Il caso di Oklo - Può la fissione nucleare essere un fenomeno naturale?

[dantes76]

Il caso di Oklo - Può la fissione nucleare essere un fenomeno naturale?
25 Gennaio 2007 di Amministratore

Vincenzo Romanello ci ha mandato un documento di approfondimento sul caso del reattore nucleare naturale di Oklo (in Gabon). Tale documento è stato scritto dall’ Ing. Vincenzo Romanello, dall’ Ing. Guglielmo Lomonaco e dal Prof. Nicola Cerullo.

Può la fissione nucleare essere un fenomeno naturale? Il caso di Oklo - di V. Romanello, N. Cerullo, G. Lomonaco (gennaio 2007)

Qualche anno dopo l’ accensione da parte di Enrico Fermi della prima pila atomica della storia (avvenuta il 2 dicembre 1942), gli scienziati cominciarono ad investigare sull’ arricchimento dell’ uranio, considerando campioni provenienti da centinaia di siti diversi; il valore universalmente riscontrato del rapporto fra uranio 235 (U235) ed uranio 238 (U238) è oggi di 0,007202±0.00006 (valore riscontrato anche nelle rocce lunari) [1].
Il 2 giugno 1972 nell’ impianto francese di produzione del combustibile nucleare di Pierrelatte fu rilevato che alcuni campioni dell’ uranio proveniente dal giacimento di Oklo, nel Gabon (Africa equatoriale) aveva un arricchimento di 0,00440.

Tale circostanza suggerì la presenza di un inatteso fenomeno. All’ inizio si pensò che inavvertitamente del combustibile esausto fosse finito nell’impianto, ipotesi però subito scartata a causa dell’assenza del forte campo di radiazioni che in tal caso sarebbero stato presente. Un esame approfondito del fenomeno ha portato alla conclusione che si trattava delle conseguenze di un bruciamento dell’ U235 in seguito a reazioni di fissione avvenute in una sorta di reattore nucleare “naturale”.

In seguito si rilevò che si sarebbe trattato di ben 17 reattori nucleari naturali sotterranei. Successivamente ne è stato scoperto un altro a Bangombe, sempre nel Gabon, a 35 Km dal sito di Oklo.

Come è potuto avvenire questo straordinario fenomeno? La spiegazione risiede nei diversi periodi di dimezzamento dell’ U235 (fissile) e dell’ U238 (fertile), rispettivamente 7,04∙10^8 e 4,47∙10^9 anni (fig.1). Pertanto la composizione isotopica risulta variabile nel tempo. Si calcola facilmente che circa due miliardi di anni fa la percentuale di U235 (arricchimento) era pari al 3% (ossia all’incirca quella degli odierni reattori nucleari ad acqua).

Poiché l’ unico processo conosciuto che porta ad una riduzione del contenuto di U235 è la fissione nucleare, i tecnici francesi teorizzarono la presenza di alcuni reattori nucleari due miliardi di anni prima. Naturalmente la formazione dei reattori poteva anche essere anteriore, tuttavia i depositi sedimentari di uranio della regione di Oklo hanno richiesto, per la loro formazione, il trasporto per mezzo dell’ acqua di ioni uranili (UO2++) reso possibile, in quanto l’ uranio è insolubile in acqua priva di ossigeno, dalla presenza di batteri ossigeno-produttori, (che non esistevano prima di circa due miliardi di anni fa).
Si è calcolato che, in tali depositi, abbiano subito fissione nucleare circa 5 tonnellate di uranio 235, con una produzione di 6 tonnellate di prodotti di fissione e 2,5 tonnellate di plutonio, con un rilascio di energia di circa 10^8 MWh (ossia l’ energia elettrica che un impianto da 1000 MWe produce in oltre 11 anni di funzionamento!).

Probabilmente i reattori di Oklo hanno lavorato in modo pulsato, a livelli medi di potenza di 0,01 MW, per tempi dell’ ordine del milione di anni. Il meccanismo che si può ipotizzare è il seguente: il calore provocava l’evaporazione l’acqua che aveva assolto la funzione di moderatore, interrompendo la reazione che ripartiva solo in presenza di altra acqua.

Ulteriori conferme all’ ipotesi della pregressa esistenza di reattori nucleari “naturali” si sono avute dall’ analisi delle distribuzioni isotopiche di alcuni elementi, che si avvicinava molto più a quella originata dalla fissione dell’uranio che non a quella riscontrata in natura. Tale analisi ha inoltre consentito di stimare l’età dei reattori.

La storia del sito di Oklo può essere divisa in quattro tappe:
- fase di mobilizzazione dell’ uranio, iniziata circa 3,5 miliardi di anni fa;
- formazione dei reattori, circa 2,8 miliardi di anni fa;
- entrata in funzione dei reattori, circa 2 miliardi di anni fa;
- movimentazione dei prodotti di reazione, negli ultimi 2 miliardi di anni.

Tali stime sono state possibili grazie all’utilizzo di opportuni “orologi” radioattivi (U238, etc.).
In particolare un indice molto chiaro di quello che era avvenuto si era avuto dall’analisi dell’abbondanza isotopica dei minerali presenti nel sito: gli isotopi del neodimio (in particolare Nd142, e Nd143) e del rutenio (in particolare il Ru99 e Ru100) dimostravano un’abbondanza isotopica molto più vicina a quella originata dalla fissione dell’uranio 235 rispetto a quella naturale.

I reattori di Oklo costituiscono un fenomeno naturale raro ed affascinante. Essi rappresentano un esperimento naturale che, tra l’altro, prova l’affidabilità del deposito geologico delle scorie nucleari. Si è constatato che molti prodotti delle reazioni nucleari (gli attinidi, i lantanidi, etc.) sono rimasti praticamente immobilizzati nel sito fino ad oggi, altri hanno subito una movimentazione o redistribuzione molto localizzata. E’ opportuno anche ricordare che il sito di Oklo non è certo ideale per il deposito geologico a causa dell’ alta porosità delle rocce e delle grandi quantità di acqua fluente, capace di mobilizzare prodotti quali il rubidio o il cesio.

A titolo informativo, va rilevato che lo studio del sito di Oklo ha di recente consentito una scoperta che se confermata sarebbe rivoluzionaria: un team di tecnici del LANL (Los Alamos National Laboratory) avrebbe ipotizzato che la costante alfa di struttura fine, inversamente proporzionale alla velocità della luce (supposta fino ad oggi una costante della natura), avrebbe subito una riduzione; questo implicherebbe quindi che la velocità della luce abbia subito un’accelerazione.

Il fatto che questi reattori nucleari abbiano funzionato per tanto tempo prova che sia le radiazioni sia le scorie nucleari non hanno distrutto gli ecosistemi presenti in loco.




Nella figura sovrastante è rappresentato l’ arricchimento dell’ uranio naturale in funzione del tempo; nell’ intersezione con la linea verde l’ arricchimento all’ epoca dei reattori di Oklo, nell’ intersezione con la linea tratteggiata in blu quello attuale [2].

Bibliografia
[1] “Introductory Nuclear Physics“, K. S. Krane – Wiley – pagg. 516-520
[2] “Analisi di alcune peculiari potenzialità degli HTR: la produzione di idrogeno ed il bruciamento degli attinidi” - V. Romanello - Tesi di laurea in Ingegneria Nucleare, relatori prof. N. Cerullo, prof. G. Forasassi, prof. B. Montagnini, ing. G. Lomonaco, Università di Pisa - Ottobre 2003
http://etd.adm.unipi.it/theses/avail...152003-181233/

http://www.archivionucleare.com/inde...eare-naturale/

[stbarlet]

Molto interessante la cosa, ne avevo parlato in classe l`anno scorso facendo i vulcani.. la cosa piú interessante é il moderatore..

[bjt2]

Originariamente inviato da stbarlet

Molto interessante la cosa, ne avevo parlato in classe l`anno scorso facendo i vulcani.. la cosa piú interessante é il moderatore..

Ci sono certi moderatori qui... Molto interessanti... (chissà a chi mi riferisco...)

Seriamente... Questa cosa della costante di struttura fine è molto interessante... Bisogna determinare con precisione tutti i parametri. Poi si devono stimare gli errori. Se si dimostra questa incongruneza due sono le cose: o la costante non è costante. o la teoria fino a qui accettata non è completa e/o corretta... E bisognerà cercarne una che spiega i fatti...

[ChristinaAemiliana]

La fissione può tranquillamente essere un fenomeno naturale del tipo descritto. Le condizioni necessarie possono senza dubbio essere verificate "per caso" e senza l'intervento umano.

[Bounty_]

Avevo letto un articolo di "Le scienze" al riguardo
http://lescienze.espresso.repubblica...logici/1285544
Chissa' che gli ambientalisti si convincano che la fissione nucleare e' naturale:
cosi' sostituiamo centrali elettriche a combustibili fossili con:
centrali nucleari autofertilizzanti a fissione e dimezziamo la CO2 prodotta.
Difatti mi definisco ecologista filonucleare (e filoOGM ma solo quelli terminator)
Ciao

[ChristinaAemiliana]

Sarebbe davvero assurdo se si convincessero grazie a un'argomentazione del genere, come se valesse l'implicazione "naturale ---> salutare ed esente da rischi"...

[bjt2]

Originariamente inviato da ChristinaAemiliana

Sarebbe davvero assurdo se si convincessero grazie a un'argomentazione del genere, come se valesse l'implicazione "naturale ---> salutare ed esente da rischi"...

Un po' di radiazioni non hanno mai fatto male a nessuno... Pensate (e non scherzo) che mia madre quando era incinta di me (e un anno dopo mio fratello), lavorava all'accettazione di una clinica privata. L'accettazione era vicino al bar. E al bar venivano tranquillamente a consumare i pazienti iniettati della medicina nucleare... Ha protestato con il sindacato, ma nel '77 figuriamoci... In effetti non ho mai capito a cosa serve questa strana appendice che ho dietro la schiena... (scherzo... Non ho nulla... Spero... )

[Doraneko]

Originariamente inviato da ChristinaAemiliana

Sarebbe davvero assurdo se si convincessero grazie a un'argomentazione del genere, come se valesse l'implicazione "naturale ---> salutare ed esente da rischi"...

Beh,ti sembrerà strano ma secondo me certa gente la pensa proprio così!
A sentir parlare alcune persone sembra che i fenomeni naturali non possano causare danni proprio per il fatto che sono "naturali".
Per zittirli basta citare fenomeni naturali quali:caduta di meteoriti,eruzioni vulcaniche,terremoti,tsunami,improvviso rilascio di enormi quantità di CO2 dal fondo dei laghi delle zone vulcaniche,ecc...

[lowenz]

Originariamente inviato da ChristinaAemiliana

Sarebbe davvero assurdo se si convincessero grazie a un'argomentazione del genere, come se valesse l'implicazione "naturale ---> salutare ed esente da rischi"...

Alcuni ce l'hanno in testa

[Zerk]

Non mi è tanto chiara una cosa, come mai quando l'acqua evaporava il reattore si spegneva? Queste sono le mie ipotesi:
L'acqua "conduce" i neutroni meglio dell' aria (sono elettrotecnico sorry).
L'acqua è il catalizzatore della reazione.

Ma allora per rendere un reattore sicuro basta farlo ad acqua e non si fonderà mai perchè sparita quella si spegne da solo? Veramente interessante.

[dsx2586]

Originariamente inviato da Zerk

Non mi è tanto chiara una cosa, come mai quando l'acqua evaporava il reattore si spegneva? Queste sono le mie ipotesi:
L'acqua "conduce" i neutroni meglio dell' aria (sono elettrotecnico sorry).
L'acqua è il catalizzatore della reazione.

Ma allora per rendere un reattore sicuro basta farlo ad acqua e non si fonderà mai perchè sparita quella si spegne da solo? Veramente interessante.

L'acqua fa da moderatore, e rallenta la velocità dei neutroni. Infatti solo i neutroni termici (lenti) sono in grado di sostenere la reazione a catena

[Zerk]

Grazie mille!!, ma ora mi sovviene un ulteriore domanda, nella bomba nucleare, chi è che rallenta i neutroni?

[bjt2]

Originariamente inviato da Zerk

Grazie mille!!, ma ora mi sovviene un ulteriore domanda, nella bomba nucleare, chi è che rallenta i neutroni?

QUalche altro moderatore, come la grafite... Infatti Chernobyl è esplosa ANCHE per questo...

[lowenz]

Originariamente inviato da Zerk

Grazie mille!!, ma ora mi sovviene un ulteriore domanda, nella bomba nucleare, chi è che rallenta i neutroni?

Non vengono rallentati, dato che la reazione deve essere di tipo esplosivo, anche con bassa efficienza
Da wikipedia:

Bombe a fissione con detonazione a proiettile

Detta più semplicemente gun-triggered fission bomb, si tratta del tipo più semplice di bomba nucleare e in effetti la Little Boy (da 14,5 kilotoni) lanciata su Hiroshima era proprio di questo tipo: proprio perché ancora rudimentale, la bomba aveva un'efficienza bassissima, dell'1,5%, per cui solo quindici millesimi del materiale potenzialmente fissionabile vennero effettivamente fissionati. Il principio di base è quello secondo cui le singole masse subcritiche vengono messe assieme mediante l'energia cinetica di un proiettile sparato. All'interno della bomba è presente una specie di lungo tubo: ad un estremo è presente un proiettile di uranio 235 mentre all'altro capo si trova il generatore di neutroni circondato da una sfera sempre di U 235. Nel momento in cui viene decisa l'esplosione (generalmente sulla bomba viene installato un barometro che fa esplodere l'ordigno all'altezza desiderata), dell'esplosivo detona e fa partire il proiettile di uranio, questo attraversa il tubo e colpisce la sfera alla fine del percorso, a questo punto i neutroni vengono liberati provocando la fissione e la conseguente esplosione. Ovviamente tutte queste operazioni vengono effettuate in intervalli di tempo ridottissimi.

Bombe a fissione ad implosione

Ciò che cambia rispetto al tipo precedente consiste solo nella modalità di detonazione. Invece della pallottola di uranio, è presente un involucro sferico cavo in plutonio 239 circondato da esplosivo. Dato che all'interno della sfera è presente il nucleo fissionabile, quando l'esplosivo viene fatto detonare l'onda d'urto porta all'implosione del nucleo di plutonio facendolo diventare supercritico e rendendo possibile la reazione a catena che termina con un'enorme esplosione. Oggi esistono ordigni ad implosione più avanzati rispetto al primo, che fu proprio la bomba Fat Man sganciata su Nagasaki, da 23 kilotoni e con un'efficienza del 17%.

[ChristinaAemiliana]

Originariamente inviato da Zerk

Ma allora per rendere un reattore sicuro basta farlo ad acqua e non si fonderà mai perchè sparita quella si spegne da solo? Veramente interessante.

In effetti è proprio così...se togli il moderatore la reazione tende a "spegnersi".

Rimane però un piccolo problema, quello della potenza residua: porre la reattività a zero non significa ottenere un reattore freddo e un nocciolo pulito. Non dimentichiamo che l'acqua, nei reattori occidentali, è anche il fluido refrigerante oltre che il moderatore, quindi va da sè che evaporata quella la potenza termica non venga più asportata efficacemente e si possa arrivare alla fusione del nocciolo. Per questa ragione, e proprio per questi casi, esiste un sistema molto complesso chiamato RHRS (Residual Heat Removal System), il sistema di rimozione del calore residuo, che in estrema semplicità potrebbe essere definito un raffreddamento ausiliario.

[ChristinaAemiliana]

Originariamente inviato da bjt2

QUalche altro moderatore, come la grafite... Infatti Chernobyl è esplosa ANCHE per questo...

Lasciando da parte Chernobyl che è una follia e basta, la grafite è un pessimo moderatore già di suo.

[bjt2]

Originariamente inviato da ChristinaAemiliana

Lasciando da parte Chernobyl che è una follia e basta, la grafite è un pessimo moderatore già di suo.

Ci sono moderatori e moderatori... ( e moderatrici... )