vyhrievala podzemnú vodu do varu a vyprchala. Keď už bola podzemná voda, reakcia sa zastavila. Nakoniec sa voda vrátila späť do uranovej jaskyne a proces sa zopakoval, kým koncentrácie neboli príliš nízke, aby podporili ďalšie reakcie.

Druhá teória, ktorá nie je dobre prijatá, navrhuje, aby horiaci reaktor uvoľnil určité prvky vzácnych zemín, ako samárium, gadolínium a dysprosium, ktoré absorbovali neutróny a zastavili reťazovú reakciu na určitý čas alebo na určitých miestach, opäť sa objaví v blízkosti.

Podrobnosti o prvej teórii sa uvádzajú v Priestor denne v roku 2004:

Táto podobnosť (s gejzírom) naznačuje, že pol hodiny po nástupe reťazovej reakcie sa neviazaná voda konvertovala na vodnú paru, znižovala tok termálneho neutrónu a urobila reaktor subkritický.

Trvalo aspoň dve a pol hodiny, kým sa reaktor ochladil, kým sa začalo štiepenie Xe (xenón).Potom sa voda vrátila do zóny reaktora, čo poskytlo zmierňovanie neutrónov a opäť vytvorilo samočinný reťazec.

Dôkaz reaktora na štiepenie fosílneho skla Oklo

Tak ako vieme, že sa to niekedy vôbec stalo? Niekoľko dôvodov.

Po prvé, v počiatočnom francúzskom vyšetrovaní v roku 1972 sa zistilo, že koncentrácia U-235 z miesta bola oveľa nižšia, ako sa typicky pozoruje v prírode; v skutočnosti koncentrácie vzoriek Oklo boli podobné tým, ktoré sa nachádzali v vyhorenom jadrovom palive.

Po druhé, francúzski tiež zistili rozdiely v iných izotopoch z miesta, vrátane neodymu a ruténia, ktoré sú v súlade s rozštepom U-235.

Po tretie, v štúdii z roku 2004 fyzikov z univerzity vo Washingtone, ktorí skúmali lokalitu, objavili zvýšené množstvá zirkónu, ceru a stroncia, ktoré boli vyrobené prostredníctvom jadrového štiepenia.

Po štvrté, americkí učeníci tiež zistili, že vklady Oklo obsahovali najväčšiu koncentráciu xenónu a kryptónu vyrobeného štiepením.

Poučenie z Oklo reaktora

Jedným prekvapujúcim objavom z Oklo je, že na rozdiel od našich štiepnych reaktorov, ktoré produkujú významný toxický odpad, ktorý nikto nechce skladovať (myslí si Yucca Mountain), matka príroda bezpečne zlikvidovala jej. Podľa prieskumov Wash U prirodzený reaktor bezpečne zachytil svoj toxický odpad (Xe a Kr-85) v chemickej zlúčenine aluminofosfát:

Je fascinujúce si myslieť, že prirodzená jadrová reakcia môže dosiahnuť kritické podmienky a že je tiež schopná uchovávať svoj vlastný odpad.

Po poslednej poznámke je ubezpečujúce, že prirodzene sa vyskytujúci U-235 v súčasnosti neexistuje v koncentráciách potrebných na spustenie alebo udržanie moderného prírodného jadrového reaktora. Takže, aj keď možno budeme musieť žiť iným Černobylom, aspoň budeme vedieť, že sme sami viniť. üòâ

Bonusové fakty:

• Three Mile Island, nehoda jadrovej elektrárne v blízkosti Middletown, Pennsylvania, je najvážnejšou nehodou elektrárne v histórii USA. Viedla k žiadnym úmrtiam a žiadnym zraneniam pracovníkov na výsadbe alebo okolitej komunite. V INES bola stále hodnotená úroveň 5, hoci skutočne mala byť hodnotená úroveň 2.
• Ak ste táborili v závode v Three Mile Island počas nehody, ktorá sa stala tam v roku 1979, získali ste počas expozície len 80 miliónov expozícií. Ak ste kedy mali radiálnu chrbticu, získali ste približne dvojnásobok, ktorý ste dostali počas niekoľkých sekúnd rentgenového žiarenia. Ak ste boli počas nehody asi desať míľ ďaleko od reaktora, získali ste približne 8 milliremov alebo približne ekvivalentné ionizujúce žiarenie pri konzumácii 800 banánov, ktoré sú prirodzene rádioaktívne. Nie sú známe žiadne úmrtia / rakoviny / atď. ktorá vyplynula z nehody tri míle ostrov.
• Reakcia verejnosti na ostrov Three Mile Island bola extrémne mimo palubu z toho, čo skutočná udalosť oprávňovala. Väčšinou to bolo v dôsledku dezinformácie v tlači; nedorozumenie ionizujúceho žiarenia medzi širokou verejnosťou; a skutočnosť, že nie 12 dní predtým, než sa to stalo, film Čínsky syndróm bol prepustený. Príbeh filmu bol ako nebezpečné boli jadrové reaktory a takmer každý vo filme, ale jeden z hlavných postáv sa pokúšal zakryť. Čínsky syndróm pojem filmového titulu pochádza z predpokladu, že ak by sa jadro amerického jadrového reaktora roztopilo, roztopilo by sa to do stredu Zeme do Číny. Objavujúc fakt, že ide v skutočnosti o Indický oceán, ktorý je na opačnej strane Zeme od USA, a nie z Číny, a zrejmé problémy s predpokladom "ľadu cez Zem", to nebolo lepšie časový film, pokiaľ ide o bezplatnú reklamu prostredníctvom tlače kvôli incidentu Three Mile Island. Film bol nominovaný na niekoľko akadémiových ocenení vrátane najlepšej herečky od Jane Fonda.
• Je prekvapujúce, že keby sme boli skutočne schopní dokonale premeniť hmotu na energiu s 1 kg hmoty, ktorá bola úplne zničená, energia vyrobená z tohto malého množstva hmoty je asi 42,95 mega ton TNT. Takže dospelý muž s hmotnosťou okolo 200 libier má niekde v blízkosti 4000 megatónov TNT potenciálu vo svojej veci, ak je úplne zničený.
• Je to asi 80-krát viac energie, ako bolo vyrobené najväčšou odpálenou jadrovou bombou - Czar Bomba, ktorá sama vyprodukovala výbuch asi 1400 krát silnejší ako kombinované výbuchy bômb, ktoré padli na Hirošimu a Nagasaki.

• Na ďalšiu ilustráciu, 1 megaton TNT, pri prepočte na kilowatthodiny, robí dostatok elektriny na napájanie priemerného amerického domu asi 100 000 rokov. Je tiež dostatočné na to, aby celé Spojené štáty mohli trochu viac ako 3 dni. Takže 1 kg nejakej hmoty, ktorá je úplne zničená, dokáže napájať celé Spojené štáty asi štyri mesiace. Jeden priemerný dospelý muž potom, keď bol úplne zničený, by vyrobil dostatok energie na to, aby mohol USA asi 30 rokov. Energetická kríza vyriešená.

  

• Na úplne prekvapivom meradle bude typická explózia supernov uvoľňovať asi 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 megatónov TNT. * kravy v rohu *