energetyka jĄdrowa

ENERGETYKA ENERGETYKA JĄDROWAJĄDROWA

TADEUSZ HILCZERTADEUSZ HILCZER

Reaktory jadrowe Reaktory jadrowe naturalnenaturalne

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 3

OkloOklo


OkloOklo

• Jedyne znane na świecie naturalne reaktory jądrowe znajdują się w południowo-wschodniej części Gabonu w zachodniej Afryce Równikowej.

• Pierwszy naturalny reaktor odkryto w 1972 roku a ostatni w 1991 roku.

• Większość naturalnych reaktorów jądrowych znajduje się w złożu Oklo, a jeden w złożu Bangombe, 30 km na południe od Oklo.


OkloOklo

Okolica złoża w Oklo


GabonGabon

• W Gabonie odkryto złoża rud uranowych o kształcie soczewek,– średnica około 10 m,– grubość około 1 m.

• Złoże zawierało– znacznie mniej (ok. 0.5%) 235U niż normalnie. – znacznie więcej lżejszych nietrwałych pierwiastków,

które są produktami rozszczepienia 235U.• charakterystyczny produkt rozpadu neodym 143 Nd -

dwukrotnie więcej (24% zamiast 12%) niż w innych naturalnych złożach.

• Fakty te doprowadziły do wniosku, że około 2.109 lat temu, gdy naturalne stężenie uranu 235 U było duże, działał tam naturalny reaktor jądrowy.


OkloOklo

Okolica złoża w Oklo


Reaktor w OkloReaktor w Oklo

• Aby mogła zajść reakcja w reaktorze naturalnym muszą być spełnione warunki identyczne jak w reaktorze zbudowanym przez człowieka:– odpowiednie stężenie rozszczepialnego uranu, – małe stężenie związków pochłaniających

neutrony,– obecność dostatecznej ilości substancji

spowalniającej neutrony,– określone rozmiary pozwalające na zajście reakcji

łańcuchowej i jej podtrzymania.• Warunki te w Oklo były spełnione.


Ewolucja reaktora w OkloEwolucja reaktora w Oklo

• Ewolucję reaktora w Oklo można podzielić na cztery okresy:

• Okres I < 3.5 miliarda lat – gromadzenie się uranu. – Ekspansja roślin powodowała zmianę składu

atmosfery ziemskiej i pojawienie się w niej znacznych ilości tlenu.

– Tlen po połączeniu się z innymi związkami po przedostaniu się do wód gruntowych zapoczątkował rozpuszczanie się drobin uranowych,

• stężenie uranu na początku okresu było rzędu ppm

– Rozpuszczony uran dostał się do źródeł i rzek podziemnych.



• Okres II - 3.5 - 2.8 miliarda lat - koncentracja rudy – Podziemne rzeki niosły znaczne ilości osadów,

które gromadząc się w pewnych miejscach powodowały zwiększanie tam koncentracji rudy uranowej.

– odparowanie wody spowodowało postanie owalnych piaskowców.

– Deszcz padający na piaskowiec powodował wniknięcie wody, która dzięki redukcyjnym własnościom niektórych pierwiastków wchodzących w skład piaskowca powodowała powstanie dwutlenku uranu o bardzo wysokiej koncentracji (do 50%).



• Okres III - około 2 - 1.8 miliarda lat - działanie reaktora – zawartość 235 U (tj. ok. 3%) zrealizowana naturalnie,

• przed 2.109 laty masa tego izotopu była wystarczająca

– podłoże geologiczne nie zawierało pierwiastków o dużych przekrojach czynnych na wychwyt neutronów (Cd, B)

• brak reakcji konkurencyjnych do rozszczepienia

– substancją spowalniającą neutrony była woda oraz pewne ilości naturalnie występującego węgla

– materiał rozszczepialny miał odpowiednie rozmiary– woda w miarę podwyższania temperatury odparowywała

co powodowało samoczynnie przerywanie pracy reaktora– po ochłodzeniu woda ponownie dostawała się do obszaru

złoża i reakcja rozpoczynała się od nowa.



• Okres IV - 1.8 miliarda lat do teraz - rozpad produktów reakcji. – Rozpady jąder nietrwałych aż do uzyskania jąder

stabilnych


Reaktor w OkloReaktor w Oklo

• Możliwe, że w reaktorze w Oklo zachodziły również reakcje z plutonem 239Pu.

• Nie występują żadne złoża plutonu czyli pluton został wyprodukowany z 238U

• Można traktować reaktor w Oklo jak naturalny reaktor powielający


Geologia w OkloGeologia w Oklo


RekonstrukcjaRekonstrukcja

• Około 2109 lat temu na głębokości co najmniej 1,5 km zaistniały tam warunki spontanicznych reakcji rozszczepienia, które z przerwami i ze zmiennym natężeniem trwały przez kilkaset tysięcy lat.

• Oszacowano, że masa uranu, która uległa rozszczepieniu była około 7106 kg, co przy uwzględnieniu roli powstałych izotopów Pu, odpowiada rozszczepieniu około 5103 kg izotopu 235U.

• W wyniku reakcji jądrowych powstały wszystkie izotopy, które powstają się we współczesnych reaktorach energetycznych.



Od chwili odkrycia pierwszego naturalnego reaktora znanych jest dotychczas osiemnaście miejsc, w których stwierdzono deficyt 235U w naturalnej mieszaninie wynikający z reakcji jądrowych.

Średnia moc reaktora nie przekraczała 100 kilowatów (zapotrzebowanie dziesięciu domów jednorodzinnych w energię).

• Nie doszło do wybuchu ani stopienia rudy uranu.

• Najprawdopodobniej moderatorem była woda.



• W skałach otaczających złoża uranu zmierzono zawartość ksenonu, który powstaje podczas reakcji łańcuchowej.

• Analiza doprowadziła do wniosku, że reaktor w Oklo rozpalał się i działał przez 30 min. po czym gasł i po upływie 2,5 godziny znowu się rozpalał.

• Cykl ten powtarzał się przez wiele tysięcy lat.• Prawdopodobnie zachodzi mechanizm jak w gejzerach.• W czasie aktywności reaktora woda zmieniała w parę

wodną i wydostawała się na zewnątrz złoża uranu.• Reakcja łańcuchowa zanikała i reaktor „gasł”.• Następny cykl rozpoczynał się gdy znowu zgromadziła

się odpowiednia ilość wody.



• Zawartość uranu rozszczepialnego 235U około 2109 lat temu w pierwotnej rudzie wynosiła 3,7%, co jest porównywalne do zawartości tego izotopu we wzbogaconym paliwie reaktorów lekkowodnych.

• Obecnie obserwowany stosunek 235U/238U w niektórych naturalnych reaktorach wynosi tylko 0,38%, podczas gdy stosunek ten w normalnej rudzie uranu jest równy 0,72%.



• Naturalne reaktory jądrowe występują w piaskowcach na różnej głębokości.

• Najgłębszy znajduje się na głębokości 350 m pod powierzchnią terenu, a najpłytszy na głębokości 12 m.

• W naturalnych reaktorach znajduje się ruda uranu o zawartości uranu dochodzącej aż do 87% wagowych.

• Ruda uranu stanowiła rdzeń reaktora, który miał grubość od 20 do 50 cm, choć były reaktory o grubości 1 m.

• Rdzeń był otoczony otuliną minerałów ilastych, illitem lub chlorytem, tworząc strefę reaktora, która osiągała długość do 30 m i szerokość kilkanaście metrów.


Naturalnie zużyte paliwo jądroweNaturalnie zużyte paliwo jądrowe

• Istniejąca w miejscach reaktorów naturalnych ruda uranu jest naturalnym zużytym paliwem jądrowym.

• Naturalnie zużyte paliwo jądrowe i zużyte paliwo z reaktorów jądrowych energetycznych, mają inny skład chemiczny.

• Szczególnie duża jest zawartość ołowiu radiogenicznego w uraninicie, wynikającą z jego bardzo starego wieku.

• Zawartość radiogenicznego ołowiu w zużytym paliwie jądrowym z reaktorów energetycznych po dziesięciu tysiącach lat wyniesie tylko 1,410-4 % wagowego Pb.



• Reakcje rozszczepienia przebiegały w różnych warunkach.

• Temperatura w czasie naturalnych reakcji jądrowych wynosiła nie więcej niż 780K.

• Woda miała bezpośredni dostęp do rdzenia reaktora.• W czasie reakcji rozszczepienia część rudy uranu

mogła ulegać rozpuszczaniu. • Rozpuszczanie rudy uranu i jej chemiczne

przetwarzanie powtarzały się kilkakrotnie po zakończeniu reakcji jądrowych.

• Uran, produkty jego rozpadu i produkty reakcji jądrowych wędrowały z wodami podziemnymi poza strefę reaktora.



• Pozwala to na prześledzenie mechanizmów migracji radionuklidów po zakończeniu reakcji jądrowych.

• Niektóre (Cs, Rb, Ba i Sr) całkowicie opuściły strefy reakcji i migrowały na nieznaną dzisiaj odległość, nie mniejszą niż kilkadziesiąt metrów.

• Inne pierwiastki zostały przynajmniej częściowo wychwycone przez minerały ilaste i inne minerały otaczające rudę uranu.

• Szczególne interesujące było odkrycie minerałów zawierających izotop 99Ru, powstały z izotopu 99Tc, gdyż technet jest pierwiastkiem, którego istnienia w przyrodzie do niedawna nie podejrzewano.


TechnetTechnet

• Szczególne interesujące było odkrycie minerałów zawierających izotop 99Ru, powstały z izotopu 99Tc.

• Istnienia w przyrodzie technetu do niedawna w ogóle nie podejrzewano.– w śladowych ilościach (3,7 pg) został wykryty w

rudzie uranu ze złoża Cigar Lake.• Na podstawie ilości 99Ru oszacowano, że reaktory w

złożu Oklo wytworzyły co najmniej 730 kg 99Tc. • Badania geochemiczne wykazały, że od 60 do 85%

99Tc zostało na miejscu jego powstania lub w jego najbliższym sąsiedztwie.

• Pozostała część wędrowała z wodami podziemnymi na odległość nie większą niż 10 m.


RutenRuten

• Ruten razem z radem, tellurem i radiogenicznym ołowiem wytrącił się w postaci arsenków i siarkoarsenków.

• Ziarenka arsenku rutenu znaleziono w piaskowcach w odległości 20 cm od strefy jednego z reaktorów.

• Rozmiary ziarenek (1,5 m) odpowiadają metalicznym agregatom E-Ru obserwowanym na granicach międzyziarnowych w wypalonym paliwie z reaktorów energetycznych.

• Analiza izotopów rutenu, w tym 100Ru (powstałego częściowo przez wychwyt neutronów z 99Tc) wykazała, że w arsenkach rutenu zachodziło chemiczne frakcjonowanie Ru i Tc jeszcze w trakcie trwania reakcji jądrowych.


TechnetTechnet

• W ciągu kilku milionów lat, jakie upłynęły od powstania atomów technetu do ich przemiany w ruten, minerały ilaste i piaskowiec otaczające reaktory przerwały ich migrację.

• Było to w dużej mierze dzięki warunkom redukcyjnym, jakie panowały w reaktorach i ich otoczeniu.

• Obserwacje w złożu uranu Koongara w Australii pokazały, że w warunkach utleniających technet jest kilkanaście razy bardziej ruchliwy niż uran.


PlutonPluton

• Stwierdzono ślady migracji 239Pu w otoczeniu reaktorów w Oklo.

• Okres połowicznego zaniku 239Pu wynosi 24100 lat.• Zawartość 239Pu w rudzie z Oklo jest rzędu kilku

pikogramów.• W naturalnych reaktorach stwierdzono obecność

uranu wzbogaconego w 235U w odległości 5,5 m od strefy jednego z reaktorów.


PlutonPluton

• Naturalne reaktory charakteryzują się znacznym zubożeniem w 235U.

• Stwierdzenia istnienia uranu wzbogaconego w 235U wskazuje na rozpad 239Pu do 235U.

• Uran wzbogacony w 235U występował w uraninicie zaadsorbowanym przez minerał ilasty - chloryt.

• Wskazuje to na migrację plutonu co najmniej na odległość 5,5 m poza reaktor, oraz na efektywność minerałów ilastych w przechwytywaniu migrującego plutonu.

energetyka jĄdrowa

Documents