Los reactores nucleares naturales de Oklo han trabajado allí unos dos mil millones de años. Encontramos en la mina de uranio de Oklo , cerca de la ciudad de Franceville en la provincia de Haut-Ogooué en Gabón , los residuos fósiles de reactores nucleares naturales, donde las reacciones en cadena de fisión nuclear autosostenibles habrían tenido lugar mucho antes de la aparición de los seres humanos. .
En 1972 , el físico francés Francis Perrin descubrió en la planta de enriquecimiento militar de Pierrelatte rastros de este fenómeno en el uranio de la mina de uranio de Oklo , operada por la empresa minera de uranio Franceville (Comuf). Estos son los únicos reactores nucleares naturales conocidos en el mundo hasta la fecha. Eran de muy baja potencia en comparación con los reactores nucleares de fabricación humana, pero despertaron un gran interés entre los científicos de la Comisión de Energía Atómica francesa (CEA).
Gabón era colonia francesa cuando los primeros análisis del subsuelo fueron realizados por el CEA desde la base del MABA en Franceville , más precisamente por su brazo industrial que luego se convirtió en Cogema , lo que llevó en 1956 al descubrimiento de depósitos de uranio en esta región.
Francia abrió casi de inmediato minas, administradas por Franceville Uranium Mines Company (COMUF), para explotar los recursos, cerca del pueblo de Mounana . Después de la independencia , en 1960 , el Estado de Gabón recibió una pequeña parte de los beneficios de la empresa.
El "fenómeno Oklo" fue descubierto en 1972 por el laboratorio de la planta de enriquecimiento de uranio en Pierrelatte , Francia. Análisis de rutina en una muestra de hexafluoruro de uranio (UF 6) de la mina Oklo reveló un déficit leve pero anormal de uranio 235 ( 235 U). La proporción normal de 235 U es 0,7202%, mientras que las muestras presentaron solo 0,7171%. Como las cantidades de isótopos fisionables están catalogadas con precisión, esta diferencia tenía que explicarse; además, la CEA inició una investigación . Se realizó una serie de lecturas de la composición isotópica del uranio de Oklo (y otras minas), que revelaron diferencias significativas; la proporción de 235 U en algunas muestras de mineral se redujo a 0,440%. Este aparente déficit de 235 U es exactamente lo que cabría esperar del combustible nuclear usado después de la fisión en un reactor nuclear.
Tal fenómeno era teóricamente creíble y tanto más plausible si nos remontamos al pasado. Hace dos mil millones de años, las leyes de estos depósitos de uranio 235 eran mucho más altas (3.813%) que hoy (0.7202%), lo suficientemente altas como para alcanzar la criticidad y desencadenar una reacción en cadena. Estos depósitos también cumplían otras dos condiciones: la presencia de agua como moderador de la reacción y la ausencia de metales o minerales que absorben demasiados neutrones, incluido, por ejemplo, el cloro. Sin embargo, dado que el uranio se moviliza con relativa facilidad por el agua, era muy poco probable que la evidencia de tal fenómeno hubiera sobrevivido a través de las edades geológicas. Se consideraron varias hipótesis para explicar las anomalías isotópicas de Oklo (leve disminución del nivel de 235 U en la mayoría de los minerales locales y enriquecimiento en algunos casos), pero el descubrimiento de trazas de productos de fisión acreditó definitivamente la tesis de un reactor nuclear espontáneo.
Según los estudios geológicos y el estudio de muestras tomadas in situ , los focos de reacción fueron las áreas más ricas en mineral con un contenido de uranio muy alto (establecido hace unos 1,950 millones de años).
Al menos 500 toneladas de uranio habrían participado en las reacciones nucleares que liberaron una cantidad de energía estimada en alrededor de 100 mil millones de kWh . La integral del flujo de neutrones en algunos puntos excedió 1,5 × 10 21 n / cm 2, y en algunas muestras el contenido de 235 U descendió a 0,29% (en comparación con 0,72% en el uranio geológico normal). La ocurrencia de tal fenómeno implica una combinación excepcional de circunstancias, incluida la acción de los mecanismos que controlan estas reacciones, que aún no se han dilucidado por completo.
Un reactor nuclear natural es un depósito de uranio donde los análisis muestran síntomas de una reacción en cadena de fisión nuclear autosuficiente. El fenómeno del reactor natural lo caracteriza el físico francés Francis Perrin . Las condiciones bajo las cuales puede ocurrir una reacción natural autosostenida fueron descritas en 1956 por Paul Kazuo Kuroda (en) en la Universidad de Arkansas ; las condiciones en Oklo están cerca de los pronósticos teóricos.
Se planteó la hipótesis de una situación homóloga en Brasil, porque en el momento de la constitución del depósito de Oklo, América del Sur y África aún no estaban separadas. También se citó a la meseta de Colorado por contener uranio enriquecido ligeramente menos que el valor normal. Oklo, sin embargo, sigue siendo la única ubicación conocida de un reactor nuclear natural conservado; Se han descubierto dieciséis sitios en Oklo y uno en Bangombé, a unos treinta kilómetros de distancia, con rastros de reacciones de fisión que se remontan a 1.950 millones de años.
La roca huésped de la mineralización de la cuenca de Franceville es una arenisca diferenciada de origen fluvial a fluvial - deltaico donde el uranio está siempre “íntimamente asociado con la materia orgánica ” con una mineralización que ha sido influenciada por factores estratigráficos, sedimentológicos y tectónicos. y post-sedimentación).
NeodimioEl neodimio encontrado en Oklo tiene una composición isotópica diferente a la del Nd que se encuentra en otras partes de la Tierra: el Nd típico contiene 27% 142 Nd; el de Oklo contiene menos del 6% y contiene más de 143 Nd. La composición corresponde a la del producto de fisión de 235 U.
RutenioEl rutenio que se encuentra en Oklo tiene una alta concentración de 99 Ru (27-30%, en comparación con el 12,7% típico). Este excedente puede explicarse por la desintegración de 99 Tc (producto de fisión) en 99 Ru.
Un reactor nuclear natural se forma cuando un depósito de mineral rico en uranio se inunda con agua : el hidrógeno en el agua actúa entonces como moderador de neutrones, transformando la radiación de "neutrones rápidos" en "neutrones lentos" y aumentando así su probabilidad de ser absorbido por átomos de uranio 235 y de fisión (aumento de la reactividad). Esto inicia una reacción en cadena de fisión nuclear. A medida que la reacción se intensifica, aumentando la temperatura, el agua se evapora y escapa, ralentizando la reacción (más neutrones rápidos y menos lentos), evitando que el reactor se acelere. Después de que la temperatura desciende, el agua fluye nuevamente y la reacción aumenta nuevamente, y así sucesivamente.
En Oklo, la reacción duró varios cientos de miles de años (entre 150.000 y 850.000 años). La fisión del uranio produce cinco isótopos de xenón , los cuales, a pesar de la volatilidad del cuerpo químico, se han encontrado todos en los restos de los reactores, a diferentes niveles de concentración; esto sugiere que la velocidad de la reacción fue cíclica (ver explicación arriba). Según las concentraciones, el período debería haber sido de aproximadamente dos horas y media.
Se estima que estos reactores naturales consumieron cerca de seis toneladas de 235 U (véase Aplicaciones Industriales ), y que funciona a una potencia de unos 100 kW , zonas productoras de traídas a temperaturas de varios cientos ° C . Los productos de fisión no volátiles solo se han movido unos pocos centímetros en dos mil millones de años, proporcionando un estudio de caso de la migración de isótopos radiactivos en la corteza terrestre , con aplicaciones en la eliminación profunda de desechos de la industria nuclear.
Por un lado, tal reacción pudo haber comenzado porque, en el momento en que se formó el depósito y cuando los reactores comenzaron a operar, la parte del isótopo fisionable 235 U en el uranio natural (proporción de núcleos) era del orden de 3,66%, valor cercano al del uranio enriquecido utilizado en los reactores nucleares actuales. Dado que el uranio 235 tiene una vida media radiactiva menor que el uranio 238 , su abundancia relativa disminuye con el tiempo. La proporción hoy en día es del 0,7202%: por lo tanto, ya no se puede constituir un reactor nuclear natural como el de Oklo.
Por otro lado, el uranio es soluble en agua solo en presencia de oxígeno. Cuando el agua rica en oxígeno erosiona el mineral de uranio, disuelve el uranio oxidado (+6 o VI ) y lo vuelve a depositar cuando pierde su oxígeno, aumentando la concentración de uranio donde se reduce (U + 4). La presencia de oxígeno - y otros fenómenos geológicos - es necesaria para elevar la concentración de uranio. Es el aumento del contenido de oxígeno de la atmósfera terrestre hace unos dos mil millones de años, debido a la actividad bioquímica, lo que explica por qué la reacción se inició en este momento, y no antes, aunque las concentraciones de 235 U inicialmente eran incluso superiores.
Otras mediciones experimentales se llevaron a cabo gracias al sitio de Oklo. Así, en 1976, Alex Shlyakhter (en) propuso medir las abundancias de 149 Sm (samario) para estimar la sección transversal de captura de neutrones por este isótopo en el momento de Oklo, y compararla con el valor actual.
El valor de 1,950 millones de años se establece ahora después de numerosos estudios físicos y mediciones realizadas en el sitio. Entre los elementos que contribuyeron a realizar una primera estimación aproximada, se encuentran:
La disposición profunda de residuos radiactivos consiste en acondicionar los residuos radiactivos en contenedores sellados y depositarlos en cámaras excavadas en capas geológicamente estables, a una profundidad de 500 o 1000 metros.
Durante la operación, los reactores naturales produjeron 5,4 toneladas de productos de fisión, 1,5 toneladas de plutonio y otros elementos transuránicos. Todos estos elementos permanecieron confinados hasta su descubrimiento, a pesar de que en ellos fluye agua y no se presentan en formas químicamente inertes.
Por lo tanto, el sitio de Oklo ilustraría la capacidad de las capas geológicas locales para aislar materiales radiactivos. Así, según una tesis doctoral de la Universidad de Orsay:
“Observaciones mineralógicas, análisis químicos y análisis isotópicos sobre roca total permitieron concluir que parte de los radioelementos y sus descendientes permanecieron concentrados en las zonas de reacción, asociados a fases minerales secundarias, mientras que otra fracción migró al borde del reactor. Dependiendo de la intensidad de las reacciones nucleares y la presencia o no de la facies de arcilla de la pila, que a menudo constituye una facies intermedia entre el núcleo del reactor y la arenisca circundante, los radioelementos permanecieron concentrados en el borde del reactor o migraron a los primeros metros. de arenisca de revestimiento macizo. […] Las principales lecciones de este trabajo para la eliminación de desechos nucleares de alta actividad se refieren a la estabilidad a largo plazo de los óxidos de uranio en un entorno geológico reductor y la capacidad de retención de las fases minerales secundarias y de la barrera de arcilla con respecto a varios radioelementos. Nuestros resultados también indican que las interfaces entre las diversas barreras artificiales de un repositorio pueden limitar la migración de radioelementos en el campo cercano. Además, este estudio confirma que las transferencias de radioelementos pueden tener lugar a través de fisuras. "
Este ejemplo de contención natural se citó como argumento a favor del almacenamiento subterráneo y se continuó la investigación en relación con proyectos para el almacenamiento subterráneo de desechos radiactivos; el gobierno de Estados Unidos cita y extrapola las observaciones hechas en Oklo, en su investigación sobre la posibilidad de abrir un sitio de almacenamiento en Yucca Mountain :
“Cuando cesaron estas reacciones en cadena nucleares subterráneas naturales, la naturaleza demostró que era capaz de contener eficazmente los desechos producidos por las reacciones. Nunca se producirá una reacción en cadena en un vertedero de desechos radiactivos. Pero si se construyera un sitio de almacenamiento en las montañas Yucca, los científicos confiarían en la geología del lugar para contener los radionucleidos generados por estos desechos con la misma eficiencia. "
Sin embargo, dado que el sitio de Oklo es un entorno muy antiguo, abierto en perpetua modificación, no puede constituir un modelo o una referencia para el sitio de eliminación de desechos radiactivos; sin embargo, constituye un ejemplo único del comportamiento a largo plazo de ciertos productos resultantes de reacciones nucleares en un ambiente natural y proporciona información específica sobre las propiedades de la arcilla en términos de contención. En este caso, es la presencia de materia orgánica asociada con minerales Fe II / Fe III ( hierro II y hierro III ) en una "zona de amortiguación redox" alrededor del reactor natural lo que explica la conservación de la uraninita. Dentro de la zona de reacción y el baja migración de uranio a lo largo del tiempo geológico.
También está a 30 km donde encontramos los rastros más antiguos de organismos multicelulares conocidos hasta la fecha (2020), que datan del mismo período, el grupo fósil de Franceville : el CNRS anunció en 2010 el descubrimiento en Franceville de rastros de vida multicelular organizada. Enjunio de 2014, confirma este descubrimiento con nuevos fósiles macroscópicos de hasta 17 cm de tamaño y confirma la edad de 2.100 millones de años.
Esta fecha es aproximadamente la misma que la fecha en que el reactor estuvo en funcionamiento. Estos dos fenómenos son independientes, pero una consecuencia de su proximidad geográfica es que la datación de las capas que contienen los fósiles se aceptó muy rápidamente, siendo la zona muy conocida por los geólogos franceses.
Tal descubrimiento trastorna el estado del conocimiento actual, que hasta entonces consideraba que los fósiles de animales macroscópicos más antiguos datan de hace 565 a 550 millones de años ( fauna ediacarana ).