Gabun: Die Heimat der antiken Kernreaktoren
Kernreaktoren, von Menschenhand geschaffene Anlagen zur Erzeugung von Energie aus Kernspaltung, gibt es seit 1942. Manche werden jedoch überrascht sein, wenn sie erfahren, dass es natürliche Kernreaktoren schon viel früher gab. Tatsächlich gab es natürliche Kernreaktoren schon Milliarden von Jahren vor den vom Menschen geschaffenen Reaktoren in verschiedenen Regionen der Erde. Insbesondere das Land Gabun in Zentralafrika beherbergte einst 16 natürliche Kernreaktoren. Die gabunischen Kernreaktoren konnten etwa 100 Kilowatt Energie erzeugen, genug, um etwa 1000 Glühbirnen auf einmal zum Leuchten zu bringen.
Viele fragen sich, wie die Kernreaktoren in Gabun entstanden sind und wie wahrscheinlich es ist, dass sich anderswo auf der Erde weitere natürliche Kernreaktoren bilden. Wissenschaftler und Forscher sind in der Lage, einige Informationen über diese Reaktoren zusammenzutragen, um uns ein besseres Bild von ihrer Funktionsweise zu vermitteln. Wenn wir uns ansehen, wie diese natürlichen Kernreaktoren entstanden sind, können wir das Potenzial für die Bildung weiterer Reaktoren in der Zukunft analysieren und vielleicht sogar die eine oder andere Lektion über Energieerzeugung von Mutter Natur selbst lernen.
Ludovic Ferrière, Kurator der Gesteinssammlung, hält den Oklo-Reaktor im Naturhistorischen Museum in Wien. (L. Gil/IAEO)
Die ursprüngliche, ganz natürliche Energiequelle
Gabun, die Kurzbezeichnung für die Gabunische Republik, liegt an der Westküste Zentralafrikas. Das Land hat eine Bevölkerung von fast 2,2 Millionen Menschen und war ursprünglich ein französisches Territorium in den 1800er Jahren. Folglich ist die Hauptsprache in Gabun Französisch. Gabun erlangte seine Unabhängigkeit von Frankreich im Jahr 1960 zusammen mit mehreren anderen afrikanischen Ländern, die zuvor Teil der Französischen Gemeinschaft waren.
Geologisch gesehen ist Gabun insofern interessant, als es hauptsächlich aus fast zwei Milliarden Jahre altem Eruptiv- und Metamorphosegestein aus dem Paläoproterozoikum besteht. Diese uralte Kruste enthält wertvolle natürliche Ressourcen wie Magnesium, Eisen, Uran, Gold und Erdöl. Überall in der Landschaft finden Entdecker und Forscher uralte Landformationen wie die mit Kohlenwasserstoffen gefüllten Riftbecken, die während der Trennung von Pangea vor 175 Millionen Jahren entstanden sind. Die natürlichen Kernreaktoren von Gabun sind eine weitere uralte Formation, auf die man vor fast 50 Jahren gestoßen ist.
In den 1970er Jahren stießen Bergleute bei der Suche nach Uran für französische Kernkraftwerke in Oklo, einer Region im Südosten Gabuns, auf diese 16 Kernreaktoren. Uran ist das wichtigste Element, das zur Energiegewinnung durch Kernspaltung verwendet wird. In künstlichen Kernkraftwerken wird Uran zu Pellets verarbeitet, die als Brennstoff in Kernreaktoren verwendet werden. Diese Uranpellets werden dann in Stäben gelagert, die zu Brennelementen gebündelt werden. Die Brennelemente befinden sich im Inneren des Reaktorbehälters, der zur Kühlung in Wasser getaucht ist.
Proben von Oklo als Schenkung an das Naturhistorische Museum in Wien. (Ludovic Ferrière/Museo de Historia Natural)
Bei der Kernspaltung wird zunächst ein Uranatom gespalten, das ein Neutron freisetzt. Dieses Neutron trifft dann auf andere Uranatome, die ihrerseits ebenfalls gespalten werden. Wenn weitere Neutronen weitere Uranatome spalten, wird bei diesen chemischen Reaktionen Wärme erzeugt, die dann genutzt wird, um Wasser in Dampf zu verwandeln. Dieser Dampf wird dann zum Antrieb von Dampfturbinen verwendet, um umweltfreundliche erneuerbare Energie zu erzeugen. Das Wasser, in das der Reaktorbehälter getaucht ist, kühlt die Elemente und verlangsamt die Neutronen, damit die Reaktionen nicht zu schnell ablaufen.
Uran ist bei Kernkraftwerken sehr begehrt, weil es sich im Vergleich zu anderen Elementen leicht in kleinere Atome spalten lässt. Als das natürliche Uran von französischen Bergleuten in Oklo gefunden wurde, bemerkten die in das Gebiet gerufenen Forscher eine statistisch signifikant niedrigere Konzentration von 235U (Uranisotop 235, das wegen seiner leichten Spaltbarkeit vor allem bei der Kernspaltung verwendet wird). Außerdem entdeckten sie Hinweise auf Cäsium, Americium, Curium und Plutonium, die normalerweise als Abfallprodukte in Kernreaktoren beim Uranzerfall anfallen. Dies deutete darauf hin, dass in den Minen eine natürliche Kernspaltung stattgefunden hatte. Dies war die erste Entdeckung, die darauf hindeutete, dass Kernspaltung auf natürliche Weise in der Erde stattfinden könnte.
Die natürlichen Kernspaltungsreaktoren von Oklo: (1) Kernreaktorzonen. (2) Sandstein. (3) Uran-Erzschicht. (4) Granit. (MesserWoland/CC BY-SA 3.0)
Das Einmaleins der natürlichen Kernkraftwerke
Als die Forscher begannen, die Kernspaltung in den gabunischen Kernreaktoren genauer zu untersuchen, fragten sie sich, wie die Kernspaltung so zwanglos ablaufen konnte. In künstlichen Kernreaktoren werden Kühlmittel wie Wasser benötigt, um die chemischen Reaktionen zu verlangsamen, indem die Geschwindigkeit der Neutronenbewegung verringert wird. Durch die Verlangsamung der Neutronenbewegung wird die Spaltung der Uranatome verringert, was zu einer kontrollierbareren Wärme- und Dampferzeugung führt. Ohne ein Kühlmittel wie Wasser würde die Kernspaltung so schnell ablaufen, dass der Reaktorbehälter so heiß werden könnte, dass er schmilzt, brennt oder sogar explodiert.
Ein Paradebeispiel für eine unkontrollierte Kernspaltung ist die Katastrophe von Tschernobyl, bei der der Reaktorkern schmolz und mehrere Explosionen ausgelöst wurden, was zu zahlreichen Todesopfern und einer starken radioaktiven Verseuchung der Region führte. In den folgenden Jahren gab es weitere Todesfälle aufgrund der radioaktiven Belastung, die bei den Betroffenen verschiedene Krebsarten und Krankheiten verursachte.
Einfaches Diagramm der Kernspaltung. Im ersten Bild ist ein Neutron dabei, vom Kern eines U-235-Atoms eingefangen zu werden. Im zweiten Bild ist das Neutron absorbiert worden und hat den Kern kurzzeitig in ein hoch angeregtes U-236-Atom verwandelt. Im dritten Bild ist das U-236-Atom gespalten, wobei zwei Spaltfragmente (Ba-141 und Kr-92) und drei Neutronen entstanden sind, die alle eine sehr hohe kinetische Energie aufweisen. (Public Domain)
Bei der Analyse der Kernreaktoren in Gabun wurde den Wissenschaftlern zum ersten Mal klar, dass für eine natürliche Kernspaltung zu einem bestimmten Zeitpunkt eine wesentlich höhere Konzentration von 235U vorhanden gewesen sein muss, um die Kettenreaktion auszulösen. In Anbetracht der extrem hohen Halbwertszeit von Uran (700 Millionen Jahre) müsste diese Konzentration bereits fast zwei Milliarden Jahre vor der Entdeckung der Uranerze vorhanden gewesen sein. Bei einer so hohen Konzentration wären die Atome auf natürliche Weise zusammengestoßen und gespalten worden, was zu weiteren Reaktionen geführt hätte. Die Forscher glauben, dass diese hohe Urankonzentration wahrscheinlich durch eine Kombination aus der Verwitterung von Eruptivgestein und einer hohen bakteriellen Aktivität in der Antike verursacht wurde.
Bei einer so hohen Konzentration von 235U wäre eine Art Kühlmittel erforderlich gewesen, um die Reaktionen zu kontrollieren und zu verhindern, dass sie eine Explosion in der Mine auslösen. Man geht davon aus, dass es in Oklo früher eine beträchtliche Menge Wasser gab, das vor zwei Milliarden Jahren als natürliches Kühlmittel gedient hätte. Dies hätte verhindert, dass es im Laufe der Zeit zu unkontrollierbaren Reaktionen in der Mine kommt.
Für einige Wissenschaftler ist das Faszinierendste an den gabunischen Kernreaktoren nicht die Tatsache, dass sie einst Kernenergie produzierten. Das Interessanteste ist die Tatsache, dass die Tests keine Hinweise auf eine hohe Radioaktivität in der Region ergaben. Einst giftiges Cäsium und Plutonium sind inzwischen zu Barium zerfallen, das für den Menschen unschädlich ist. Es gibt auch keine Anzeichen für eine radioaktive Belastung von Wildtieren in der Region, was in der Nähe von 16 natürlichen Kernreaktoren natürlich zu erwarten gewesen wäre. Diese Entdeckung über die gabunischen Kernreaktoren deutet darauf hin, dass die Natur einen Weg gefunden hat, das Gebiet im Laufe der Zeit auf natürliche Weise von erheblicher Radioaktivität zu befreien - eine Lektion, die die Wissenschaftler schnell zu lernen versuchen.
Das Gelände rund um die natürlichen Kernreaktoren in Oklo lässt vermuten, dass die Einlagerung von Grundwasser oberhalb einer Gesteinsschicht eine notwendige Voraussetzung für reichhaltiges, spontan spaltbares Uranerz ist. (Universität Curtin)
Eine Reihe unglücklicher nuklearer Ereignisse
Die Forscher glauben, dass die Kernreaktoren in Gabun über eine Million Jahre lang funktionierten, nachdem sie vor fast zwei Milliarden Jahren entstanden waren. Die Reaktoren hätten unter Wasser ordnungsgemäß funktioniert, bis das Wasser schließlich aufgrund der hohen Hitze der Kernreaktionen verdampft war. Dies ist die gleiche Reaktion, die auch in künstlichen Reaktoren abläuft, nur dass das Wasser recycelt wird, bevor es vollständig verdampft.
Nach etwa einer Million Jahren wäre die ehemals hohe Konzentration von 235U deutlich gesunken. Zu diesem Zeitpunkt haben die Reaktoren wahrscheinlich aufgehört, aktiv Energie zu produzieren. Obwohl die natürlichen Reaktoren abgeschaltet waren, blieben sie auf wundersame Weise durch den Schutz der sie umgebenden Ton- und kohlenstoffhaltigen Substanzen über Millionen von Jahren hinweg erhalten. Diese Stoffe schützten die Reaktoren vor einem hohen Sauerstoffgehalt, der in den letzten Millionen Jahren alle Spuren der Kernreaktion korrodiert oder aufgelöst hätte.
Was die Zukunft der natürlichen Kernreaktoren in Gabun betrifft, so bauten französische Bergleute weiterhin das verbleibende Uran ab, um es in künstlichen Kernreaktoren zu verwenden. Heute ist der größte Teil des nutzbaren Urans aus den Minen verschwunden, wodurch die Reaktoren keine Chance mehr haben, irgendwann in der Zukunft mehr Energie zu produzieren. Wissenschaftler nennen diese Minen heute „fossile“ natürliche Kernspaltungsreaktoren, da sie nicht mehr funktionieren, aber immer noch Beweise für ihre frühere Fähigkeit zur Energieerzeugung enthalten.
Professor Francois Gautier-Lafaye (Universität Straßburg) zeigt einer Gruppe von Schweizer Journalisten 1997 in der Uranmine von Oklo (Gabun) die Kontaktzone des natürlichen Kernreaktors Nr. 10. (Dr. Matthias D. Knill/Swiss Journal of Geosciences)
Kann die natürliche Energie ein Comeback feiern?
Obwohl in den gabunischen Kernreaktoren kein verwertbares Uran mehr abgebaut wird, haben die Bergleute Maßnahmen zur Minenrekultivierung eingeleitet. Bei der Minensanierung geht es darum, die Auswirkungen des Bergbaus auf die Umwelt zu minimieren, indem die abgebauten Gebiete wieder in ihren ursprünglichen Zustand versetzt werden. Die Rekultivierung kann die Verringerung der Erosion, die Stabilisierung von Hängen und die Behebung von Beeinträchtigungen der lokalen Tierwelt beinhalten. Man geht davon aus, dass die Rekultivierung von Bergwerken im Laufe der Zeit dazu führen kann, dass die Erde ihre eigenen Ressourcen wieder auffüllt, auch wenn einige der Auswirkungen der Rekultivierung von Bergwerken zu unseren Lebzeiten nicht mehr sichtbar sein werden. Viele Abbaugebiete werden in Lebensräume für Wildtiere oder landwirtschaftliche Flächen umgewandelt.
Für die fossilen natürlichen Kernreaktoren in Oklo ist die Minensanierung noch nicht abgeschlossen. Der Plan für die Region ist angesichts ihrer Geschichte als Standort für natürliche Kernreaktoren nicht ganz klar, aber Wissenschaftler arbeiten in der Region aktiv daran, den bestmöglichen Plan umzusetzen. Diese Sanierungspläne haben einige dazu veranlasst, sich zu fragen, ob die Minen eines Tages wieder Energie erzeugen könnten. Angesichts der derzeit sehr geringen Urankonzentration in den Minen ist es höchst unwahrscheinlich, dass in naher Zukunft irgendwelche Kettenreaktionen stattfinden werden. Da Uran eine begrenzte Ressource in der Erde ist und nicht hergestellt werden kann, ist es auch unmöglich, dass die Urankonzentration in den Minen im Laufe der Zeit zunimmt.
Obwohl die Zukunft für die gabunischen Kernreaktoren düster aussieht, haben Wissenschaftler eingeräumt, dass es durchaus möglich ist, dass es anderswo auf der Erde weitere natürliche Kernreaktoren gibt. Auch wenn bisher noch keine gefunden wurden, könnten zukünftige Erkundungen in verschiedenen Regionen durch Bergleute und Forscher zur Entdeckung eines weiteren natürlichen Kernreaktors führen. Da der Ozean eine hohe Konzentration an Uran aufweist (schätzungsweise vier Milliarden Tonnen), spekulieren einige Wissenschaftler, dass es in der ozeanischen Kruste am Meeresboden einige natürliche Kernreaktoren geben könnte.
Das Meerwasser würde als natürliches Kühlmittel fungieren, um eine unkontrollierte Spaltung des Urans zu verhindern, ähnlich wie bei den Reaktoren in Gabun vor zwei Milliarden Jahren. Angesichts der Tatsache, dass etwa 80 % des Ozeans noch nicht kartiert und erforscht sind, ist es durchaus möglich, dass irgendwo in der Tiefe ein natürlicher Kernreaktor versteckt sein könnte.
Während erneuerbare Energien weiter erforscht und eingesetzt werden, wird weiterhin Uran für künstliche Kernreaktoren abgebaut. Nuklearwissenschaftler analysieren noch immer die langfristigen Auswirkungen der Kernenergie, wie z. B. die Notwendigkeit, den Atommüll zu entsorgen, ohne die Erde mit Radioaktivität zu verseuchen. Mithilfe der in den gabunischen Kernreaktoren gesammelten Informationen könnten die Wissenschaftler in der Lage sein, eine wirksame und sichere Methode für die künftige Entsorgung dieser Abfälle zu entwickeln. Mit etwas Glück werden die gabunischen Kernreaktoren eines Tages zu einem realisierbaren Beispiel dafür, wie Kernenergie auf umweltfreundliche Weise erzeugt werden kann.
Bild oben: In Oklo, Gabun, steht der erste und einzige natürliche Kernreaktor der Welt. Quelle: WORLDKINGS
Von Lex Leigh
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