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1,7 miliardi di anni fa, la Terra aveva un reattore nucleare naturale

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Cercare l’intelligenza aliena provando ad individuare una firma certa della loro attività in tutto l’universo, ci concede alcune opzioni. Potresti cercare una trasmissione radiofonica intelligente, come quelle che noi umani abbiamo iniziato a emettere nel 20° secolo. Potresti cercare esempi di modifiche a livello planetario, come i segni lasciati sul puianeta dalla civiltà umana visibili visualizzando la Terra con una risoluzione sufficientemente alta. Potresti cercare l’illuminazione artificiale di notte, come le nostre città, paesi e display della pesca, visibile dallo spazio.

Oppure, potresti cercare un risultato tecnologico, come la creazione di particelle come gli antineutrini in un reattore nucleare. Dopotutto, è così che abbiamo rilevato per la prima volta i neutrini (o antineutrini) sulla Terra. Ma se prendessimo quest’ultima opzione, potremmo ingannarci. La Terra ha creato un reattore nucleare, molto prima che esistessero gli esseri umani.

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Reattore nucleare sperimentale RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, che mostra la caratteristica radiazione Cherenkov dalle particelle emesse nell’acqua più veloci della luce. I neutrini (o più precisamente antineutrini) ipotizzati per la prima volta da Pauli nel 1930 furono rilevati da un simile reattore nucleare nel 1956. (: Centro Atomico Bariloche/Pieck Dario)

Per creare un reattore nucleare oggi, il primo ingrediente di cui abbiamo bisogno è un combustibile per reattori. L’uranio, ad esempio, è disponibile in due diversi isotopi naturali: U-238 (con 146 neutroni) e U-235 (con 143 neutroni). La modifica del numero di neutroni non cambia il tipo di elemento, ma cambia la stabilità dell’elemento. Per l’U-235 e l’U-238, entrambi decadono tramite una reazione a catena radioattiva, ma l’U-238 vive in media circa sei volte più a lungo.

Ai giorni nostri, l’U-235 costituisce solo lo 0,72% circa di tutto l’uranio presente in natura, il che significa che deve essere arricchito almeno a livelli del 3% circa per ottenere una reazione di fissione di sostegno, o è richiesta una speciale installazione che coinvolga mediatori di acqua pesante. Ma 1,7 miliardi di anni fa erano più di due intere emivite fa per l’U-235. All’epoca, nell’antica Terra, l’U-235 rappresentava circa il 3,7% di tutto l’uranio: abbastanza perché si verificasse una reazione.

Questo diagramma mostra la reazione a catena che può verificarsi quando un campione arricchito di U-235 viene bombardato con un neutrone libero. Una volta che l’U-236 si è formato, si divide rapidamente, rilasciando energia e producendo tre neutroni liberi aggiuntivi. Se questa reazione svanisce, otteniamo una bomba; se questa reazione può essere controllata, possiamo costruire un reattore nucleare. (: Fastfission/Wikimedia Commons)

Tra diversi strati di arenaria, prima di raggiungere il substrato roccioso granitico che costituisce la maggior parte della crosta terrestre, si trovano spesso vene di depositi minerali, ricchi di un particolare elemento. A volte questi sono estremamente redditizi, come quando troviamo delle vene d’oro nel sottosuolo. Ma a volte vi troviamo altri materiali più rari, come l’uranio. Nei reattori moderni, l’uranio arricchito produce neutroni e, in presenza di acqua, che agisce come un moderatore di neutroni, una frazione di questi neutroni colpirà un altro nucleo di U-235, provocando una reazione di fissione.

Quando il nucleo si divide, produce nuclei figli più leggeri, rilascia energia e produce anche tre neutroni aggiuntivi. Se le condizioni sono giuste, la reazione attiverà ulteriori eventi di fissione, portando a un reattore autosufficiente.

Sezione geologica dei depositi di uranio di Oklo e Okélobondo, che mostra le posizioni dei reattori nucleari. L’ultimo reattore (n. 17) si trova a Bangombé, circa 30 km a sud est di Oklo. I reattori nucleari si trovano nello strato di arenaria FA. (: DJ Mossman et al., Depositi geologici profondi, 2008)

Due fattori si sono uniti, 1,7 miliardi di anni fa, per creare un reattore nucleare naturale. La prima è che, al di sopra dello strato roccioso di granito, le acque sotterranee scorrono liberamente, ed è solo una questione di geologia e di tempo prima che l’acqua scorra nelle regioni ricche di uranio. Circonda i tuoi atomi di uranio con molecole d’acqua, e questo è un buon inizio.

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Ma per far funzionare bene il tuo reattore, in modo autosufficiente, hai bisogno di un componente in più: vuoi che gli atomi di uranio si dissolvano nell’acqua. Affinché l’uranio sia solubile in acqua, deve essere presente ossigeno. Fortunatamente, i batteri aerobici che consumano ossigeno si sono evoluti all’indomani della prima estinzione di massa nella storia registrata della Terra: il grande evento di ossidazione. Con l’ossigeno nelle acque sotterranee, l’uranio disciolto sarebbe possibile ogni volta che l’acqua inonda le vene minerali e potrebbe persino aver creato materiale particolarmente ricco di uranio.

Una selezione di alcuni dei campioni originali di Oklo, scoperti nel 1972. Questo è un pezzo di minerale di alta qualità proveniente dalle misteriose miniere di Oklo conteneva lo 0,4% in meno di U-235 rispetto a tutti gli altri campioni presenti in natura rispetto all’U-238, prova che una sorta di precedente reazione di fissione aveva esaurito l’U-235. (: Ludovic Ferrière/Museo di Storia Naturale di Vienna)

Quando si ha una reazione di fissione dell’uranio, vengono prodotte numerose firme importanti.

  1. Come prodotti di reazione vengono prodotti cinque isotopi dell’elemento xenon.
  2. Il restante rapporto U-235/U-238 dovrebbe essere ridotto, poiché solo l’U-235 è fissile.
  3. L’U-235, quando diviso, produce grandi quantità di neodimio (Nd) con un peso specifico: Nd-143. Normalmente, il rapporto tra Nd-143 e gli altri isotopi è di circa l’11–12%; vedere un miglioramento indica la fissione dell’uranio.
  4. Stesso affare per il rutenio con un peso di 99 (Ru-99). Si verifica naturalmente con circa il 12,7% di abbondanza, la fissione può aumentarla a circa il 27-30%.

Nel 1972, il fisico francese Francis Perrin scoprì  sparsi in tre giacimenti di minerali nelle miniere di Oklo in Gabon, nell’Africa occidentale, che contenevano tutte e quattro queste firme.

Questo è il sito dei reattori nucleari naturali di Oklo in Gabon, nell’Africa occidentale. Nelle profondità della Terra, in regioni ancora inesplorate, potremmo ancora trovare altri esempi di reattori nucleari naturali, per non parlare di ciò che potrebbe essere trovato su altri mondi. (: Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti/Sandia National Laboratories)

I reattori a fissione di Oklo sono gli unici esempi conosciuti di un reattore nucleare naturale qui sulla Terra, ma il meccanismo con cui si sono verificati ci porta a credere che potrebbero verificarsi in molte località e potrebbero verificarsi anche altrove nell’Universo. Quando le acque sotterranee inondano un giacimento minerale ricco di uranio, possono verificarsi le reazioni di fissione dell’U-235.

L’acqua sotterranea funge da moderatore di neutroni, consentendo (in media) a più di 1 neutroni su 3 di entrare in collisione con un nucleo di U-235, continuando la reazione a catena.

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Poiché la reazione continua solo per un breve lasso di tempo, l’acqua sotterranea che modera i neutroni evapora, il che interrompe del tutto la reazione. Nel tempo, tuttavia, senza che si verifichi la fissione, il reattore si raffredda naturalmente, consentendo il ritorno delle acque sotterranee.

Il terreno che circonda i reattori nucleari naturali di Oklo suggerisce che l’inserimento di acque sotterranee, al di sopra di uno strato di roccia, potrebbe essere un ingrediente necessario per un ricco minerale di uranio capace di fissione spontanea. (: Curtin University/Australia)

Esaminando le concentrazioni di isotopi di xeno che rimangono intrappolati nelle formazioni minerali che circondano i depositi di minerale di uranio, l’umanità, come un eccezionale investigatore, è stata in grado di calcolare la linea temporale specifica del reattore. Per circa 30 minuti, il reattore diventerebbe critico, con la fissione che procede fino a quando l’acqua non bolle via. Nei successivi circa 150 minuti, ci sarebbe stato un periodo di raffreddamento, dopo il quale l’acqua avrebbe inondato di nuovo il minerale minerale e la fissione sarebbe ricominciata.

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Questo ciclo di tre ore si sarebbe ripetuto per centinaia di migliaia di anni, fino a quando la quantità in continua diminuzione di U-235 non ha raggiunto un livello sufficientemente basso, al di sotto di quella quantità di circa il 3% in cui una reazione a catena non potrebbe più essere sostenuta. A quel punto, tutto ciò che sia l’U-235 che l’U-238 potrebbero fare è decadere radioattivamente.

Ci sono molte firme di neutrini naturali prodotte dalle stelle e da altri processi nell’Universo. Per un certo periodo si è pensato che ci sarebbe stato un segnale unico e inequivocabile proveniente dal reattore antineutrinos. Ora sappiamo, però, che questi neutrini possono anche essere prodotti naturalmente. (: IceCube Collaboration/NSF/University of Wisconsin)

Osservando oggi i siti di Oklo, troviamo abbondanze naturali di U-235 che sono esaurite dai loro rapporti normali dallo 0,44% allo 0,60%. Sebbene l’abbondanza naturale che si trova normalmente sia incredibilmente bassa, allo 0,720% di U-235, rispetto al 99,28% di U-238 (guardando solo l’uranio), i campioni di Oklo mostrano solo abbondanze di U-235 che vanno da 0,7157% fino a 0,7168 %: tutto ben al di sotto del valore normale dello 0,72%.

La fissione nucleare, in una forma o nell’altra, è l’unica spiegazione naturale di questa discrepanza. Combinato con le prove dello xeno, del neodimio e del rutenio, la conclusione che si trattasse di un reattore nucleare creato geologicamente è quasi inevitabile.

Ludovic Ferrière, curatore della collezione rupestre, conserva un pezzo del reattore di Oklo nel Museo di Storia Naturale di Vienna. Un campione di minerale arricchito dal reattore di Oklo è ora in mostra permanente nel museo di Vienna a partire dal 2019. (: L. Gil/AIEA)

È interessante notare che ci sono una serie di scoperte scientifiche cui possiamo arrivare guardando le reazioni nucleari che si sono verificate qui.

  • Possiamo determinare le scale temporali dei cicli on/off osservando i vari depositi di xeno.
  • Le dimensioni delle vene di uranio e la quantità che hanno migrato (insieme agli altri materiali interessati dal reattore) negli ultimi 1,7 miliardi di anni possono fornirci un analogo utile e naturale per come immagazzinare e smaltire le scorie nucleari.
  • I rapporti isotopici trovati nei siti di Oklo ci consentono di testare la velocità di varie reazioni nucleari e determinare se esse (o le costanti fondamentali che le guidano) sono cambiate nel tempo.

Sulla base di questa evidenza, possiamo determinare che le velocità delle reazioni nucleari, e quindi i valori delle costanti che le determinano, 1,7 miliardi di anni fa erano le stesse di oggi.

E infine, e forse la cosa più importante per comprendere la storia naturale del nostro pianeta, possiamo usare i rapporti dei vari elementi per determinare sia l’età della Terra che la sua composizione al momento della sua creazione. I livelli di isotopo di piombo e isotopo di uranio ci insegnano che sono state prodotte 5,4 tonnellate di prodotti di fissione, in un arco temporale di circa 2 milioni di anni, circa 1,7 miliardi di anni fa, in una Terra che oggi ha 4,5 miliardi di anni.

Questa immagine dell’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA mostra la posizione di diversi elementi in Cassiopea, un residuo di supernova, tra cui silicio (rosso), zolfo (giallo), calcio (verde) e ferro (viola), nonché la sovrapposizione di tutti questi elementi (in alto). Un residuo di supernova espelle gli elementi pesanti creati nell’esplosione nell’Universo. Sebbene non sia mostrato qui, il rapporto tra U-235 e U-238 nelle supernove è di circa 1,6:1, indicando che la Terra è nata da uranio grezzo in gran parte antico, non di recente creazione. (: NASA/CXC/SAO)

Quando una supernova si spegne, così come quando le stelle di neutroni si fondono, vengono prodotti sia U-235 che U-238. Dall’esame delle supernove, sappiamo che in realtà creiamo più U-235 che U-238 in un rapporto di circa 60/40. Se l’uranio terrestre fosse stato creato da un’unica supernova, quella supernova sarebbe avvenuta 6 miliardi di anni prima della formazione della Terra.

In qualsiasi mondo, finché esiste una ricca vena di minerale di uranio vicino alla superficie con un rapporto maggiore di 3/97 tra U-235 e U-238, mediata dall’acqua, può verificarsi una reazione nucleare spontanea e naturale. Queste condizioni potrebbero verificarsi in qualsiasi momento e, fintanto che sono trascorse un numero sufficiente di emivite rispetto al tempo di decadimento dell’U-235, la scoperta di “reattori antineutrini” da un altro mondo potrebbe indicare una reazione nucleare naturale con la stessa facilità con cui potrebbe indicare la presenza di una civiltà intelligente e tecnologicamente avanzata che crea le proprie reazioni nucleari.

In un luogo fortuito sulla Terra, in più di una dozzina di casi, abbiamo prove schiaccianti di una storia di fissione nucleare.

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