Oklo, reattore 100% naturale

di Massimo Burbi

“Il navigatore italiano è sbarcato nel nuovo mondo”, queste parole in codice annunciarono il successo del team guidato da Enrico Fermi, che nel 1942 realizzò una reazione di fissione nucleare a catena autosostenuta in un laboratorio sotto le tribune di uno stadio di Chicago [1] Il Chicago Pile-1 entrò nella storia come il primo reattore nucleare, ma non lo rimase per molto, pochi decenni più tardi sarebbe infatti venuto alla luce un fatto sorprendente: un reattore nucleare a fissione aveva già prodotto energia sul nostro pianeta quasi due miliardi di anni prima, quando non solo non erano ancora comparsi i dinosauri, ma la vita sulla Terra era ancora ferma agli organismi unicellulari.

Il Chicago Pile-1 illustrato da Melvin A. Miller

Se qualcuno se lo sta chiedendo non c’entrano gli alieni, ma andiamo per ordine: oggi l’uranio naturale è fatto per il 99.27% di uranio 238 (U238), mentre l’unico suo isotopo in grado autosostenere una reazione a catena, l’uranio 235 (U 235), ammonta appena allo 0.72%. Un “combustibile” per una centrale nucleare richiede percentuali di U235 del 3-5%, e il solo modo per arrivarci è attraverso processi di arricchimento [2]. Non è sempre stato così: l’U235 si dimezza ogni 704 milioni di anni, contro i 4.47 miliardi di anni dell’U238, la concentrazione di U235 cala quindi inesorabilmente, ma se potessimo tornare indietro nel tempo troveremmo uranio con una percentuale di U235 sempre più alta e basta poco per calcolare che 1.8 miliardi di anni fa questa percentuale era poco sopra il 3%, giusto quello che serve per far funzionare un reattore a fissione, cosa che non sfuggì a un chimico chiamato Paul Kuroda, che nel 1956 teorizzò le condizioni in cui, nel passato remoto della Terra, sarebbero potute avvenire reazioni a catena spontanee [3]. 

Sembrava una delle tante ipotesi destinate a restare solo teoria, finché, sedici anni dopo, un addetto di un centro di arricchimento dell’uranio in Francia, nel corso di analisi di routine su campioni provenienti da una miniera a Oklo, nel Gabon, notò qualcosa di molto strano: la miniera di Oklo conteneva un minerale chiamato Uraninite, lo stesso visibile sotto (che però viene dalla Valle Antrona, in Piemonte, e non dall’Africa centrale), ma nell’uranio di Oklo, a differenza di quello proveniente dal resto della crosta terrestre, era presente solo lo 0.717% di U235, e in alcuni campioni appena lo 0.60%, invece dello 0.72% [4], un’anomalia per cui vennero proposte spiegazioni anche fantasiose, finché qualcuno non si ricordò del lavoro di Kuroda: possibile che quell’uranio si fosse impoverito “bruciando” parte del suo U235 per alimentare reazioni di fissione nucleare? 

Un campione di Uraninite dalla Valle Antona in Piemonte

Indagini sul posto portarono alla luce non solo campioni di uranio ancora più impoverito [5], ma anche anomalie nell’abbondanza di prodotti di fissione come ad esempio il neodimio [6], tutte prove che, un paio di miliardi di anni prima, la miniera di Oklo aveva davvero ospitato non uno, ma sedici reattori nucleari naturali, con l’acqua sotterranea a fare da moderatore e a rallentare i neutroni quel tanto che bastava per sostenere la reazione a catena. 

Studi successivi ricostruirono che il reattore aveva funzionato in modo intermittente, alternando periodi attivi di circa 30 minuti, in cui il calore prodotto dalla fissione nucleare portava l’acqua ad evaporazione, causando l’arresto della reazione per mancanza di moderatore, ad altri di inattività della durata di circa due ore e mezzo, necessari perché altra acqua saturasse l’ambiente [7]. Il tutto senza mai un meltdown, producendo una potenza media di poco meno di 100 kW (sufficienti ad alimentare diverse decine di utenze domestiche) per centinaia di migliaia di anni, pari ad un’energia dell’ordine dei 100 miliardi di kWh [8]. 

Spettro gamma di un campione di Uraninite

Con tutta probabilità Oklo non è un caso unico, è solo l’unico che abbiamo scoperto finora, ma basta a rispondere ad una delle critiche più squinternate che vengono mosse all’energia nucleare, e cioè che “non è naturale”, qualunque cosa voglia dire, perché nessuno ricorda di aver visto una turbina eolica crescere spontaneamente su un campo coltivato. Ma l’aspetto più importante della scoperta del reattore “100% naturale” di Oklo è un altro: nel corso del suo funzionamento il reattore ha prodotto tonnellate di quelli che oggi chiamiamo rifiuti radioattivi [9] (e un paio di tonnellate di plutonio [10]), e le analisi hanno dimostrato che gran parte di essi, tra cui i famigerati attinidi, sono rimasti immobilizzati nei minerali del sito per miliardi di anni [11][12][13][14][15], senza migrare in misura significativa contaminando l’ambiente esterno. 

Ciò che resta del reattore n.15 di Oklo. Credit & Copyright: Robert D. Loss (Curtin U.)

Quindi, se sentite dire che, anche con tutta l’attenzione e la tecnologia del mondo, pensare di sistemare rifiuti radioattivi (di cui dovremo occuparci in ogni caso) in depositi geologici stabili per migliaia di anni è pericoloso o “contro natura”, potete rispondere che la natura lo ha già fatto, per di più con temperature di centinaia di gradi, in presenza di acqua fluente e in un ambiente di rocce porose e fratturate. Che dite? Ce la sentiamo di provare a fare di meglio?

NOTE:

[1] https://www.ne.anl.gov/About/legacy/italnav.shtml
[2] https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/conversion-enrichment-and-fabrication/uranium-enrichment.aspx
[3] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1956JChPh..25..781K/abstract
[4] [6] [7]  https://arxiv.org/abs/1404.4948
[5] [9] [11] https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/15/069/15069730.pdf?r=1
[8] https://www.iaea.org/sites/default/files/17105192224.pdf
[10] https://etd.adm.unipi.it/theses/available/etd-10152003-181233/unrestricted/Capitolo4.PDF
[12] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1631070502013518
[13] https://www.pnas.org/content/pnas/115/35/8676.full.pdf
[14] https://www.researchgate.net/publication/8195734_Record_of_Cycling_Operation_of_the_Natural_Nuclear_Reactor_in_the_OkloOkelobondo_Area_in_Gabon
[15] https://www.scientificamerican.com/article/ancient-nuclear-reactor/

5 pensieri riguardo “Oklo, reattore 100% naturale

  1. Complimenti, articolo molto ben ricercato e ben scritto. Questo tipo di informazioni meritano di essere piú conosciute e divulgate. Mi ha sempre affascinato questa scoperta, perché appunto come anche scritto nell’articolo, mostra come una reazione di fissione controllata sia del tutto “naturale” e possa autosostentarsi e autocontrollarsi per … milioni di anni! e senza intervento dell’uomo!
    Molti anni fa su Le Scienze (edizione italiana di Scientific American) c’era stato un articolo approfondito su Oklo.
    Mi permetto solo un appunto tecnico: “radioattività naturale” nella foto iniziale é leggermente inappropriato. Ci sono tante fonti di radioattività naturale, come noto. A mio parere eventualmente la didascalia dovrebbe dire “fissione controllata naturale” … anche se “attrae meno” é più scientificamente corretto.
    Saluti, Claudio Pedrazzi

    1. Grazie Claudio, come puoi ben immaginare anche chi scrive è rimasto affascinato da questa scoperta dal primo momento in cui ne è venuto a conoscenza!
      Per quanto riguarda l’immagine, il fenomeno descritto è una reazione a catena di fissione naturale, come giustamente osservi e come è riportato nell’articolo, tuttavia il testo scritto nell’immagine serve ad inquadrare il post all’interno di una categoria (radioattività naturale o radioattività antropogenica, come convenzionalmente si usa dire), e d’altra parte la fissione spontanea è una forma di decadimento radioattivo.

    1. Chiaramente nel caso di tempi così lunghi non è fattibile misurare semplicemente la variazione di attività del campione nel tempo, perché questa resterà sostanzialmente costante durante l’esperimento.

      In questi casi bisogna ricorrere a percorsi diversi, ad esempio usare la costante di decadimento (λ), che regola il decadimento esponenziale nel tempo ed è direttamente collegata al tempo di dimezzamento (T1/2) tramite la relazione λ = ln2/ T1/2.
      La costante di decadimento λ è anche espressa dal rapporto tra il numero di decadimenti nell’unità di tempo e il numero di atomi del radioisotopo presenti. Se riesco a misurare queste due quantità posso ricavare λ e di conseguenza calcolare il tempo di dimezzamento utilizzando la formula scritta sopra

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