En naturlig kärnreaktor

Det finns en plats på jorden där naturligt kärnavfall har förvarats i två miljarder år. Två miljarder år är en oerhört lång tid: kontinenter har vuxit och förflyttats, bergskedjor har uppstått och försvunnit, oceaner har öppnats och stängts. Ändå finns bergarterna i den afrikanska Oklogruvan kvar, och i dem de fossila kärnreaktorer som naturen själv har skapat.

Under en avlägsen tid, när livet på jorden endast bestod av encelliga organismer, pågick kärnreaktioner i den då nyligen bildade uranmalmen i Oklo. Oklo ligger i Gabon, mitt på ekvatorn i västra Afrika (bild 3). På 1970-talet, när uran utvanns ur malmen i Oklo, upptäckte man något förbryllande. Det verkade som om uranet redan hade använts. Forskarna konstaterade till slut att de hade påträffat naturligt bildat utbränt kärnbränsle – naturligt kärnavfall! Studier av detta unika fenomen hjälper oss att förstå hur vårt eget utbrända kärnbränsle ska förvaras.

När bränslet i våra svenska kärnreaktorer är utbränt, måste det tas om hand. Enligt den svenska modellen ska det utbrända kärnbränslet förvaras i kapslar gjorda av järn och koppar (bild 4). Dessa ska placeras på 500 meters djup i berggrunden i hålrum fyllda med bentonitlera. Kapseln och bentonitleran ska skydda bränslestavarna från grundvatten, och kopparkapseln ska hålla miljön runt om syrefattig.

Naturen som laboratorium

Kommer den modellen att hålla? De naturliga kärnreaktorerna i Afrika utgör en direkt parallell till nästan hela det svenska djupförvaret. En typisk s k reaktorzon i Oklo där vi hittar det utbrända kärnbränslet har i dag formen av en något böjd och veckad pannkaka (bild 2). Zonen har en yta av ungefär 100 kvadratmeter och har en halvmeter tjock kärna, som nästan helt och hållet består av mineralet uraninit (urandioxid). Omkring uraniniten finns en mantel av finkorniga lermineral (illit och klorit), som bildades under tiden som kärnreaktionerna pågick (bild 2).

I Oklo finns alltså motsvarigheter till hur vi har tänkt oss att förvaringen: det utbrända kärnbränslet motsvaras av uraniniten, och bentoniten motsvaras av lermineralen och runt om har vi berggrunden (bild 4). Däremot finns där inget som liknar den skyddande järn- och kopparkapseln. Därför är de processer som vi studerar i Oklo sådana som kan tänkas uppstå när kapseln har gått sönder. Bland annat följer vi omvandlingen av det utbrända kärnbränslet samt hur och när radioaktiva ämnen har frigjorts.

Stabilt kärnbränsle

Studierna visar att kärnbränslet i Oklo har varit stabilt under lång tid, samtidigt som de geokemiska förhållandena har varierat. Vi har också hittat många radioaktiva ämnen som har fastnat i sprickor och mineral i berget runt omkring.

Detta är dock inte hela sanningen. Utbränt kärnbränsle innehåller många olika typer av ämnen. En del förekommer i radioaktiv form, s k radioaktiva isotoper, som utgör en större risk än andra. Dit hör t ex cesium (Cs-137), strontium (Sr-90) och teknetium (Tc-99). Dessa isotoper finns inte kvar i Oklo i dag, eftersom de för länge sedan har sönderfallit och bildat stabila isotoper. Men vi kan följa deras väg och ta reda på om isotoperna stannade kvar i reaktorerna eller om de transporterades bort innan de sönderföll.

Vad vi kan se har merparten av det cesium och en stor del av det strontium som bildades i Oklo försvunnit ut ur reaktorkärnorna. Troligtvis transporterades dessa ämnen bort från reaktorerna redan under tiden då kärnreaktionerna pågick och strax därefter.

Andra ämnen, inklusive teknetium, har klumpat ihop sig i små korn i uraniniten. Dessa korn liknar de små metalliska inneslutningar som finns i använt kärnbränsle. I använt kärnbränsle bildar vissa metalliska fissionsprodukter, som silver eller tenn, en metallegering som förekommer utspridd i bränslet som små, små korn (kornstorleken är endast 10-1 000 nanometer, alltså en tusendels millimeter eller mindre).

Spontan reaktion sätter i gång

Naturliga kärnreaktorer kan inte bildas i dag – nutida uran har fel sammansättning – men för två miljarder år sedan var det fullt möjligt. Uran är radioaktivt och består till 99,99 procent av två olika isotoper: U-235 och U-238. Det är U-235 som man brukar anrika när kärnbränsle tillverkas, och det sönderfaller snabbare än U-238. För två miljarder år sedan, när uranmalmen i Oklo bildades, var den naturliga isotopsammansättningen av uran annorlunda. Då var 3,5 procent av allt uran U-235. Numera är det bara 0,7 procent, vilket är otillräckligt för att bilda naturliga kärnreaktorer.

Kärnklyvning, det som kallas fission, åstadkoms genom att en neutron träffar en klyvbar atom (U-235) varpå denna faller sönder i två andra atomer, fissionsprodukter (bild 5). Samtidigt frigörs ett par eller tre nya neutroner. Om dessa nya neutroner också träffar klyvbara atomer sätter en kedjereaktion i gång. Det krävs alltså att det finns tillräckligt många klyvbara atomer i tillräcklig koncentration för att starta en kedjereaktion.

Naturligtvis måste kedjereaktionen börja någonstans: den första neutronen måste tillföras. Både U-235 och U-238 är radioaktiva och sönderfaller spontant. Men detta sker framför allt genom s k alfasönderfall, då en urankärna omvandlas till en annan atomkärna samtidigt som en alfapartikel sänds ut (bild 6).

Men en liten, liten andel uran sönderfaller även genom kärnklyvning, spontan fission. Det betyder att några få urankärnor helt enkelt klyvs utan att först ha träffats av en neutron. Två nya atomer och ett par fria neutroner skickas ut i omgivningen, helt spontant. De ursprungliga neutroner som behövdes för att starta kedjereaktionen i Oklo måste alltså ha kommit från spontan fission av uran.

För att fission ska ske måste neutronerna dessutom vara lagom långsamma när de träffar den klyvbara atomen. I en kärnreaktor används vanligen en s k moderator för att bromsa neutronerna. Vatten är en vanlig moderator. Neutronerna krockar med vattnets molekyler och förlorar då litet av sin hastighet.

En annan viktig förutsättning för fission är att inga ämnen som absorberar neutroner är i vägen. Sådana ämnen, som kallas neutrongifter, är t ex bor, kadmium och sällsynta jordartsmetaller. De används inom kärnkraftsindustrin för att sakta ner eller helt stoppa kedjereaktionen. I Oklo var koncentrationen av neutrongifter mycket låg.

Vattnet kokade bort

Tillräckligt mycket uran med lämplig sammansättning och vatten som moderator var alltså förutsättningarna för att de naturliga kärnreaktorerna skulle sätta i gång. Men i uranmalmen i Oklo fanns inte tillräckligt med vatten från början.

Kedjereaktionen startade först sedan det hade bildats ett finmaskigt nätverk av sprickor i berget runt om uranmalmen. Grundvatten strömmande in och fyllde sprickorna. Med vattnet som moderator blev neutronerna lagom snabba och kedjereaktionen kunde starta.

Kärnreaktorer bildades fläckvis på minst 14 ställen i uranmalmen i Oklo. En reaktor uppstod också i en annan, besläktad uranmalm 20 kilometer därifrån, i Bangombé.

Det blev varmt i reaktorerna när kärnreaktionerna pågick. Det var förstås redan ganska varmt; reaktorerna befann sig 2-3 kilometer ner i berget när kärnreaktionerna satte i gång.

Inne i berget var trycket högt, och vid stora tryck kokar vatten vid högre temperatur, det salta grundvattnet som cirkulerade i malmen blev flera hundra grader varmt. Så småningom blev det dock så varmt att vattnet nådde kokpunkten och kokade bort. Eftersom vatten är nödvändigt för att upprätthålla en kedjereaktion, stannade kärnreaktionerna när vattnet försvann. Men då blev det något svalare inne i berget, vattnet strömmade tillbaka till reaktorerna och kärnreaktionerna satte i gång igen. Så höll det på i hundratusentals år.

Det salta vattnet som cirkulerade kring reaktorerna löste upp och omvandlade berget kring reaktorkärnorna. Den ungefärliga sammansättningen av malmen i de zoner där kärnreaktionen började var 80 procent kvarts, 10 procent lermineral och 10 procent uraninit. Under tiden kärnreaktionerna pågick löstes kvartsen upp, och malmens volym minskade. Så malmen i zonen sjönk ihop, och koncentrationen av lermineral och uraninit ökade.

Den slutliga sammansättningen i en reaktorzon är ungefär hälften uraninit och hälften lermineral. Volymminskningen innebar att 5 meter tjocka sandstenslager omvandlades till 70 centimeter tjocka reaktorzoner. Därmed uppstod den pannkaksliknande formen.

Berget var stabilt

Uranmalmen och reaktorzonerna i Oklo ligger i sandsten med ett lager av lerskiffer ovanpå. Dessa bergarter är två miljarder år gamla och befinner sig i nästan ursprungligt skick. Det är inte speciellt vanligt att så gamla sedimentbergarter är så välbevarade – gamla bergarter har vanligtvis deltagit i bergskedjeveckningar eller tryckts ner i jordskorpan och på så sätt förändrats. Geologin i Okloområdet har däremot varit stabil, och därför kunde reaktorzonerna i Oklo bevaras fram till våra dagar.

Reaktorzonerna och uranmalmen omkring dem har, trots stabiliteten, ändå blivit påverkade och till viss del omvandlade av geologiska händelser. I samband med dessa händelser påverkades de direkt av att temperaturen ökade, och varmt saltvatten cirkulerade i berget.

För ungefär 860 miljoner år sedan trängde basaltisk magma från jordens inre upp i jordskorpan i Okloområdet och hettade upp berget och grundvattnet. Denna tid av geologisk aktivitet följdes av en period av bergskedjeveckning på många olika håll runt om i Afrika. Den bergskedjeveckning som pågick 20-30 mil sydväst om Oklo under den här tiden verkar ha orsakat omvandlingar i kärnreaktorerna och uranmalmen.

Om istiden kommer

Ungefär samtidigt med bergskedjeveckningen, för 600-500 miljoner år sedan, var jorden troligen utsatt för global nedisning. Jorden såg mer eller mindre ut som en snöboll! Detta innebär att det var istid också i Okloområdet. De naturliga kärnreaktorerna befann sig dock troligtvis på 2-3 kilometers djup nere i jordskorpan vid den tiden. Detta kan jämföras med vårt planerade djupförvar som ska ligga på 500 meters djup.

Under den senaste istiden skrapades uppskattningsvis ett halvmetertjockt berglager bort från vårt land. Detta är en ungefärlig siffra som varierar kraftigt från plats till plats, men den visar ändå att isens erosion under en framtida istid inte kommer att påverka vårt kärnavfallsförvar.

Däremot kan djupförvaret under en istid påverkas av tryckförändringar i jordskorpan, som skapar rörelser i berget. Det kan också påverkas av förändringar i grundvattnets kemi och flöde. Rörelserna i berget kommer att ske främst längs de redan existerande stora spricksystemen i berggrunden. Därför vill man undvika dessa sprickor när djupförvaret byggs.

Under årmiljonerna som gått, har marken i Okloområdet höjts och berget ovanför reaktorerna har vittrat ner. Vittringen har nått så långt att vissa av reaktorerna i dag ligger nära jordytan. Reaktorzonen i Bangombé befinner sig bara 12 meter under marken, vilket medför att reaktorn är i kontakt med syresatt grundvatten. Mätningar av grundvattnet i Bangombé visar att en del uran löses upp av det syrerika vattnet och försvinner ut i den omgivande miljön. En del av reaktorerna ligger dock fortfarande så pass djupt under ytan, mer än 200 meter, att de är opåverkade av vittringsprocesserna på jordytan.

Naturen visar vägen

Den naturliga kärnreaktorn i Oklo har lyckats bevara sitt kärnavfall i två miljarder år. Så när djupförvaret nu planeras här hemma i Sverige bör vi se till att bränslet inte kommer i kontakt med vatten, att temperaturen runt förvaringsplatsen är så låg som möjligt och att den geologiska miljön hålls syrefri.

Det är kopparkapseln runt kärnbränslet som hjälper till att hålla syrenivån i omgivningen låg. Detta är viktigt, eftersom uraninit, och därmed det mesta av kärnbränslet, har mycket låg löslighet i vatten med låg syrehalt. Kärnbränslet löses inte upp och flyter inte i väg i samma grad som när vattnet har hög syrehalt.