Kernspaltung unter der Erde

VDI nachrichten, Oklo, 28. 1. 05 -Der Erdboden tief unter Gabun war vor rund 2 Mrd. Jahren mit derart viel Uran-235 angereichert, dass dort die Kernspaltung als natürlicher Prozess ablief. Forscher haben jetzt enträtselt, wie diese natürlichen Meiler funktionierten und wie sie überhaupt entstehen konnten.

Die Radiochemiker im Analyselabor der staatlichen französischen Atomagentur CEA in Pierrelatte trauten am 2. Juni 1972 ihren Augen nicht. Die Anlage bei Montélimar produzierte damals spaltbares Uran für das französische Militär. Bei routinemäßigen Eingangskontrollen für das Uranerz aus Gabun stellten die Wissenschaftler ein Verhältnis zwischen spaltbarem und nicht spaltbarem Uran fest, das für abgebrannten Kernbrennstoff charakteristisch ist. Eine Fehllieferung aus einem militärischen oder zivilen Kernreaktor? Eilig angesetzte Strahlenmessungen zeigten jedoch keine erhöhte Radioaktivität. Nachfragen bei der Bergbaugesellschaft in Oklo im gabunischen Hochland ergaben überdies, dass das Erz frisch aus der Mine kam.
Natürlich vorkommendes, aber abgereichertes Uran? Die Chemiker standen vor einem Rätsel, bis ihnen die „verrückte“ Idee eines US-Chemikers aus der Frühzeit der Kernenergienutzung begegnete.
1956 hatte Paul Kuroda beschrieben, unter welchen Bedingungen ein natürlicher Kernreaktor laufen könne. Das Konzept war zwar in sich schlüssig, allerdings wies kein bekanntes Uranerz die von Kuroda vorhergesagten Charakteristika auf. Ein natürlicher Reaktor schien nicht mehr als eine intellektuelle Spielerei zu sein – bis das gabunische Erz im Labor von Pierrelatte analysiert wurde. Inzwischen sind in dem Gebiet von Oklo 17 natürliche Reaktoren bekannt aus der intellektuellen Spielerei ist geologische Realität geworden.
„Eine Reaktorzone ist typischerweise elliptisch geformt, bis zu 15 m im Durchmesser und 1 m dick“, beschreibt Christopher Palenik, Geologe von der Universität Michigan die natürlichen Reaktoren. Diese Zonen liegen heute tief unter der Erde und unterscheiden sich zunächst nicht von normalen Uranerzlagerstätten, und doch herrschten in ihnen einmal Bedingungen, unter denen Kernspaltung wie in einem heutigen Reaktor ablief. Die Reaktoren liefen vor etwa 2 Mrd. Jahren und hatten eine geologisch gesehen vergleichsweise kurze „Betriebsdauer“ von 150 000 Jahre. Sehr, sehr lange Zeit ist die Aktivität der Reaktoren von Oklo in der Tat her – so lange, dass inzwischen kaum noch erhöhte Strahlung messbar ist.
Wie diese Reaktoren funktionierten, konnten erst jetzt Physiker um Alexander Meshik an der US-amerikanischen Washington University in St. Louis erklären. Vor 2 Mrd. Jahren lagen heutige Uranlagerstätten knapp unterhalb der Oberfläche und ein Fluss floss darüber hinweg. In dem oberflächennahen Sandstein hatte sich Uran angesammelt und zum damaligen Zeitpunkt einen Anteil an spaltbarem Uran-235 von 3 %. Das ist etwas weniger, als in heutigen Brennelementen enthalten ist, reicht aber für den Betrieb einer nuklearen Kettenreaktion aus.
Das Flusswasser lieferte die zweite Bedingung, denn die beim radioaktiven Zerfall des Uran-235 frei werdenden Neutronen müssen gebremst werden, um möglichst viele andere Atome zur Spaltung anzuregen. Wasser ist ein Moderator, der auch in heutigen Kernreaktoren verwendet wird. Allerdings fehlte den natürlichen Reaktoren der Druckbehälter, der in heutigen Reaktoren verhindert, dass das Wasser verdampft. In Oklo führte die Hitze der Kettenreaktion relativ schnell dazu, dass das Flusswasser verkochte und die Kettenreaktion mangels Moderator unterbrochen wurde.
Alexander Meshiks Team hat berechnet, dass die gabunischen Reaktoren etwa 30 min lang liefen und sich auf 300 °C bis 450 °C aufheizten. Danach mussten sie etwa 150 min lang wieder abkühlen, damit das Flusswasser in den Sandstein eindringen und eine erneute Kettenreaktion verursachen konnte.
Dieser Zyklus lief etwa 150 000 Jahre ab, verbrauchte insgesamt 5 t Uran-235 und produzierte dabei 15 Gigawattjahre Energie. Die natürlichen Reaktoren kamen dabei auf eine moderate Gesamtleistung von 100 kW. Nach 150 000 Jahren war der Anteil von Uran-235 derart geschrumpft, dass keine Kettenreaktion mehr in Gang kommen konnte.
Was Experten wie Chris Palenik an diesen Stätten so fasziniert, ist ihre Ähnlichkeit mit den Endlagern für hochaktiven Nuklearmüll, wie sie gerade rund um den Globus in Angriff genommen werden. Auch der „Müll“ der natürlichen Reaktoren wurde in einem Felslager deponiert, dessen Hauptschutz aus dem umgebenden Gestein besteht. „Sie sind für uns ein natürliches Labor, in dem wir die vielfältigen Prozesse studieren können, die ablaufen, wenn hochradioaktives Material über sehr, sehr lange Zeit im Gestein bleibt“, so Palenik, „das ist etwas, was wir im Labor nicht nachvollziehen können.“ In Oklo können die Endlagerforscher sehen, welche Prozesse ablaufen, während sie sie sonst nur modellieren können. Mit dem Blick ins natürliche Endlager können sie ihre eigenen Modelle überprüfen.HOLGER KROKER
Jeweils halbstündig lief der Naturreaktor, dann erfolgte die Abkühlung