Fossiler Kernreaktor

Ein natürlicher Uranreaktor in Afrika nutzte 150.000 Jahre lang Wasser als Moderator. Das fanden US-Forscher heraus.

Mit dem Uran, das man in der Oklo-Mine im westafrikanischen Gabun findet, stimmt etwas nicht. Das hatten französische Forscher schon 1972 bemerkt, als sie den Isotopengehalt einiger uranhaltiger Proben untersuchten. Das Oklo-Uran enthielt geringfügig weniger spaltbares Uran-235 als man aufgrund seines Gehaltes an Uran-238 erwarten konnte. Wo war das fehlende Uran-235 geblieben? Inzwischen ist man sich sicher, dass an der Fundstelle vor ca. 2 Milliarden Jahren von selbst ein Kernreaktor entstanden war, der einen Teil des ursprünglich vorhandenen Uran-235 verbraucht hat.

Der Oklo-Reaktor liegt in einer Uran-Mine im westafrikanischen Gabun. (Quelle: R. Loss)

Heutzutage gewonnenes Uran enthält nicht genug spaltbares Uran-235, um mit ihm eine Kettenreaktion in Gang setzen zu können. Will man es in Kernreaktoren nutzen, so muss man es anreichern und seinen Uran-235-Gehalt von 0,7 % auf ca. 3 % erhöhen. Da Uran-235 schneller zerfällt als Uran-238, hatte das natürlich vorkommende Uran früher einen höheren Uran-235-Gehalt als heute. Für das Oklo-Uran lag dieser Gehalt vor 2 Milliarden Jahren bei 3 %. Doch für eine Kettenreaktion muss noch eine zweite Bedingung erfüllt sein. Damit die beim Zerfall eines Uran-235-Kerns freiwerdenden Neutronen weitere Kerne derselben Art spalten können, müssen sie zuvor durch einen Moderator abgebremst werden. Diese Rolle spielte beim Oklo-Reaktor das Wasser, das in die uranhaltigen Schichten eingedrungen war.

Berechnungen haben gezeigt, dass der Oklo-Reaktor eine mittlere Leistung von 100 kW hatte, also etwa so viel wie ein kleiner Forschungsreaktor. Er lief rund 150.000 Jahre lang und verbrauchte dabei mehr als 5 Tonnen Uran-235, bevor er sich wieder abschaltete. Doch wie konnte dieser kritisch gewordene Reaktor so lange stabil laufen, ohne dass es zu einer nuklearen Explosion kam? Die detektivische Arbeit von Alex Meshik und seinen Kollegen an der Washington University in St. Louis hat jetzt – nach 2 Milliarden Jahren – Details des Reaktorbetriebes zutage gefördert.

Die Wissenschaftler haben verschiedene Edelgasisotope, die in einer Materialprobe des Oklo-Reaktor eingeschlossenen waren, mit einem Massenspektrometer genauer unter die Lupe genommen. So war das Edelgasisotop Xenon-136, das bei der Kernspaltung des Uran-235 entsteht, sehr ungleichmäßig in der aus Uranoxid und Aluminiumphosphat bestehenden Probe verteilt. In den Aluminiumphosphatkristallen war die Xenon-136-Konzentration deutlich höher als in den Uranoxidkristallen und erreichte Werte, die bisher noch nie in natürlichen Materialien beobachtet worden waren. Das Xenon war vom Uranoxid ins Aluminiumphosphat gewandert und dort festgehalten worden. Diese Eigenschaft des Aluminiumphosphats könnte bei der sicheren Lagerung von radioaktivem Abfall von Nutzen sein, betonen die Forscher.

Aus der Verteilung der verschiedenen, bei der Uranspaltung entstehenden Xenonisotope in der Oklo-Probe schließen Alex Meshik und seine Kollegen, dass der Reaktor in Pulsen gearbeitet hat. Demnach war der Reaktor jeweils für etwa eine halbe Stunde kritisch und es wurde Uran-235 gespalten. Dabei diente Wasser in der uranhaltigen Schicht als Moderator. Die bei der Kernspaltung freiwerdende Energie erhitzte das Wasser sehr stark, sodass es verdampfte und nicht mehr als Moderator zur Verfügung stand. Daraufhin brach die nukleare Kettenreaktion ab und der Reaktor konnte sich abkühlen. Nach etwa zweieinhalb Stunden hatte sich wieder genügend Wasser in der Uranschicht gesammelt, sodass der Reaktor wieder kritisch wurde. Dann konnte das Spiel von vorne beginnen.

Dass die Aktivitäts- und Ruhezeiten des Oklo-Reaktors an die von Geysiren erinnern, ist somit kein Zufall. Es ist jedoch erstaunlich, dass diese Ereignisse Spuren in den Aluminiumphosphatkristallen hinterlassen haben, die uns auch nach 2 Milliarden Jahren einen detaillierten Einblick in den Ablauf dieses ungewöhnlichen Naturschauspiels gestatten. Darüber hinaus ermöglicht es uns der Oklo-Reaktor, gewissermaßen als Langzeitexperiment, sowohl die Ausbreitung von radioaktivem Abfall als auch eine mögliche Änderung der Feinstrukturkonstante zu verfolgen.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  A. P. Meshik et al.: Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon. Phys. Rev. Lett. 93, 182302 (2004).
  http://link.aps.org/abstract/PRL/v93/e182302  
• Laboratory for Space Sciences, an der Washington University in St. Louis:
  http://presolar.wustl.edu/index.html  
• Ausführliche Informationen zum Oklo-Reaktor von Robert Loss:
  http://www.curtin.edu.au/curtin/centre/waisrc/OKLO/index.shtml  
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Oklo-Reaktor finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Kernphysik.

Weitere Literatur:

• P. Meshik et al.: Isotopic fractionation of fission xenon from temperature variations: Implications for the operational conditions of the Oklo reactor. Meteoritics and Planetary Science 38, A119 (2003).
  http://wuphys.wustl.edu/~olga/alex%20metsoc%202003.pdf  
• P. Meshik et al.: Xenon in Oklo Al-phosphate: implication for operational conditions of natural reactors. Geophysical Research Abstracts 5, 14271 (2003).
  http://wuphys.wustl.edu/~olga/Alex%20Nice%202003.pdf