Reattore a fissione nucleare naturale

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Una particolare conformazione geologica in Gabon ha portato a una reazione nucleare
1. Zona di reazione nucleare
2. Arenaria
3. Strato di uranio
4. Granito

Un reattore a fissione nucleare naturale è un luogo dove si è verificata una reazione di fissione nucleare auto-sostenuta senza intervento di tecnologia. L'unico esempio di reattore di questo tipo noto è una miniera di uranio situata nella zona del fiume Oklo, nel Gabon. In questa miniera di uranio si sono verificate delle reazioni di fissione nucleare innescate circa 1,7 miliardi di anni fa. Questa reazione è stata possibile grazie all'abbondanza dell'isotopo 235 dell'uranio che all'epoca ammontava a circa il 3% e grazie alla presenza di acqua nella miniera. L'acqua ha agito contemporaneamente come moderatore dei neutroni e come fluido di raffreddamento. Si ritiene che il reattore sia rimasto in funzione per alcune centinaia di migliaia di anni con una potenza di 15 GW termici.[1]

Scoperta[modifica | modifica sorgente]

La scoperta di questo reattore risale al 2 giugno 1972. Il dottor Bouzigues era un tecnico impiegato in un impianto di riprocessamento del combustibile nucleare presso Pierrelatte, in Francia, il suo compito consisteva nel quantificare l'abbondanza relativa degli isotopi 235 e 238 dell'uranio nei campioni che giungevano dalle miniere del Gabon con il metodo della spettrometria di massa. Il rapporto naturale tra gli isotopi 235 e 238 è 0,7202% ± 0,0006[2][3], ma Bouzigues scoprì un valore di 0,7171% ± 0,0007, abbastanza diverso per destare sospetti e preoccupazioni. Sembrava che una parte dell'isotopo 235 fosse stata usata prima dell'estrazione dalla miniera: in un primo tempo si pensò a errori, sabotaggio, contaminazione, addirittura a depositi di origine extraterrestre. Il Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) ordinò controlli accurati in ogni punto del trasporto e della lavorazione dal minerale grezzo a Pierrelatte, ma la risposta fu inequivocabile: il minerale estratto a Oklo è diverso da quello che si trova in ogni altro posto del Mondo.
La parola fine alla ingarbugliata vicenda fu il ritrovamento nella miniera di tracce di circa trenta elementi che sono sottoprodotti caratteristici di una reazione di fissione nucleare: non c'era più dubbio.[4]

Il funzionamento nel dettaglio[modifica | modifica sorgente]

I presupposti[modifica | modifica sorgente]

La più importante rivoluzione che si verificò due miliardi di anni fa sulla Terra fu lo sviluppo delle alghe verdi-azzurre: questi microorganismi sono le antesignane delle piante, infatti hanno la caratteristica di poter effettuare la fotosintesi clorofilliana. la loro diffusione diede il via alla creazione dell'atmosfera ad alto contenuto di ossigeno che caratterizza ancora oggi il nostro pianeta.

L'uranio è solubile in acqua solo in presenza di ossigeno, perciò l'aumentare dei livelli d'ossigeno durante le ere geologiche deve avere permesso la soluzione di uranio in acqua e il suo trasporto da parte della stessa fino a luoghi in cui l'uranio finiva col depositarsi, in concentrazioni via via maggiori. Probabilmente queste concentrazioni non sarebbero state possibili senza il nuovo ambiente aerobico creato da questi primi esseri viventi. Altra caratteristica importante è la conformazione particolare del terreno dove si trova la vena uranifera, la sua inclinazione a circa 45° permise infatti l'accumulo di acqua in un serbatoio naturale, dove l'ossido di uranio si potesse concentrare.

Come già menzionato, inoltre, la reazione auto sostenuta non avrebbe potuto avere luogo se la concentrazione di 235U non fosse stata così alta. Infatti, poiché gli isotopi 235 e 238 hanno emivita molto diversa, la loro abbondanza relativa è cambiata continuamente con il passare delle ere geologiche e il rapporto 235U/238U (oggi 0,72% circa, v. sopra) era all'epoca significativamente più alto.

Influenza sullo studio delle costanti universali[modifica | modifica sorgente]

Il meccanismo di funzionamento del reattore e la distribuzione dei suoi prodotti ci permette di stabilire con un buon grado di precisione il valore della costante di struttura fine \alpha. Nel 1976 si sono usati i dati del reattore per stabilire la sezione d'urto del neutrone ai tempi di funzionamento del reattore e si è stabilito che \alpha non è variata nel tempo.[5][6]
Quando era ancora studente, il fisico russo Alexander Shlyakhter studiò una particolare reazione di assorbimento, quella di un atomo di samario-149 con la produzione dell'isotopo samario-150 e di un fotone. Questo fenomeno avviene soltanto in presenza di una risonanza e permette quindi di stabilire con molta precisione (data l'eccezionalità dell'evento) che la quantità di samario-150 recuperata corrisponda a quella che sarebbe prodotta da una reazione simile nel presente.
Altri ricercatori capeggiati da Yasanori Fujii hanno analizzato più a fondo questi dati ed hanno stabilito che la quantità di samario-150 prodotta è compatibile con due livelli di variazione di \alpha. In un caso
\frac{\Delta\alpha}{\alpha} = \frac{\left(-0,2 \pm 0,8\right)\times(10^{-17})}{anno}
e nel secondo
\frac{\Delta\alpha}{\alpha} = \frac{\left(4,9 \pm 0,4\right)\times(10^{-17})}{anno}
Il primo caso ammette una variazione nulla di \alpha, il secondo no. Anche se molti indizi puntano sulla prima ipotesi (soprattutto analizzando alcuni parametri relativa alla cattura neutronica da parte del gadolinio), i fatti non permettono ancora di scartare in maniera ragionevolmente sicura la seconda.[7]

Importanza negli studi sullo stoccaggio geologico[modifica | modifica sorgente]

I residui della fissione ammontano a circa 5,4 tonnellate oltre a circa 1,5 tonnellate di plutonio e altri elementi transuranici. È interessante notare che, nonostante l'ampia presenza di acqua nel sito del reattore, questi prodotti siano rimasti sostanzialmente immobili, nonostante non fossero in forma inerte e isolati. Questa scoperta permette di confermare la validità delle proposte di stoccaggio geologico fatte recentemente (come il sito di Yucca Mountain).[8]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Giancarlo Nebbia, "Nucleare: il frutto proibito", pp 63ss
  2. ^ Ingegneria Energetica e Nucleare - Forum dell'Ingegneria - Il Reattore Naturale di Oklo
  3. ^ Global Security Org - Weapons of Mass Destruction (in inglese)
  4. ^ Neuilly, M.et al.: Sur l’existence dans un passé reculé d’une réaction en chaîne naturelle de fission, dans le gisement d’uranium, C. R. Acad. Sci., 275D, 1847, 1972.
  5. ^ John D. Barrow, "I numeri dell'universo.", cap XI
  6. ^ Petrov, Yu. V., Nazarov, A. I., Onegin, M. S., Petrov, V. Yu., Sakhnovsky, E. G., Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core in Physical Review C, vol. 74, nº 6, 2006, p. 064610.
  7. ^ Y Fujii et al., "The nuclear recation at Oklo 2 billion years ago, Nuclear Physics, B 573, 200, pp 381ss
  8. ^ Yucca Mountain Project: Oklo:Natural Nuclear Reactors.

Coordinate: 1°23′40″S 13°09′39″E / 1.394444°S 13.160833°E-1.394444; 13.160833

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