Oklo – två miljarder år gamla naturliga reaktorer
I Gabon i Västafrika finns områden där koncentrationen av klyvbart uran för två miljarder år sedan var så hög att kärnreaktionen startade, precis som i en reaktor i ett kärnkraftverk. Detta fångade SKB:s Lena Zetterström Evins intresse vilket resulterade i en doktorsavhandling.
När franska geologer i början av 1970-talet undersökte en mer än två miljarder år gammal uranfyndighet i Oklo i Gabon i Västafrika fann de något märkligt. Proportionerna mellan olika former av uran var på sina ställen helt annorlunda än vad man brukar finna i naturen.
Normalt är den tyngre kärnsammansättningen uran-238 ungefär 139 gånger vanligare än den lättare och klyvbara formen uran-235. Men i Oklo är förhållandet rubbat. Koncentrationen av den lättare kärnan var mycket lägre än den borde vara.
Hittills är Oklo det enda stället på jorden där dessa proportioner är annorlunda. Något måste ha hänt just på denna plats. Men vad?
Rester av reaktorer
Det sensationella svaret var att uranfyndigheterna var resterna av naturliga kärnreaktorer. Totalt hittade geologerna ett femtontal reaktorzoner. En typisk reaktorzon är cirka tio meter i diameter och cirka 50 centimeter tjock.
SKB:s bränsleexpert Lena Zetterström Evins skrev sin doktorsavhandling om Oklo. Hennes specialitet är mineralet uraninit, som till största delen består av urandioxid, men även innehåller bly. Bly är den stabila slutformen när uran faller sönder.
Lena Zetterström Evins. Foto: SKB.
– Uraninit är en utmärkt naturlig analogi till använt kärnbränsle. Genom att titta på kristallstrukturen och förhållandet mellan uran och bly kan man avgöra när mineralet träffat på varma vätskor och kristalliserat om. På så sätt kan man kartlägga reaktorernas geologiska historia.
Alla reaktorzonerna har uppstått på platser där ett lager av uranhaltig sandsten mött ett ovanpåliggande skikt av lerskiffer. I gränsområdet koncentrerades uranet långsamt genom att syrerikt grundvatten trängde upp genom sandstenen underifrån och förde med sig uran.
– Från början var sandstenen porös och kunde lätt släppa igenom vatten, berättar Lena.
– Med tiden fylldes håligheterna igen med bland annat kvarts, så att vattenströmningen nuförtiden sker i sprickor, precis som i uppsprucken granit.
Reaktorprodukter bildades
Till slut blev mängderna av uran i gränsen mellan sandstenen och lerskiffern så stora att kärnreaktionen startade, precis som i ett kärnkraftverk. Och precis som i ett kärnkraftverk bildades det reaktionsprodukter av olika slag.
En reaktorzon kunde vara aktiv i mer än 100 000 år, kanske ända upp till en miljon år. Effekten uppgick till ett par hundra kilowatt, vilket är mellan en hundradel och en tusendel av vad dagens kärnkraftverk kommer upp till.
De långa tidsperioderna gjorde emellertid att omkring sex ton uran-235 förbrukades och bildade en ungefär lika stor mängd radionuklider. Dessa är desamma som i använt kärnbränsle. Där finns bland annat plutonium, strontium, cesium och krypton.
– I Okloprojektet undersökte man också i vilken utsträckning reaktionsprodukterna från kärnreaktionen hade rört sig och om de hade transporterats ut ur kristallstrukturen, säger Lena.
– Det visade sig att många reaktionsprodukter är förvånansvärt orörliga.
Undersökningar i omgivningen visar att plutoniumet inte har förflyttas några längre sträckor, utan bundits vid mineralkorn i berget tämligen omgående. Strontium är något rörligare, men har ändå stannat nära reaktorn.
Beräkningar visar att det har förekommit vissa utsläpp till omgivningen av de mera lättrörliga ämnena cesium och krypton.
Reaktorerna exploaterade
Utöver de naturliga reaktorerna i Oklo finns ytterligare två: en reaktor i Okléobondo, som är en förlängning av fyndigheten i Oklo, och en cirka 35 kilometer söderut i Bangombé.
Reaktorerna i Gabon är verkligen unika, understryker Lena. Några nya naturliga reaktorer skulle inte kunna bildas i dag, eftersom det uran som finns på jorden har fel sammansättning.
– Att reaktorerna över huvud taget kunde uppstå beror på att en rad förhållanden råkade vara rätt. Förutom att uranets sammansättning var annorlunda för två miljarder år sedan fanns det vatten närvarande som kunde bromsa neutronerna som bildades. Omgivningen var också fri från neutrongifter, dvs andra ämnen som absorberade neutroner.
– Sist men inte minst är det en lycklig omständighet att den geologiska miljön varit stabil. Annars skulle reaktorerna lätt kunna gå förlorade vid exempelvis en bergskedjeveckning.
I stället blev det människan som beseglade reaktorernas öde. Gruvan i Oklo är numera nedlagd, men reaktorzonerna har delvis förstörts när malmen runt omkring har brutits. Delar av reaktorzon 2 finns dock kvar. Den är numera ingjuten i betong.
I dag finns bara reaktorn i Bangombé kvar. Också den är hotad av gruvbrytning, men kommer förhoppningsvis att sparas åt eftervärlden.