כור גרעיני טבעי

כור גרעיני טבעי הוא כור גרעיני קדום שתגובת השרשרת החלה בו באופן ספונטני והוא עבד באופן עצמאי. ייתכן שכורים כאלה פעלו במרבצי אורניום ברחבי העולם לפני מיליארדי שנה כאשר ריכוזו של החומר הבקיע אורניום-235 היה גבוה יותר מאשר כיום. מכרה האורניום באוקלו שבגבון הוא המקום היחיד שבו התגלו עד כה (2013) ראיות לקיומם של כורים גרעיניים טבעיים קדומים.

תנאים להיווצרות כור טבעי

כיום, אורניום טבעי מכיל שלושה איזוטופים בריכוזים הבאים: 99.2745% אורניום-238, 0.72% אורניום-235, ו-0.0055% אורניום-234. מתוכם, רק אורניום-235 הוא חומר בקיע, כלומר יש לו סיכוי סביר ליצור תגובת שרשרת גרעינית שבה נייטרונים שנפלטים באופן ספונטני בתהליך הביקוע הגרעיני פוגעים באטומים נוספים וגורמים גם להם לעבור ביקוע. תגובת שרשרת גרעינית מהווה תהליך ביקוע מואץ שמכלה במהירות יחסית את מלאי האורניום-235, אך לצורך הצתתה דרושה כמות אורניום גבוהה. כמות זו קרויה מסה קריטית, וגודלה תלוי בריכוז האיזוטופ הבקיע, אורניום-235. כיום, ריכוזו הנמוך בעפרות אורניום טבעיות לא מאפשר הצתה של תגובת שרשרת טבעית, וזו הסיבה לכך שיש צורך להעשיר אורניום, כלומר להגדיל את ריכוזו של אורניום-235, על מנת להשתמש בו בכורים גרעיניים או בנשק גרעיני.
זמן מחצית החיים של שני האיזוטופים הנפוצים בעפרת אורניום טבעית הוא שונה. לאיזוטופ המסיבי יותר, אורניום-238, יש זמן מחצית חיים קרוב ל-4.5 מיליארד שנים, בעוד שלאורניום-235 יש זמן מחצית חיים קצר יותר, כ-700 מיליון שנה. בהתאם לכך, ניתן לצפות לריכוז גבוה יותר של אורניום-235 בתקופות קדומות. כך למשל, ריכוז זה עמד על כ-3% לפני כ-2 מיליארד שנה. ריכוז גבוה יותר של אורניום-235 גורר מסה קריטית נמוכה יותר, ואין זה מן הנמנע כי במצבורי אורניום קדומים החלה תגובת שרשרת בתקופה זו.
למים היה כנראה תפקיד בהסעת האורניום ממקום התגבשותו הראשוני. הדבר תרם לריכוזו של האורניום במרבצים קטנים וליצירת מסה קריטית. הסעת האורניום התאפשרה על ידי התמוססתו במים ושקיעתו באזורים מסוימים. תהליך זה של המסה ושקיעה הוא תהליך חמצון חיזור, והוא יכול היה להתרחש רק כאשר כמות החמצן במים הייתה גדולה מספיק. זאת הסיבה לכך שאין מצפים למצוא כורים גרעיניים טבעיים בסביבה הראשונית, נטולת החמצן, של כדור הארץ. למים היה כנראה תפקיד נוסף. סביר להניח שמי תהום היוו מאט נייטרונים טבעי, שהקטין את האנרגיה הקינטית ואת המהירות של הנייטרונים שנפלטו בתהליך הביקוע, והעלה את הסיכוי להצתה של תגובת שרשרת גרעינית.
הסימנים המרכזיים לקיומו של כור גרעיני טבעי קדום הם ריכוז נמוך של אורניום-235, והימצאות כמות גדולה של עפרות נדירות שמהוות את תוצרי הביקוע המואץ שהתרחש בכור. ייתכן שבכור כזה יווצר גם פלוטוניום-239 בתהליך של לכידת נייטרון על ידי אורניום-238. איזוטופ זה של פלוטוניום דועך לאורניום-235, ולכן אזורים שבהם נוצר פלוטוניום יתאפיינו דווקא בריכוז גבוה של אורניום-235. עד היום, טרם נמצאו סימנים ברורים להיווצרות פלוטוניום באוקלו או במקומות אחרים, ויסוד כימי זה עדיין נחשב מלאכותי.

גילוי

הראשון ששיער כי כורים גרעיניים טבעיים התקיימו על פני כדור הארץ בעבר הרחוק היה פאול קורודה, שהעלה את הרעיון בשנת 1956. בשנת 1972, במהלך בדיקות שגרתיות בעזרת ספקטרומטר מסות שנערכו בצרפת, נבדקו גם דוגמאות אורניום מהמכרה באוקלו שבגבון. באחת הדוגמאות, הריכוז של אורניום-235 היה נמוך במעט מהריכוז הרגיל שלו כיום; 0.717% של אורניום-235 בדוגמה מאוקלו לעומת 0.720% במקומות אחרים. 
ריכוז נמוך של האיזוטופ הבקיע מופיע בשארית אורניום ממתקני העשרת אורניום, שמשמשים גם לפיתוח נשק גרעיני, ולכן נפתחה חקירה בנושא. במהלכה התברר שדוגמאות נוספות מאותו מכרה מכילות אף הן ריכוז נמוך של אורניום-235, והריכוז הנמוך ביותר שהתגלה היה 0.440% בלבד. כור גרעיני טבעי קדום הוא ההסבר היחיד, המקובל כיום, למחסור באורניום-235 בדוגמאות האורניום מאוקלו. סביר להניח שהתנאים שמאפשרים את פעולתו של כור גרעיני טבעי אינם ייחודיים לאוקלו, וכורים נוספים, שעדיין לא התגלו, פעלו במקומות נוספים בעולם בתקופות קדומות.

הכור באוקלו

במכרה האורניום באוקלו שבגבון נמצאו 16 אתרים שבהם קיימים סימנים להתרחשותה של תגובת שרשרת גרעינית. אתר נוסף נמצא במרחק של 20 קילומטר מהמכרה הראשי. האורניום באוקלו מופיע בעיקר כתחמוצת המוכרת בשם אורניטיט (UO₂). בכל אחד מהאתרים, יצר מינרל זה שכבה גאולוגית שעוביה 5 עד 8 מטרים בתוך סלעי אבן גיר או בתוך קונגלומרט. הוא נישא לאתרים ספציפיים אלו בתוך מים עתירי חמצן, שבהם הוא נמס היטב, ומשערים שהוא שקע בסמוך לאזורי יצירת נפט העניים בחמצן. פעילות הכורים הגרעיניים באוקלו מתוארכת לתחום הזמן בין 2 ל-1.5 מיליארד שנה טרם זמננו. את משך הפעולה של כל אחד מהכורים קשה למדוד בדיוק, אך ניתן לשער שהוא עומד על עשרות אלפי שנים לפחות, ולא מן הנמנע שהם פעלו במשך מאות אלפי שנים ואף למעלה מכך.
מלבד הריכוז הנמוך של אורניום-235, התגלו סימנים נוספים שמצביעים על פעילותם של כורים גרעיניים קדומים באוקלו. ריכוזיהם של איזוטופים מסוימים משתנים כתוצאה מתהליך הביקוע הגרעיני. כך למשל, ניתן לצפות בכור גרעיני לכמות נמוכה של נאודימיום-142 ולכמות גבוהה של נאודימיום-143, ובאוקלו אכן נמצאו ריכוזים מתאימים. באופן דומה, ניתן לצפות שבכור גרעיני יהיה ריכוז גבוה של האיזוטופ רותניום-99, וריכוז גבוה שלו אכן התגלה באוקלו.
המים שימשו כמאט נייטרונים וקיומם היה הכרחי לצורך קיום תגובת השרשרת. בעת פעולת הכור השתחרר חום רב, ולאחר מספר דקות עד שעות החלו המים לרתוח ולהפוך לקיטור. אז, פסק הכור לפעול משום שלא היו די מים נוזליים על מנת להאט את הנייטרונים, וההסתברות של נייטרונים מהירים לשמור על תגובת שרשרת יציבה היא נמוכה. צורת פעולה זו התאפיינה ב"הדלקה" של הכור לפרק זמן מסוים ו"כיבויו" לפרק זמן אחר, שבמהלכו המים התעבו מחדש והחלו שוב להאט נייטרונים. בעזרת מדידת ריכוזי האיזוטופים השונים של קסנון, שמהווים גם הם תוצרים של תהליך הביקוע הגרעיני, ניתן לשחזר את מחזור הפעולה של הכורים. מדידות אלו הראו שזמן הפעולה הרצוף של הכורים בטרם התאדו המים היה חצי שעה, אחר כך הכור נכבה למשך שעתיים וחצי שבמהלכן הסלעים התקררו ואדי המים החלו להתעבות, וחוזר חלילה.
בחינה מדוקדקת של ריכוזי האיזוטופים השונים מאפשרת גם את בדיקת ההשתנות של קבוע המבנה העדין לאורך זמן. קבוע זה משפיע על קצב התרחשותם של תהליכים שונים, ובהם גם תהליכים גרעיניים, והשוואת קצב ההתרחשות של תהליכים מסוימים בעת פעולת הכורים באוקלו לקצבם כיום מאפשרת את מדידת השינוי בקבוע. כך למשל, קבוע המבנה העדין משפיע על ההסתברות ללכידת נייטרון על ידי סמריום-149, שגורמת לו להפוך לסמריום-150. השוואת הריכוזים של שני האיזוטופים באוקלו לא הצביעה על שינוי בגודלו של הקבוע מאז שפסקו הכורים לפעול, לפני כמיליארד וחצי שנים.