כור גרעיני טבעי

''כור גרעיני טבעי'' הוא כור גרעיני קדום שבו תגובת שרשרת גרעינית החלה והתקיימה ללא התערבות בני אדם.

אורניום טבעי מכיל מספר איזוטופים: רובו היא U-238, וכ־0.72% הוא U-235. U-235 הוא "חומר בקיע", כלומר הוא יכול לעבור ביקוע גרעיני ולהשאיר תגובת שרשרת. בגלל ש־U-235 מתפרק מהר יותר מ־U-238, אחוזו היה גבוה יותר בעבר. לפני כ־2 מיליארד שנים הוא עמד על כ־3%, וזה הוריד את המסה הקריטית הנדרשת לתגובת שרשרת.

מים שיחקו תפקיד חשוב. הם פישטו את זיהוי והשקעת האורניום במקומות מסוימים על ידי המסתו ושקיעתו, ובנוסף שימשו כ"מאט נייטרונים", חומר שמאט את הנייטרונים, וכך מגדיל את הסיכוי להצתת תגובת שרשרת. תהליכים אלה קשורים לשינויים בכימיה של הסביבה ובכמות החמצן במים.

העדויות לכורים טבעיים כוללות מחסור יחסי ב־U-235 ועקבות של תוצרי ביקוע (מינרלים ואיזוטופים נדירים). ניתן לצפות גם להיווצרות זמנית של פלוטוניום‑239 מהלכידת נייטרון על U‑238, אך עד כה לא נמצאו עדויות ברורות לכך באוקלו.

רעיון הקיום של כורים גרעיניים טבעיים הוצע על ידי פאול קורודה ב־1956. הגילוי הממשי נעשה ב־1972 כאשר בדיקות מסות על דגימות מהמכרה באוקלו (בגבון) חשפו ירידה בריכוז U‑235. דגימות נוספות הראו ריכוזים נמוכים יותר, עד 0.440%. ההסבר המקובל למחסור זה הוא פעילות כור גרעיני טבעי קדום.

במכרה באוקלו זוהו 16 אתרים עם עדויות לתגובת שרשרת. האורניום שם הוא בעיקר אורניטיט (UO2), שכבות בעובי 5, 8 מטר בסלעי גיר או קונגלומרט. הכורים פעלו לפני כ־2, 1.5 מיליארד שנים. משך הפעולה של כל כור לא ברור בדיוק, אך הערכות מדברות על עשרות אלפי שנים ואף יותר.

ניתוח האיזוטופים מראה גם שינויים במרכיבי נאודימיום ורותניום שמתאימים לביקוע גרעיני. השימוש במים כאמצעי האטת נייטרונים הוביל למחזורי פעולה: הכור חימם את המים עד רתיחה, ואז הפסיק לפעול עד שהמים התקררו וחזרו. מדידות של קסנון הראו מחזורי עבודה של כ־חצי שעה דולק, וכ־שעתיים וחצי כבוי.

ניתוח של איזוטופים גם שימש לבדיקת יציבות קבוע המבנה העדין לאורך הזמן. השוואת יחס איזוטופי של סמריום לא הראתה שינוי בקבוע זה מאז שהכורים פסקו לפעול לפני כמיליארד וחצי שנים.

כור גרעיני טבעי הוא מקום שבו אטומים התפצלו לבד ויצרו חום לפני מיליארדי שנים.

אורניום הוא חומר שיש לו סוגים שונים, שנקראים איזוטופים. אחד מהם נקרא U‑235. הוא יכול "להתפצל", כלומר לחלק את עצמו ולשחרר אנרגיה. היום יש ממנו מעט במצב הטבעי. בעבר היה ממנו יותר. לפני כ־2 מיליארד שנה הוא היה כ־3%.

מים עזרו. הם הפכו את האורניום לנטוי יותר במים, והוא שקע במקומות קטנים. המים גם האטו חלקיקים זעירים שנקראים נייטרונים. האטה זו עזרה לכך שהתהליך יימשך.

מישהו חשב על הרעיון כבר ב־1956. בדיקה במכרה באוקלו בגבון ב־1972 גילתה שיש שם פחות U‑235. זה הראה שהיה כאן כור טבעי.

באותו מכרה נמצאו כמה אתרים עם עדויות לתהליך זה. האורניום שם נמצא בשכבות של כמה מטרים. הכורים שם פעלו לפני כ־2 עד 1.5 מיליארד שנה.

הכורים עבדו ככה: הם חיממו מים. המים רתחו והפכו לקיטור. אז הכור נעצר עד שהמים חזרו. כך הכור נדלק לכמה דקות ואז כבה לשעות. הסלעים שמרו עדויות בתוצרי ביקוע ובאיזוטופים מיוחדים.

אוקלו הוא המקום היחיד שמצאנו עד היום עם ראיות ברורות לכור כזה.