Tự nhiên đã tạo ra lò phản ứng hạt nhân từ 2 tỉ năm trước

Nhà máy điện hạt nhân.

Năm 1942, nhà vật lý học Enrico Fermi và một đội ngũ công nhân đã xây nên lò phản ứng hạt nhân đầu tiên tại một sân bóng tennis trong nhà tại Chicago, hoặc ít ra là họ nghĩ như vậy.

Tại sao ư? Mẹ thiên nhiên đã đi trước Fermi cả thiên niên kỷ rồi.

Tại Gabon, Châu Phi, một chuỗi phản ứng hạt nhân tự phát đã bắt đầu trong một mỏ uranium tự nhiên từ gần 2 tỉ năm trước, và vẫn tiếp tục phản ứng sau hàng trăm ngàn năm tiếp theo.

Vào năm 1972, những mỏ uranium này bắt đầu thu hút sự chú ý từ các nhà khoa học về hạt nhân, nhà vật lý người Pháp Francis Perrin đã tìm ra lò phản ứng hạt nhân tự nhiên này. Và khi công nhân phân tích mẫu quặng từ mỏ Oklo, họ thấy rằng những mẫu quẳng này có một sự gì đó kì lạ.

Mẫu uranium từ mỏ Oklo bị mất đi khoảng 0,003% lượng uranium-235, chất đồng vị quý giá nhất trong 3 loại chất đồng vị trong uranium tự nhiên. Ba loại đồng vị đó là uranium-238 (99,2739–99,2752% số lượng đồng vị trong tự nhiên), uranium-235 ( với 0,7198–0,7202%) và uranium-234 (với 0,0050–0,0059%), uranium-235 có khả năng sản sinh nguồn năng lượng cực lớn.

Con số 0.003% là rất bé, nhưng dựa vào độ lớn của những vỉa uranium này, tổng số lượng uranium-235 mất đi là hơn 200kg. Vì loại đồng vị này rất hiếm và được sử dụng trong cả việc sản xuất điện hạt nhân lẫn sản xuất vũ khí hạt nhân, không lạ lùng gì việc các nhà khoa học và các nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu rõ ràng rằng chúng đã “biến mất” đi đâu như thế nào.

Hóa ra, lượng uranium mất đi là do những phản ứng từ rất lâu rồi của một lò phản ứng hạt nhân tự nhiên có khả năng tự duy trì hoạt động, đây là lò phản ứng đầu tiên được phát hiện ra. Sau phát hiện đầu tiên đó, 17 lò phản ứng hạt nhân tự nhiên khác được tìm thấy gần khu vực mỏ Oklo này.

Vậy thì lò phản ứng hạt nhân tự nhiên này hoạt động như thế nào?

Phản ứng phân rã hạt nhân xảy ra khi một neutron tác động vào một chất đồng vị tách ra được (uranium-235), bẻ gãy cấu trúc của nó và phát tán ra thêm nhiều neutron hơn, sau đó chúng bị đẩy đi bởi năng lượng sản sinh ra khi mà hai nguyên tử tách ra. Và khi một neutron va phải một nguyên tử khác, chúng lại vỡ ra và phản ứng hạt nhân lại tiếp tục tiếp diễn.

Phản ứng phân rã hạt xảy ra khi neutron va vào một đồng vị hạt nhân, cụ thể là uranium-235, sinh ra năng lượng và tiếp tục chu kì như thế hàng trăm ngàn năm liền.

Nhưng để một lò phản ứng hạt nhân có thể tự duy trì được, nó phải được bao bọc bởi một lớp vỏ đồng vị: một vật liệu có thể tăng khả năng các neutron va đập vào những nguyên tử khác để phản ứng hạt nhân có thể tiếp diễn không ngừng. Nhưng đồng thời những vật liệu bao bọc lò phản ứng tự nhiên đó cũng không được hấp thu quá nhiều các neutron được tạo ra từ những phản ứng đó.

Như nhiều lò phản ứng hiện đại ngày nay, vật liệu đồng vị bao bọc lấy lò tự nhiên Oklo cũng là nước. Nước ngầm tại khu vực này thâm nhập vào trong lò, sôi và bốc hơi mất khi nhiệt từ phản ứng trở nên quá nhiều, nhưng khi lò nguội đi, nước lại tiếp tục chảy vào và phản ứng hạt nhân lại tiếp tục tiếp diễn.

Những vùng phản ứng hạt nhân (1) được tạo ra bởi những đường đá ong (2), nước chảy qua được những đường rãnh này (3) trên nền lớp đá granite rắn chắc (4).

Và cứ như vậy, lò phản ứng hạt nhân tự nhiên này tồn tại hàng trăm ngàn năm, theo như báo cáo của các nhà khoa học nghiên cứu khu vực này.

Lò tự nhiên này tiếp tục hoạt động cho tới khi lượng uranium-235, nguyên liệu của các phản ứng hạt nhân này, cạn kiệt. Rồi thời gian qua đi, cả thiên niên kỉ trước khi con người đứng được bằng hai chân, xây nên những phòng thì nghiệm vật lý và tiến hành phân tách nguyên tử, những lò phản ứng tự nhiên này dừng hoạt động trong im lặng.

Các nhà khoa học vẫn không chắc chắn được rằng còn bao nhiêu lò hạt nhân tự nhiên như lò Oklo này tồn tại trên thế giới.

Có lẽ rằng, đây là tài liệu nghiên cứu đáng giá nhất mà lò hạt nhân Oklo để lại cho chúng ta: bản thân nó là một tư liệu nghiên cứu lâu dài cực kì đáng giá về việc xử lý chất thải hạt nhân khi Oklo đã tồn tại gần 2 tỉ năm.