مفاعل الجابون النووي القديم
ربما بدأت النوويات في أمريكا، ولكن في الجابون، بدأت أول تفاعل انشطاري في العالم. الجابون هي واحدة من أغنى الدول في جنوب الصحراء الأفريقية، حيث يكون دخل الفرد أربعة أضعاف دخل جيرانها. يعتمد اقتصادها بشكل رئيسي على النفط، وتليه صادرات الأخشاب والمنغنيز. لفترة قصيرة، كان الجابون يصدر أيضا اليورانيوم، وهو مادة خام قيمة تستخدم في محطات الطاقة النووية والأسلحة النووية. انتهى مخزونها اليوم، لكن منذ ما يقرب من ملياري سنة، كان هناك كمية كافية من اليورانيوم تؤدي إلى انشطار نووي تلقائي في الصخور .
توزيع اليورانيوم في القشرة الأرضية
تتواجد اليورانيوم بشكل طبيعي في ثلاثة أشكال مختلفة، وتختلف هذه الأشكال عن بعضها بعدد النيوترونات الموجودة في النواة، والشكل الأكثر شيوعا هو اليورانيوم 238، الذي يمثل 99٪ من إجمالي اليورانيوم في الأرض، كما يوجد 0.72٪ من اليورانيوم 235، وكمية صغيرة جدا من اليورانيوم 234 تصل إلى 0.006٪. وجميع نظائر اليورانيوم الثلاثة غير مستقرة ولها نشاط إشعاعي ضعيف، ولكن اليورانيوم 238 واليورانيوم 235 هما النوعان اللذان يمكن أن يخضعا لعملية الانشطار النووي، ويعتبر اليورانيوم 238 الأكثر استقرارا، بينما يميل اليورانيوم 235 إلى الانشطار بسهولة أكبر، وبالتالي يعد وقودا أكثر استخداما في مفاعلات الطاقة النووية .
تتوزع نظائر اليورانيوم الثلاثة في قشرة الأرض بتناسب ملحوظ، حيث يحتوي أي خام يورانيوم مستخرج اليوم بالضبط على 0.72٪ من اليورانيوم 235. ومع ذلك، هذا التركيز منخفض جدا لتعزيز الانشطار النووي، ويراد تخصيب اليورانيوم أولا بواسطة عملية معقدة تشمل أجهزة الطرد المركزي والانتشار الغازي لزيادة التركيز إلى 3٪ على الأقل. وتتطلب المفاعلات النووية النموذجية 3-5٪ من اليورانيوم 235، بينما تتطلب القنابل النووية نسبة هائلة تصل إلى 90٪ .
مدى وفرة اليورانيوم -235 واليورانيوم 238
تتغير نسبة اليورانيوم -235 مقارنة باليورانيوم 238 الخام منذ تشكل الأرض لأن اليورانيوم مشع ويتحلل مع مرور الوقت إلى عناصر أخرى، ويتحلل اليورانيوم 238 بمعدل أبطأ بكثير بسبب وجود عمر نصف يبلغ 4.5 مليار عام، مقارنة باليورانيوم -235 الذي يتحلل بمعدل أسرع بسبب وجود عمر نصف يبلغ 700 مليون سنة. ولذلك، كان اليورانيوم 235 متاحا بتركيز عال لفترة طويلة في الماضي. وبفضل معرفتنا لعمر النصف لليورانيوم -235، يمكننا بسهولة تقدير كمية اليورانيوم -235 المتاح في أوقات جيولوجية مختلفة. فعلى سبيل المثال، كان هناك ضعف في كمية اليورانيوم -235 قبل 700 مليون سنة، وهو ما يعادل 1.3 في المائة من اليورانيوم الخام، في حين كانت النسبة 2.3 في المائة قبل 1.4 مليون سنة. وبينما تتزايد كمية اليورانيوم 238 أيضا، فإن ذلك يحدث بمعدل أبطأ، ولذلك لا تتضاعف النسب المئوية. وكان تركيز اليورانيوم 235 حوالي 4 في المائة منذ ملياري سنة، وكان 17 في المائة في وقت تكوين النظام الشمسي .
الانشطار النووي لليورانيوم 235
في الخمسينيات من القرن الماضي، اعتقد العلماء أن جزءا من اليورانيوم 235 الموجود على قشرة الأرض لابد أن يكون قد خضع للانشطار النووي بشكل طبيعي، نظرا لتراكمه طوال الملايين من السنين. وفي عام 1956، زاد الفيزيائي الأمريكي الياباني بول كورودا من هذه الفكرة ودرس الظروف التي يمكن أن يتطور فيها الانشطار النووي بشكل تلقائي ومستدام. واقترح كورودا أن يكون الموقع الذي يحتوي على اليورانيوم ذو نسبة عالية منه، ويجب أن يتجاوز سمك الخام متوسط الطول الذي تسلكه النيوترونات المسببة للانشطار، ويجب أن يكون هناك عامل وسيط يبطئ النيوترونات التي تنتج عند انشطار اليورانيوم، وألا 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 عاما، في عام ١٩٧٢، 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 ٢٣٥ في الخام لم يكن ٠.٧٢ في المئة، ولكنه أقل. يبدو أنه كان هناك بعض الخلاف حول الأرقام. ووفقا لبعض المنشورات، كان تركيز الخامات المستخرجة من أوكلو (مفاعل الانشطار النووي الطبيعي الأحفوري) بتركيز اليورانيوم-٢٣٥ بنسبة ٠.٧١٧ في المئة، أي بفارق ٠.٠٠٣ في المائة فقط. ولكن الفرق الآخر كان كبيرا. ووفقا لبحث نشر في المجلة الدولية للفيزياء الحديثة، فإن خامات أوكلو، كانت تحتوي على ٠.٦٠ في المائة فقط من اليورانيوم ٢٣ .
تم اكتشاف كميات ضئيلة من عناصر أخرى موجودة في الخام بنسبة تشبه تلك الموجودة في الوقود المستنفد المتولد عن محطات الطاقة النووية، وتشير هذه النتائج إلى أن المنجم في أوكلو، حيث تم الحصول على اليورانيوم، تعرض للانشطار النووي التلقائي في مرحلة ما في الماضي البعيد، وقد استنفذ اليورانيوم 235 في الخام نظرا لاستخدام جزء منه في الانشطا .
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 حدث فيها الانشطار النووي التلقائي .
كيف يعمل مفاعل الجابون النووي
خلال فترة قصيرة من الزمن، استطاع الباحثون تحديد تفاصيل حول كيفية عمل مفاعلات قبل التاريخ، وبسبب النشاط الحيوي للبكتيريا الزرقاء قبل حوالي 2.4 مليار سنة، زادت نسبة الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض بمقدار مائة ضعف، وهذا الزيادة سمحت بتحويل اليورانيوم من شكله غير القابل للذوبان إلى أكسيد القابل للذوبان، حيث أدت المياه الناتجة عن هطول الأمطار والمصادر الطبيعية إلى إذابة اليورانيوم وترسيبه في طبقات من الحجر الرملي حتى أصبح مركزا جيدا لتفاعل تسلسل .
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 .
بفضل استقرار الكراتون أو المجن الأفريقي، انتقلت هذه المفاعلات الطبيعية القديمة قليلا من مواقعها الأصلية، وفي إحدى الحالات تم العثور على البلوتونيوم، وهو أحد المنتجات الثانوية للتفاعل، على بعد أقل من 10 أقدام من المكان الذي تشكلت فيه قبل ملياري سنة. وربما كانت هناك مفاعلات نووية طبيعية تعمل في أماكن أخرى على الأرض منذ مليارات السنين، ولا تزال هذه المفاعلات النووية الطبيعية في الجابون فريدة من نوعها.