Sciencemag.cz
Doporučujeme
Američtí fyzici objevili přírodní mechanismus, který způsobuje, že vedlejší produkty jaderného štěpení zůstávají pod zemí a nerozptylují se po okolí.
Fyzici z US Naval Research Laboratory studovali neobvyklý kousek uranové rudy pocházející z naleziště Oklo v africkém státu Gabon. Tento vzorek kdysi fungoval jako přírodní jaderný reaktor, ve kterém probíhaly stejné štěpné reakce jako v současných jaderných elektrárnách.
Při analýze chemického složení vědci zjistili, že produkty jaderného štěpení cesium a baryum byly zachyceny v zrnech horniny, jež obsahovala ruthenium, které je rovněž produktem štěpení. Právě tento přírodní proces by mohl být využit při vytváření nových technologií ukládání vyhořelého jaderného paliva.
Útvar byl objeven v roce 1972 francouzským pracovníkem závodu na výrobu paliva pro jaderné elektrárny, který si všiml vzorku uranu s relativně nízkým přebytkem izotopu uranu 235. Tak nízká hodnota se obvykle vyskytuje v uranu, který už byl použit jako palivo v jaderném reaktoru.
Fyzici teď došli k závěru, že uran 235 ze zkoumaného vzorku prošel štěpnou řetězovou reakcí, která proběhla přibližně před dvěma miliardami let. Taková reakce byla možná jen proto, že ložisko uranu bylo relativně velké a bylo zalito podzemní vodou. Voda fungovala jako moderátor neutronů, to znamená že zmenšovala energii neutronů emitovaných během štěpné reakce a zvyšovala tak pravděpodobnost, že neutrony způsobí další štěpení a dojde k řetězové reakci.
Místo, které američtí fyzici studovali, prošlo štěpnou reakcí jenom přibližně jednou za 24 000 let. To všechno vytvořilo mimořádně výhodné podmínky pro výskyt těchto přírodních jaderných reaktorů.
Jako vzorek vědcům sloužil malý čtvercový útvar široký přibližně 4 mm a silný 1 mm. Vědci jej analyzovali pomocí nového zařízení, které si sami postavili. Nautilus, jak jej pojmenovali, dokáže analyzovat chemické složení, aniž by bylo nutné vzorek rozpouštět. Zařízení kombinuje dva různé způsoby analýzy – hmotovou spektrometrii sekundárních iontů (SIMS) a analýzu pomocí hmotového spektrometru AMS. Oba způsoby určují chemické složení vzorku ionizací atomů na jeho povrchu a následného třídění podle hmotnosti. SIMS může podat prostorovou informaci o tom, kde na vzorku příslušný iont vznikl, zatímco AMS je schopen detekovat stopové prvky.
Historické štěpné procesy produkovaly několik prvků, jako je baryum, cesium a ruthenium. Američtí fyzici zjistili, že baryum a cesium by se mohly následně vázat na ruthenium. I když cesium se po čase rozložilo, a tak ze vzorku zmizelo, skupina měřila dceřiné izotopy, produkované během rozpadu. Vazba cesia je zvlášť důležitá, protože prvek je nestabilní a těkavý a v atomových reaktorech obvykle uniká do atmosféry. Navíc cesium-135 má poločas rozpadu řádu dvou milionů let, takže přetrvává v jaderném odpadu velmi dlouho.
Fyzici dále zjistili, že vzorek má nejnižší relativní přebytek uranu-235 ze všech hornin, které doteď analyzovali. Běžně má uran-235 na Zemi 0,7255 % izotopů uranu, zatímco zkoumaný vzorek z Okla obsahuje pouze polovinu této hodnoty.
Na základě sledování různých poměrů izotopů barya a cesia tým došel k závěru, že trvá přibližně pět let, než se po ukončení štěpení v reaktoru vytvoří zrna ruthenia. Tato přesnost je nesmírně pozoruhodná, protože absolutní stáří uranových ložisek může být určeno pouze s přesností milionů let.
Vědci se už řadu let snaží najít inspiraci v přírodních reaktorech a navrhnout lepší způsoby skladování jaderného odpadu. Podle šéfa skupiny by mimořádně užitečné mohly být právě sloučeniny ruthenia. Jednou z možností je obložit nebo vystlat nádoby pro ukládání jaderného odpadu dalšími minerály nebo prvky, které se váží nebo zachycují cesium. Cesium by tak mohlo být uloženo delší dobu a mělo by dost času na rozklad. Sloučeniny ruthenia teď vědci budou studovat podrobněji. Další zkoumání by jim obecně mělo pomoci lépe porozumět fungování přírodních reaktorů. Hlavním cílem je přitom zjistit, jak různé izotopy, které byly produktem štěpného procesu, migrovaly a jak se tvořilo palivo přírodních reaktorů.
Výzkum je popsán v Proceedings of the National Academy of Science.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz
Pozvánka
Astrophysics with LIGO and gravitational waves
Přednáška, veřejná · Pořádá Matfyz /Matematicko-fyzikální fakulta UK/
Středa 3. říjen 2018 v 18:10 až 20:10 UTC+02
V Holešovičkách 747/2
Podrobnosti
