Der Naturreaktor von Oklo

In Gabun (Westafrika) gibt es ergiebige Uranerzvorkommen, die seit Ende der 60er-Jahre abgebaut werden. Zur Qualitätskontrolle wird ständig die Zusammensetzung des gewonnenen Erzes und vor allem der Anteil an Uran-235 bestimmt.

Bei der Analyse einer solchen Probe aus dem Tagebau Oklo stellte der Analysentechniker im Mai 1972 fest, dass der Uran-235-Gehalt nicht wie üblich 0,7202 Atomprozent, sondern nur 0,7171 Atomprozent betrug. Das waren 0,003 Prozent weniger, als sonst bei allen anderen Uranerzvorkommen auf der Welt festgestellt worden war. Eine Wiederholung der Analyse ergab denselben Wert, sodass ein Messfehler ausgeschlossen werden konnte.

Da bei der Anreicherung von U-235 auch an U-235 abgereichertes Uran anfällt, hätte es sein können, dass es sich hier um eine Verunreinigung mit abgereichertem Uran handelte. Eine genaue Überprüfung ergab jedoch, dass dies nicht der Fall war.

Auch eine Verunreinigung mit abgereichertem Uran, wie es bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente auftritt, war nicht die Ursache. In abgebrannten Brennelementen befindet sich nämlich immer U-236, das in der Probe aus Oklo fehlte. Die Abreicherung musste also in der Uranerzlagerstätte selbst geschehen sein.

Bei der Untersuchung weiterer Proben stellte man Abreicherungen bis herab zu 0,296 Atomprozent fest. Dabei zeigte sich, dass die Abreicherung desto größer war, je mehr Uran das Erz enthielt, d. h., je höher die Gesamt-Urankonzentration lag. Bei Urangehalten unter etwa 1 % waren dagegen die Anteile von U-238 und U-235 wie sonst üblich verteilt.

Im August 1972 wurde erstmals die Hypothese formuliert, dass in der Erzlagerstätte in Oklo ein natürlicher Reaktor in Betrieb gewesen sein könnte. Der Gehalt an U-235 wäre dann durch Kernspaltungen bzw. eine längere Zeit in Gang gehaltene Kettenreaktion verringert worden.

Einen eindeutigen Beweis für die stattgefundene Kettenreaktion erhielt man durch den Nachweis der dabei entstandenen Spaltprodukte. Da die Erzlagerstätte sehr alt ist, sind die relativ kurzlebigen Spaltprodukte nicht mehr vorhanden, wohl aber die stabilen Endglieder ihrer Zerfallsreihen. An insgesamt 13 Stellen fand man dadurch Hinweise auf prähistorische Reaktortätigkeit.

Wie konnte es aber in der Natur zu einer kontrollierten Kettenreaktion kommen? Damit eine Kettenreaktion in Gang kommt, müssen drei Bedingungen erfüllt sein. Es müssen

eine hohe Urankonzentration mit einem genügend großen Anteil an U-235 vorliegen,
ein Moderator zur Abbremsung der Neutronen zur Verfügung stehen
und Stoffe fehlen, die zu viel Neutronen einfangen.

Diese Bedingungen waren in Oklo tatsächlich erfüllt. Die Urankonzentration (U-238 und U-235) beträgt in Oklo an einigen Stellen bis über 60 Gewichtsprozent. Solche besonders uranreichen Zonen sind etwa 0,6 bis 1 m dick und wenige Meter breit. Da die Uranerzlagerstätte etwa 1,8 Milliarden Jahre alt ist, lag zur Zeit ihres Entstehens auch der Gehalt an U-235 höher, und zwar über 3 % (HWZ von U-235 ca. 0,72 Mrd. Jahre). Unter diesen Bedingungen konnte dann auch Wasser (z. B. Regenwasser) der Moderator sein. Neutronen absorbierende Stoffe mussten ebenfalls weitestgehend gefehlt haben.

Die Kettenreaktion hielt sich vermutlich mehrere Hunderttausend Jahre selbst in Gang. Dabei traten Temperaturen zwischen etwa 180 °C und etwa 450 °C auf.

Wie es über so lange Zeit zu einer kontrollierten (und nicht zu einer unkontrollierten) Kettenreaktion kommen konnte, ist noch nicht bekannt. Man nimmt an, dass zwei unterschiedliche Kontrollmechanismen wirksam waren:

Geringe Beimengungen von Li-6, B-16 und Cd-113 sowie die entstandenen Spaltprodukte haben gerade so viel Neutronen eingefangen, dass die Kettenreaktion nicht lawinenartig ablief.
Das als Moderator wirkende Wasser bildete einen zweiten Regelmechanismus. Je nachdem, ob Regenwasser in das Uran eindrang oder aus ihm verdampfte, nahm die Anzahl der Kernspaltungen zu oder ab.

Verdampfte Wasser aus dem Erdreich, konnten die Neutronen nicht mehr ausreichend abgebremst werden. Die Anzahl der Kernspaltungen ging zurück und die Temperatur sank. Sickerte Wasser ein, stieg die Anzahl der Kernspaltungen wieder usw. Diese Unterbrechungen der Kettenreaktion schätzt man auf höchstens zwei bis drei Stunden.

Wodurch sich das Uran in so hohen Konzentrationen ablagern konnte, ist geologisch noch nicht geklärt. Unbekannt ist ebenso, ob ähnliche Naturreaktoren auch in anderen Teilen der Welt in Betrieb waren.