ربما كان العصر النووي قد بدأ في أمريكا ، ولكن في الجابون بدأ أول تفاعل انشطاري في العالم ، والجابون هي واحدة من أغنى البلدان في أفريقيا جنوب الصحراء ، حيث يبلغ دخل الفرد أربعة أضعاف دخل جيرانها ، ويهيمن على اقتصادها النفط ، ويليه صادرات الأخشاب والمنجنيز ، ولفترة قصيرة ، قامت الجابون أيضًا بتصدير اليورانيوم ، والمواد الخام الثمينة المستخدمة في محطات الطاقة النووية ، والأسلحة النووية ، ولقد انتهى مخزونها اليوم ، ولكن منذ ما يقرب من ملياري سنة كان هناك ما يكفي من اليورانيوم الذي تسبب في جعل الصخور تتسبب في الانشطار النووي التلقائي .
توزيع اليورانيوم في القشرة الأرضية
يوجد اليورانيوم في الطبيعة في شكل ثلاثة نظائر ، أو متغيرات تختلف عن بعضها البعض بعدد النيوترونات الموجودة في النواة ، والشكل الأكثر شيوعًا هو اليورانيوم 238 ، الذي يمثل 99٪ من إجمالي اليورانيوم على الأرض ، وحوالي 0.72 في المئة من اليورانيوم -235 وهناك كمية صغيرة جدا حوالي 0.006 في المئة من اليورانيوم 234- ، مع العلم جميع نظائر اليورانيوم الثلاثة غير مستقرة ، وهي ذات نشاط إشعاعي ضعيف ، لكن فقط اليورانيوم 238 واليورانيوم 235 يستطيعان الانشطار النووي ، وبين هذين النوعين يكون اليورانيوم 238 أكثر استقرارًا ، في حين أن اليورانيوم 235 يخضع للانشطار بسهولة أكبر ، وبالتالي فهو الوقود الأكثر استخدامًا في مفاعلات الطاقة النووية .
يتم توزيع نظائر اليورانيوم الثلاثة في قشرة الأرض بتناسق ملحوظ ، بحيث يحتوي أي خام من اليورانيوم المستخرج اليوم على 0.72 بالمائة بالضبط من اليورانيوم 235- ، ومع ذلك فإن هذا التركيز منخفض للغاية لتعزيز الانشطار النووي ، حيث يجب تخصيب اليورانيوم أولاً من خلال عملية معقدة تشمل أجهزة الطرد المركزي والانتشار الغازي بحيث يصبح تركيزه 3 في المائة على الأقل ، ويتطلب المفاعل النووي النموذجي ما بين 3 إلى 5 في المائة من اليورانيوم 235 ، والقنبلة النووية تتطلب نسبة هائلة تصل إلى 90 في المائة .
مدى وفرة اليورانيوم -235 واليورانيوم 238
تتغير نسبة اليورانيوم -235 بالنسبة لليورانيوم 238 الخام منذ تشكل الأرض لأن اليورانيوم مشع ويتحلل إلى عناصر أخرى مع مرور الوقت ، ويتحلل اليورانيوم 238 بمعدل أبطأ بكثير ( له عمر نصف يبلغ 4.5 مليار عام ) مقارنة باليورانيوم -235 (عمر النصف يبلغ 700 مليون سنة) ، لذلك كان اليورانيوم 235 متاحًا بتركيز عالٍ للغاية قبل فترة طويلة مما كان عليه اليوم نظرًا لأننا نعرف عمر النصف لليورانيوم – 235 ، ويمكننا بسهولة تقدير مقداره المتاح في أوقات جيولوجية مختلفة ، على سبيل المثال قبل 700 مليون سنة كان هناك ضعف كمية اليورانيوم 235 كما هو اليوم (1.3 في المائة) ، وأربعة أضعاف ما كان عليه قبل 1.4 مليون سنة (2.3 في المائة) ، علماً بأن كمية اليورانيوم 238 تتزايد أيضًا ، وإن كان بمعدل أبطأ ، لذلك لا تتضاعف النسب المئوية. ، وكان تركيز اليورانيوم 235 ما يقرب من 4 في المئة منذ ملياري سنة ، و 17 في المئة في وقت تكوين النظام الشمسي .
الانشطار النووي لليورانيوم 235
وفي الخمسينيات من القرن الماضي ، افترض العلماء أنه مع تركيز الكثير من اليورانيوم 235 على قشرة الأرض منذ ملايين السنين ، يجب أن يكون جزء من هذه المادة قد خضع للانشطار بشكل طبيعي بشرط أن تكون الظروف مناسبة ، وفي عام 1956 ، ضاعف الفيزيائي الياباني الأمريكي بول كورودا من الفكرة ونظّر إلى الظروف التي يمكن أن يتطور فيها الانشطار النووي بشكل تلقائي ومستدام ، واقترح كورودا أنه لكي يبدأ الانشطار النووي بشكل طبيعي ، يجب أن يحتوي الموقع على نسبة عالية من اليورانيوم ويجب أن يتجاوز سمك الخام متوسط الطول الذي تسلكه النيوترونات المسببة للانشطار ، ويجب أن يكون هناك أيضًا عامل وسيط أي شيء يمكن أن يبطئ النيوترونات التي تنتج عند انشطار اليورانيوم ، وأخيراً ، يجب ألا يكون هناك كميات كبيرة من العناصر الممتصة للنيوترونات (مثل الفضة أو البورون) ، والتي من شأنها أن تمنع التفاعل النووي القائم بذاته .
اكتشاف مفاعل الجابون النووي
تم اكتشاف هذا المفاعل الطبيعي بعد ستة عشر عامًا ، في عام 1972 ، في الجابون ، في ذلك الوقت كان الفرنسيون يقومون بالتنقيب عن اليورانيوم في الجابون ، وهي مستعمرة فرنسية سابقة لاستخدامها في محطات الطاقة النووية ، وأثناء القياس الروتيني لخام اليورانيوم في منجم في أوكلو ، في جنوب شرق الجابون ، لاحظ الفرنسيون أن محتوى اليورانيوم 235 في الخام لم يكن 0.72 في المائة ، ولكنه أقل ، ويبدو أنه كان هناك بعض الخلاف حول كم كانت الأرقام ، ووفقًا لبعض المنشورات ، كان تركيز الخامات المستخرجة من Oklo (مفاعل الانشطار النووي الطبيعي الأحفوري ) بتركيز اليورانيوم -235 بنسبة 0.717 في المئة ، أي بفارق 0.003 في المائة فقط ، ولكن الفرق الآخر كان كبيرًا ، قوفقا لبحث نشر في المجلة الدولية للفيزياء الحديثة ، فإن خامات أوكلو ، كانت تحتوي على 0.60 في المائة فقط من اليورانيوم 235 .
وكشف الفحص الإضافي عن كميات ضئيلة من العناصر الأخرى الموجودة في الخام ، التي تشبه نسبتها بشدة تلك الموجودة في الوقود المستنفد المتولد عن محطات الطاقة النووية ، وهذه النتائج تشير إلى شيء واحد فقط أن المنجم في أوكلو حيث تم الحصول على اليورانيوم خضع للانشطار النووي التلقائي في مرحلة ما في الماضي البعيد ، وقد تم استنفاد اليورانيوم 235 في الخام لأن بعضًا من ذلك اليورانيوم قد تم استخدامه في الانشطار .
بعد هذا الاكتشاف المذهل ، بدأ الفيزيائيون في البحث عن مناجم اليورانيوم في أوكلو للحصول على مزيد من الأدلة ، وفي النهاية اكتشفوا ستة عشر موقعًا على الأقل داخل هذه المنطقة وقع فيها الانشطار النووي التلقائي .
كيف يعمل مفاعل الجابون النووي
خلال السنوات القليلة التالية ، كان الباحثون قادرين على تحديد تفاصيل كيفية عمل مفاعلات ما قبل التاريخ هذه ، ومنذ حوالي 2.4 مليار سنة ، بسبب النشاط البيولوجي للبكتيريا الزرقاء ، زاد محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض مائة ضعف ، وهذا سمح بتحويل اليورانيوم من شكله غير القابل للذوبان إلى أكسيده القابل للذوبان ، إذ أدت المياه الناتجة عن هطول الأمطار والمصادر الطبيعية إلى إذابة اليورانيوم وترسبته في طبقات من الحجر الرملي حتى أصبحت مركزة جيدًا لبدء تفاعل تسلسلي .
ولقد لعبت المياه في المنجم نفسه دورا حاسما في الحفاظ على رد الفعل ، حيث أبطأ الماء النيوترونات المقذوفة بحيث يمكن امتصاصها بواسطة نوى أخرى وانشطار الزناد ، وبدون الماء ، كانت النيوترونات ترتد ببساطة من الذرات ، وعندما أصبحت الحرارة الناتجة عن الانشطار النووي كبيرة جدًا وصل الماء كله إلى درجة الغليان وتوقف التفاعل ، وبمجرد عودة المياه بدأت العملية مرة أخرى ، وهذه الفترات من النشاط والخمول ربما كانت قصيرة للغاية ، تشير الرياضيات إلى تشغيل المفاعلات لمدة 30 دقيقة وإيقافها لمدة 3 ساعات تقريبًا .
وتعمل مفاعلات الجابون بشكل متقطع بهذه الطريقة لمدة مليون عام أو أكثر حتى يصبح تركيز اليورانيوم منخفضًا جدًا بحيث لا يتمكن من الاستمرار في التفاعلات ، من كمية اليورانيوم -235 المستهلكة في المفاعلات ، يقدر العلماء أن متوسط إنتاج الطاقة للمفاعلات ربما كان أقل من 100 كيلووات .
وبفضل الاستقرار النسبي للكراتون أو المِجَن الأفريقي ، فإن هذه المفاعلات الطبيعية القديمة انتقلت قليلاً من مواقعها الأصلية ، وفي إحدى الحالات ، تم العثور على البلوتونيوم ، أحد المنتجات الثانوية للتفاعل ، على بعد أقل من 10 أقدام من المكان الذي تشكل قبل ملياري سنة ، وربما كانت المفاعلات النووية الطبيعية تعمل في عدة أماكن أخرى على الأرض منذ مليارات السنين ، وتبقى المفاعلات النووية الطبيعية في الجابون فريدة من نوعها حقًا.
توزيع اليورانيوم في القشرة الأرضية
يوجد اليورانيوم في الطبيعة في شكل ثلاثة نظائر ، أو متغيرات تختلف عن بعضها البعض بعدد النيوترونات الموجودة في النواة ، والشكل الأكثر شيوعًا هو اليورانيوم 238 ، الذي يمثل 99٪ من إجمالي اليورانيوم على الأرض ، وحوالي 0.72 في المئة من اليورانيوم -235 وهناك كمية صغيرة جدا حوالي 0.006 في المئة من اليورانيوم 234- ، مع العلم جميع نظائر اليورانيوم الثلاثة غير مستقرة ، وهي ذات نشاط إشعاعي ضعيف ، لكن فقط اليورانيوم 238 واليورانيوم 235 يستطيعان الانشطار النووي ، وبين هذين النوعين يكون اليورانيوم 238 أكثر استقرارًا ، في حين أن اليورانيوم 235 يخضع للانشطار بسهولة أكبر ، وبالتالي فهو الوقود الأكثر استخدامًا في مفاعلات الطاقة النووية .
يتم توزيع نظائر اليورانيوم الثلاثة في قشرة الأرض بتناسق ملحوظ ، بحيث يحتوي أي خام من اليورانيوم المستخرج اليوم على 0.72 بالمائة بالضبط من اليورانيوم 235- ، ومع ذلك فإن هذا التركيز منخفض للغاية لتعزيز الانشطار النووي ، حيث يجب تخصيب اليورانيوم أولاً من خلال عملية معقدة تشمل أجهزة الطرد المركزي والانتشار الغازي بحيث يصبح تركيزه 3 في المائة على الأقل ، ويتطلب المفاعل النووي النموذجي ما بين 3 إلى 5 في المائة من اليورانيوم 235 ، والقنبلة النووية تتطلب نسبة هائلة تصل إلى 90 في المائة .
مدى وفرة اليورانيوم -235 واليورانيوم 238
تتغير نسبة اليورانيوم -235 بالنسبة لليورانيوم 238 الخام منذ تشكل الأرض لأن اليورانيوم مشع ويتحلل إلى عناصر أخرى مع مرور الوقت ، ويتحلل اليورانيوم 238 بمعدل أبطأ بكثير ( له عمر نصف يبلغ 4.5 مليار عام ) مقارنة باليورانيوم -235 (عمر النصف يبلغ 700 مليون سنة) ، لذلك كان اليورانيوم 235 متاحًا بتركيز عالٍ للغاية قبل فترة طويلة مما كان عليه اليوم نظرًا لأننا نعرف عمر النصف لليورانيوم – 235 ، ويمكننا بسهولة تقدير مقداره المتاح في أوقات جيولوجية مختلفة ، على سبيل المثال قبل 700 مليون سنة كان هناك ضعف كمية اليورانيوم 235 كما هو اليوم (1.3 في المائة) ، وأربعة أضعاف ما كان عليه قبل 1.4 مليون سنة (2.3 في المائة) ، علماً بأن كمية اليورانيوم 238 تتزايد أيضًا ، وإن كان بمعدل أبطأ ، لذلك لا تتضاعف النسب المئوية. ، وكان تركيز اليورانيوم 235 ما يقرب من 4 في المئة منذ ملياري سنة ، و 17 في المئة في وقت تكوين النظام الشمسي .
الانشطار النووي لليورانيوم 235
وفي الخمسينيات من القرن الماضي ، افترض العلماء أنه مع تركيز الكثير من اليورانيوم 235 على قشرة الأرض منذ ملايين السنين ، يجب أن يكون جزء من هذه المادة قد خضع للانشطار بشكل طبيعي بشرط أن تكون الظروف مناسبة ، وفي عام 1956 ، ضاعف الفيزيائي الياباني الأمريكي بول كورودا من الفكرة ونظّر إلى الظروف التي يمكن أن يتطور فيها الانشطار النووي بشكل تلقائي ومستدام ، واقترح كورودا أنه لكي يبدأ الانشطار النووي بشكل طبيعي ، يجب أن يحتوي الموقع على نسبة عالية من اليورانيوم ويجب أن يتجاوز سمك الخام متوسط الطول الذي تسلكه النيوترونات المسببة للانشطار ، ويجب أن يكون هناك أيضًا عامل وسيط أي شيء يمكن أن يبطئ النيوترونات التي تنتج عند انشطار اليورانيوم ، وأخيراً ، يجب ألا يكون هناك كميات كبيرة من العناصر الممتصة للنيوترونات (مثل الفضة أو البورون) ، والتي من شأنها أن تمنع التفاعل النووي القائم بذاته .
اكتشاف مفاعل الجابون النووي
تم اكتشاف هذا المفاعل الطبيعي بعد ستة عشر عامًا ، في عام 1972 ، في الجابون ، في ذلك الوقت كان الفرنسيون يقومون بالتنقيب عن اليورانيوم في الجابون ، وهي مستعمرة فرنسية سابقة لاستخدامها في محطات الطاقة النووية ، وأثناء القياس الروتيني لخام اليورانيوم في منجم في أوكلو ، في جنوب شرق الجابون ، لاحظ الفرنسيون أن محتوى اليورانيوم 235 في الخام لم يكن 0.72 في المائة ، ولكنه أقل ، ويبدو أنه كان هناك بعض الخلاف حول كم كانت الأرقام ، ووفقًا لبعض المنشورات ، كان تركيز الخامات المستخرجة من Oklo (مفاعل الانشطار النووي الطبيعي الأحفوري ) بتركيز اليورانيوم -235 بنسبة 0.717 في المئة ، أي بفارق 0.003 في المائة فقط ، ولكن الفرق الآخر كان كبيرًا ، قوفقا لبحث نشر في المجلة الدولية للفيزياء الحديثة ، فإن خامات أوكلو ، كانت تحتوي على 0.60 في المائة فقط من اليورانيوم 235 .
وكشف الفحص الإضافي عن كميات ضئيلة من العناصر الأخرى الموجودة في الخام ، التي تشبه نسبتها بشدة تلك الموجودة في الوقود المستنفد المتولد عن محطات الطاقة النووية ، وهذه النتائج تشير إلى شيء واحد فقط أن المنجم في أوكلو حيث تم الحصول على اليورانيوم خضع للانشطار النووي التلقائي في مرحلة ما في الماضي البعيد ، وقد تم استنفاد اليورانيوم 235 في الخام لأن بعضًا من ذلك اليورانيوم قد تم استخدامه في الانشطار .
بعد هذا الاكتشاف المذهل ، بدأ الفيزيائيون في البحث عن مناجم اليورانيوم في أوكلو للحصول على مزيد من الأدلة ، وفي النهاية اكتشفوا ستة عشر موقعًا على الأقل داخل هذه المنطقة وقع فيها الانشطار النووي التلقائي .
كيف يعمل مفاعل الجابون النووي
خلال السنوات القليلة التالية ، كان الباحثون قادرين على تحديد تفاصيل كيفية عمل مفاعلات ما قبل التاريخ هذه ، ومنذ حوالي 2.4 مليار سنة ، بسبب النشاط البيولوجي للبكتيريا الزرقاء ، زاد محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض مائة ضعف ، وهذا سمح بتحويل اليورانيوم من شكله غير القابل للذوبان إلى أكسيده القابل للذوبان ، إذ أدت المياه الناتجة عن هطول الأمطار والمصادر الطبيعية إلى إذابة اليورانيوم وترسبته في طبقات من الحجر الرملي حتى أصبحت مركزة جيدًا لبدء تفاعل تسلسلي .
ولقد لعبت المياه في المنجم نفسه دورا حاسما في الحفاظ على رد الفعل ، حيث أبطأ الماء النيوترونات المقذوفة بحيث يمكن امتصاصها بواسطة نوى أخرى وانشطار الزناد ، وبدون الماء ، كانت النيوترونات ترتد ببساطة من الذرات ، وعندما أصبحت الحرارة الناتجة عن الانشطار النووي كبيرة جدًا وصل الماء كله إلى درجة الغليان وتوقف التفاعل ، وبمجرد عودة المياه بدأت العملية مرة أخرى ، وهذه الفترات من النشاط والخمول ربما كانت قصيرة للغاية ، تشير الرياضيات إلى تشغيل المفاعلات لمدة 30 دقيقة وإيقافها لمدة 3 ساعات تقريبًا .
وتعمل مفاعلات الجابون بشكل متقطع بهذه الطريقة لمدة مليون عام أو أكثر حتى يصبح تركيز اليورانيوم منخفضًا جدًا بحيث لا يتمكن من الاستمرار في التفاعلات ، من كمية اليورانيوم -235 المستهلكة في المفاعلات ، يقدر العلماء أن متوسط إنتاج الطاقة للمفاعلات ربما كان أقل من 100 كيلووات .
وبفضل الاستقرار النسبي للكراتون أو المِجَن الأفريقي ، فإن هذه المفاعلات الطبيعية القديمة انتقلت قليلاً من مواقعها الأصلية ، وفي إحدى الحالات ، تم العثور على البلوتونيوم ، أحد المنتجات الثانوية للتفاعل ، على بعد أقل من 10 أقدام من المكان الذي تشكل قبل ملياري سنة ، وربما كانت المفاعلات النووية الطبيعية تعمل في عدة أماكن أخرى على الأرض منذ مليارات السنين ، وتبقى المفاعلات النووية الطبيعية في الجابون فريدة من نوعها حقًا.
