Naturalne i sztuczne reaktory jądrowe: świadectwo celowości w produkcji energii?Czas czytania: 10 min

Guillermo Gonzalez

2020-04-17
Naturalne i sztuczne reaktory jądrowe: świadectwo celowości w produkcji energii?<span class="wtr-time-wrap after-title">Czas czytania: <span class="wtr-time-number">10</span> min </span>

W 1972 roku francuscy fizycy odkryli, że około dwóch miliardów lat temu w Oklo (Gabon w Afryce) działały naturalne reaktory jądrowe1. Nowoczesne elektrownie jądrowe to skomplikowana maszyneria. Urządzenia muszą kontrolować i zatrzymywać ciepło wytwarzane w wyniku rozszczepiania wzbogaconego uranu. Osiąga się to za pomocą chłodziwa odprowadzającego ciepło z rdzenia reaktora. Ponadto moderator spowalnia generowane przez rozszczepienie prędkie neutrony, które wywołują rozszczepianie innych atomów uranu. Jak taki proces może przebiegać naturalnie? Czy naturalny reaktor jądrowy wymagał zaprojektowania?

 

Nic za darmo

William Dembski zadał to pytanie w swojej książce z 2001 roku No Free Lunch: Why Specified Complexity Cannot Be Purchased without Intelligence2 [Nic za darmo. Dlaczego wyspecyfikowana złożoność nie mogła powstać bez udziału inteligencji]. Dembski opisał swój filtr eksplanacyjny oraz sposób, w jaki pomaga on zrozumieć zastosowanie kryterium wyspecyfikowanej złożoności do wykrywania zdarzeń zaprojektowanych. Kryterium to powiązane jest ze wszechświatową granicą prawdopodobieństwa, która określa maksymalną liczbę wyspecyfikowanych, naturalnych zdarzeń w Kosmosie. Dembski podał bardzo dużą liczbę: 10150. Wszystkie wyspecyfikowane zdarzenia lub struktury, dla których prawdopodobieństwo wystąpienia jest mniejsze niż 1 na 10150, wyczerpują zasoby probabilistyczne Kosmosu i nie można ich przypisać przypadkowi [czyli nie mogą zajść w sposób losowy ‒ przyp. tłum.].

Dembski rozważał, czy naturalne reaktory jądrowe znajdujące się w Oklo spełniają kryterium wyspecyfikowanej złożoności. Stwierdził, że musiało zaistnieć jednocześnie kilka ściśle określonych warunków, aby te reaktory powstały. Nie podał jednak prawdopodobieństwa zajścia takiego zdarzenia, gdyż nie jest ono jeszcze znane. Zasugerował tylko, że prawdopodobieństwo pojawienia się tych reaktorów nie było bardzo małe.

Geolodzy i fizycy zaproponowali całkiem dobrą teorię działania reaktorów w Oklo i byli w stanie stworzyć ich model3. W 1956 roku przewidzieli nawet warunki, które trzeba spełnić, aby reaktory powstały. Po pierwsze, minerały uranu musiały być wystarczająco skoncentrowane, aby reakcje rozszczepiania mogły same się podtrzymywać. Nie było to jednak możliwe przed pojawieniem się tlenu w atmosferze, co miało miejsce nieco ponad dwa miliardy lat temu. Tlen to warunek konieczny, ponieważ uran jest rozpuszczalny w wodzie tylko w jego obecności. Po rozpuszczeniu w wodzie gruntowej uran może koncentrować się w warstwach wodonośnych w skorupie ziemskiej, gdzie ulega redukcji do uraninitu i wytrąca się z roztworu, tworząc rudę.

Interesujące jest to, że ważną rolę w tworzeniu rudy uranu odegrały najwyraźniej organizmy żywe. Związki organiczne znacznie przyspieszają tempo tworzenia się rud uraninitu ‒ czy to z martwej materii, mat algowych, czy żywych bakterii. Ponadto organizmy żywe wykorzystujące fotosyntezę spowodowały wzrost ilości tlenu w atmosferze. Tak więc organizmy żywe przyczyniły się w dużej mierze do tego, że możemy dzisiaj eksploatować złoża rudy uranu, których powstanie datowane jest co najwyżej na dwa miliardy lat.

Drugim warunkiem wystąpienia reakcji jądrowej jest wystarczająca obfitość [abundancja, czyli procentowa zawartość danego izotopu pierwiastka w pierwiastku występującym w naturze – przyp. tłum.] krótkotrwałego izotopu rozszczepialnego U-235 w stosunku do obficiej występującego izotopu U-238. Nie jest to dzisiaj możliwe w warunkach naturalnych, ponieważ obecnie występuje zbyt mało izotopu U-235 (z powodu krótszego okresu połowicznego rozpadu). Jednak dwa miliardy lat temu jego procentowy udział był podobny do stosowanego współcześnie w reaktorach uranu wzbogaconego (około 3 procent). Biorąc pod uwagę stały spadek stosunku U-235 do U-238, warunek ten był spełniony w pewnym momencie historii Ziemi. Zatem fakt, że ruda w Oklo miała wymagany stosunek tych izotopów, nie jest szczególnie zaskakujący.

 

Powstanie tlenu

Zaskakująca jest natomiast pewna niezwykła koincydencja: w tym samym czasie zbiegły się ze sobą wzrost ilości tlenu oraz minimalny stosunek izotopów uranu wymagany do samopodtrzymującego się rozszczepiania atomów. Gdyby wzrost ilości tlenu nastąpił nieco później, naturalne reaktory jądrowe nie mogłyby powstać. Gdyby tlen pojawił się znacznie wcześniej, reaktory te byłyby bardziej rozpowszechnione i być może zachodziłyby w nich gwałtowne reakcje, które wyczerpałyby znacznie więcej U-235.

Kolejny warunek dotyczy geometrii żył zawierających uran. Muszą one mieć co najmniej dwie trzecie metra grubości. Każda cieńsza warstwa emitowałaby za mało neutronów, które byłyby pochłaniane przez uran. Ponadto nie może być zbyt wielu „trucizn neutronowych” (neutron poisons) – pierwiastków absorbujących neutrony, które powinny być pochłonięte przez atomy uranu. Niektóre tego typu pierwiastki, takie jak bor i srebro, występują naturalnie, inne zaś powstają w procesie rozszczepiania. Najsilniejszą trucizną neutronową jest ksenon-135, ale ponieważ to gaz, więc stosunkowo szybko dyfunduje on z rudy uranu po jej wytworzeniu (cóż za dogodna sytuacja!).

Wreszcie, musi istnieć moderator neutronów, który zwiększa prawdopodobieństwo absorpcji wolnych neutronów przez atomy U-235. Podobnie jak w wielu współczesnych reaktorach jądrowych, woda była moderatorem w reaktorach w Oklo. Otaczająca rudę, porowata skała osadowa umożliwiała oddziaływanie wody z rudą uranu. Reaktory prawdopodobnie działały w powtarzającym się cyklu, wyłączając się na kilka godzin, gdy woda wygotowała się z powodu wytworzonego w reaktorze ciepła, a następnie uruchamiały się ponownie po ochłodzeniu, kiedy woda powracała do rdzenia uranu. Proces ten porównano do naturalnego cyklu gejzerów, takich jak Old Faithful w Yellowstone.

Reaktory w Oklo pracowały przez milion lat, a ich rdzenie nie ulegały topnieniu ani eksplozjom. Od tego czasu pozostały one w zasadzie wyłączone. To ostatnia lekcja, której uczą nas reaktory – jak radzić sobie z odpadami nuklearnymi. Długoterminowe zakonserwowanie reaktorów świadczy o istnieniu geologicznych rozwiązań tego problemu.

Co ciekawe, istnienie naturalnych reaktorów jądrowych odkryto niecałe dwadzieścia lat po zbudowaniu pierwszego reaktora przez fizyków. Gdyby odkryto je w latach trzydziestych XX wieku, mogłyby być przykładem „geonukleomimetyki” – geologicznego i jądrowego odpowiednika bioniki [nauki zajmującej się tworzeniem wynalazków inspirowanych przyrodą, rzadziej nazywanej biomimetyką – przyp. tłum.].

 

Świadectwo projektu i celowości?

Wróćmy do pytania Dembskiego o to, czy reaktory w Oklo zostały zaprojektowane. Zastosowanie filtra eksplanacyjnego i wszechświatowej granicy prawdopodobieństwa doprowadziło go do wniosku, że fakt zaprojektowania reaktorów jest wątpliwy. Znane prawa fizyczne mogą wyjaśnić ich działanie, a powstanie reaktorów nie było mało prawdopodobne. W filtrze Dembskiego reaktory trafiły do węzła decyzyjnego „fizycznej konieczności”. Trzeba jednak pamiętać, że filtr stosuje się do wzorców i wydarzeń zachodzących w historii Wszechświata. Z tego powodu nie można zastosować filtra eksplanacyjnego do praw fizycznych, ponieważ to w odniesieniu do nich określa się, czy dane zdarzenia we Wszechświecie mają charakter przygodny.

Na jednym poziomie rozważań można zatem stwierdzić, że reaktory w Oklo są „naturalne”. Co jednak z zagadnieniami na wyższym poziomie wyjaśniania? W takim przypadku możemy zapytać: „Czy to logicznie konieczne, że znaleźliśmy się na planecie z naturalnymi reaktorami jądrowymi?”. Jeśli odpowiedź na to pytanie brzmi „tak”, to reaktory w Oklo nie są zaprojektowane. Zauważmy, że pytanie to jest bardziej szczegółowe niż pytanie: „Czy logicznie konieczne jest istnienie naturalnych reaktorów jądrowych w Kosmosie?”. Nawet jeśli odpowiedź na to pytanie brzmi „tak”, to nadal mogą być one zaprojektowane.

Naturalne reaktory jądrowe nie są logicznie konieczne. Czy można ich powstanie wyjaśnić jako skutek procesów przypadkowych? W tym momencie przydadzą się dodatkowe informacje. Reaktory występujące na Ziemi nie wydają się mało prawdopodobne, ale czas ich pojawienia się jest precyzyjnie dostrojony. Pojawiły się w historii Ziemi tak późno, jak to tylko możliwe.

Chociaż nie wiemy tego na pewno, w obrębie Układu Słonecznego naturalne reaktory jądrowe mogą występować tylko na Ziemi. Jeśli okaże się, że tak jest, umocni to związek między życiem a reaktorami jądrowymi. Wiemy już wystarczająco dużo, aby stwierdzić, że należy wykluczyć ich obecność na innych planetach i księżycach atmosfery bogatej w tlen oraz istnienie cyklu hydrologicznego związanego ze skałami zawierającymi uran.

Dzisiaj bionika inspiruje biologów i inżynierów do opracowywania nowych technologii na wzór tych, które są już obecne w naturze. Chociaż naturalne reaktory nie zainspirowały fizyków i inżynierów do budowy pierwszego reaktora, to z pewnością mogło tak być. Elektrownie jądrowe są użyteczne dla współczesnej cywilizacji. Ogólnie rzecz biorąc, Ziemia wydaje się bardzo dobrze dostosowana do wytwarzania energii. Musiało zgrać się ze sobą wiele warunków, aby paliwa kopalne były dostępne na Ziemi w odpowiednich ilościach. Do powierzchni naszej planety dociera dużo energii słonecznej (tylko do powierzchni Księżyca i Merkurego dociera jej więcej). Na Ziemi możliwe jest również wytwarzanie energii z wiatru i wody. Spośród wszystkich planet i księżyców w Układzie Słonecznym na Ziemi występują najbardziej różnorodne zasoby energii.

 

Archeolog i skała

Czasami możemy stwierdzić, że coś zostało zaprojektowane, ale nie potrafimy określić, jaki jest tego cel. W przypadkach, w których cel można dostrzec, możemy być bardziej pewni, że rzeczywiście mamy do czynienia z wytworem projektu. Na przykład archeolog wykopuje skałę, która wygląda, jakby była ukształtowana w nienaturalny sposób. Z tego powodu może się on zdecydować zabrać ją ze sobą. Po bliższym przyjrzeniu się, rozważeniu kontekstu znaleziska i porównaniu z podobnie wyglądającymi artefaktami o znanym pochodzeniu i celu, w końcu dochodzi do wniosku, że skała została wytworzona przez człowieka i była używana jako topór ręczny. Teraz, kiedy rozpoznał zastosowanie tej skały, może mieć większą pewność, że jest to rzeczywiście wytwór starożytnych istot inteligentnych.

Naturalne reaktory jądrowe same w sobie są jak ciekawie wyglądająca skała. Być może zostały zaprojektowane, ale żeby to stwierdzić, potrzeba więcej informacji. W kontekście historii Ziemi czas występowania naturalnych reaktorów jest precyzyjnie dostrojony. W szerszym kontekście ‒ Układu Słonecznego ‒ naturalne reaktory wydają się występować tylko na Ziemi. Istnieje ścisły związek między istnieniem naturalnych reaktorów a życiem, ale nie w tym sensie, że życie wymaga naturalnych reaktorów do przetrwania. Wreszcie, naturalne reaktory jądrowe wpisują się w szerszy kontekst wyjątkowo różnorodnych zasobów energetycznych Ziemi, które są tak ważne dla współczesnej cywilizacji.

Spojrzenie na naturalne reaktory jądrowe jako część większego celu, którym jest zapewnienie nam różnorodnych zasobów energii, daje mi pewność, że zostały one zaprojektowane. Ma to poważne konsekwencje dla polityki. Być może mieliśmy robić użytek z różnych zasobów ziemskiej energii. Istnieją bezpieczne i rozsądne ekonomicznie sposoby ich używania. Jednak to, jakie sposoby znajdziemy i jak je wykorzystamy, leży w rękach specjalistów z wielu różnych dziedzin, a mogą mieć oni nieznacznie odmienne opinie.

A co z gejzerami? Porównanie ich z naturalnymi reaktorami jądrowymi może być pouczające. Po pierwsze, nie wydają się pasować do szerszego wzorca ani celu. Ich powstanie nie jest mało prawdopodobne. Nie występują wyłącznie na Ziemi. Wreszcie, nie wymagają precyzyjnego dostrojenia. Z tych powodów uważam, że gejzery możemy bezpiecznie zaliczyć do zjawisk naturalnych.

 

Guillermo Gonzalez

Oryginał: Natural and Artificial Nuclear Reactors: Evidence of Purpose in Energy Production?, „Evolution News & Science Today” 2020, January 16 [dostęp 17 IV 2020].

 

Przekład z języka angielskiego: Robert Olender

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 17.04.2020

Przypisy

  1. Por. Natural Nuclear Fission Reactor, „Wikipedia” [dostęp 17 IV 2020] (przyp. tłum.).
  2. Por. William A. Dembski, No Free Lunch: Why Specified Complexity Cannot Be Purchased without Intelligence, 2nd ed., Lanham 2007 [dostęp 17 IV 2020] (przyp. tłum.).
  3. Por. Natural Nuclear Fission Reactor (przyp. tłum.).

Literatura:

  1. Dembski W.A., No Free Lunch: Why Specified Complexity Cannot Be Purchased without Intelligence, 2nd ed., Lanham 2007 [dostęp 17 IV 2020].
  2. Natural Nuclear Fission Reactor, „Wikipedia” [dostęp 17 IV 2020].

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *



Najnowsze wpisy

Najczęściej oglądane wpisy

Wybrane tagi