Bí ẩn lò phản ứng hạt nhân 2 tỷ năm tuổi ở châu Phi

Một lô hàng quặng Urani từ mỏ Oklo ở Cộng hòa Gabon thuộc châu Phi chỉ chứa 0,71% đồng vị phân hạch Urani-235, thay vì 0,72% thường thấy trong tự nhiên. Sự khác biệt này, mặc dù nhỏ, nhưng cũng đủ để gióng lên hồi chuông cảnh báo, vì nó cho thấy rằng ai đó ở Gabon có thể đang chuyển hướng U-235 cho các mục đích trái phép mà một trong số đó có thể là sản xuất vũ khí hạt nhân. Do đó, một nhóm từ Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Pháp (CEA) đã ngay lập tức được cử đến Gabon để điều tra.

Tuy nhiên, bất chấp nhiều tuần phân tích cẩn thận, các nhà điều tra không tìm được bằng chứng nào về hành vi trộm cắp Urani. Thay vào đó, họ nhận thấy bản thân quặng Urani đã nghèo đi, trong đó một số mẫu nhất định có nồng độ U-235 thấp tới 0,44%.

Kỳ lạ hơn nữa, quặng này chứa một lượng lớn Neodymi-143, Rutheni-99 và Xenon 131, 132, 134, 135 và 136. Các đồng vị này chỉ có trong nhiên liệu đã qua sử dụng từ các lò phản ứng hạt nhân. Xem xét bằng chứng này, ông Francis Perrin, cựu cao ủy Pháp về năng lượng nguyên tử, đã đưa ra một kết luận đáng kinh ngạc: khoảng 2 tỷ năm trước, khi sự sống phức tạp thậm chí còn chưa phát triển trên trái đất, thân quặng Oklo đã trải qua một phản ứng dây chuyền hạt nhân kéo dài. Nhóm tại CEA đã tình cờ phát hiện ra một thứ chưa từng có: một lò phản ứng hạt nhân tự nhiên, cổ xưa.

Năm 1956, lần đầu tiên nhà hóa học người Mỹ gốc Nhật Bản Paul Kuroda dự đoán về sự tồn tại về mặt lý thuyết của các lò phản ứng hạt nhân tự nhiên. Để hiểu cách hoạt động của lò phản ứng hạt nhân tự nhiên này, trước tiên cần phải hiểu hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân nhân tạo.

Phản ứng dây chuyền hạt nhân bắt đầu khi một nguyên tử Urani-235 hấp thụ một neutron, khiến nó bị phân tách hoặc phân hạch. Quá trình này giải phóng năng lượng, hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn được gọi là sản phẩm phân hạch và hai hoặc nhiều neutron tự do. Nếu có thể làm cho các neutron này khiến các hạt nhân Urani khác phân hạch và từ đó tạo ra các neutron riêng, thì có thể tạo ra một phản ứng dây chuyền tự duy trì.

Trong một lò phản ứng hạt nhân nhân tạo, điều này được thực hiện bằng cách bó các thanh nhiên liệu urani lại với nhau để neutron có thể di chuyển tự do giữa các thanh. Tuy nhiên, neutron được giải phóng trong phản ứng phân hạch Urani quá nhiều năng lượng nên không dễ dàng gây ra phản ứng phân hạch ở Urani khác, do đó, một vật liệu được gọi là chất điều tiết phải được chèn vào giữa các thanh nhiên liệu để làm đưa neutron xuống mức năng lượng chính xác.

Trong khi một số lò phản ứng như lò ở Chernobyl sử dụng than chì làm chất điều tiết, hầu hết các lò khác chỉ đơn giản là sử dụng nước thông thường, loại nước này cũng có tác dụng gấp đôi chất làm mát. Thật không may, nước cũng là một chất hấp thụ neutron hiệu quả và thường sẽ cản trở phản ứng dây chuyền. Do đó, để bù đắp cho điều này, nhiên liệu hạt nhân phải được làm giàu đến nồng độ U-235 là 3% hoặc cao hơn. Chỉ những lò phản ứng chuyên dụng như CANDU của Canada, sử dụng nước nặng làm chất điều tiết, mới có thể chạy bằng urani tự nhiên, chưa được làm giàu.

Vì vậy, nếu Urani tự nhiên không thể được sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân, thì làm thế nào mà các thân quặng Oklo duy trì được phản ứng dây chuyền?

Điều này là do 4,6 tỷ năm trước, khi Trái Đất được hình thành lần đầu tiên, tỷ lệ U-235 trong quặng Urani cao hơn nhiều, khoảng 30%. Do chu kỳ bán rã của U-235 ngắn hơn của U-238 (704 triệu năm so với 4,6 tỷ năm), nên nồng độ của U-235 giảm dần theo thời gian và đến 2 tỷ năm trước đã đạt đến khoảng 3% - giống như nhiên liệu hạt nhân nhân tạo.

Địa chất của khu vực Oklo cũng là công cụ để hình thành các lò phản ứng. Các mỏ quặng Oklo nằm trong lưu vực Franceville, một khối đá sa thạch lớn và xốp nằm trên một lớp đá granit không thấm nước. Cấu trúc này cho phép nước mưa thấm xuống và đọng lại xung quanh các thân quặng urani, nơi nó hoạt động như một chất điều hòa neutron và bắt đầu một phản ứng dây chuyền.

Những phản ứng này tạo ra khoảng 100 kilowatt năng lượng - đủ để chạy khoảng 1.000 bóng đèn sợi đốt kiểu cũ - và đủ nhiệt để cuối cùng bốc hơi và đẩy nước mưa ra ngoài, dừng phản ứng.

Khi thân quặng nguội đi, nước sẽ thấm ngược trở lại, bắt đầu lại chu kỳ mới. Quá trình này diễn ra trong khoảng 100.000 năm cho đến khi U-235 trở nên nghèo đến mức không thể duy trì phản ứng nữa. Cuối cùng, nồng độ U-235 trên toàn thế giới giảm xuống dưới 3%, khiến các lò phản ứng như vậy không thể hình thành trở lại.

Điều kỳ lạ hơn nữa là hiện tượng này chỉ xảy ra Gabon. Trong số 17 địa điểm lò phản ứng tự nhiên mà con người biết đến, tất cả đều nằm ở Oklo và Bangombe. Điều khó hiểu hơn nữa là tại sao các lò phản ứng này không hình thành sớm hơn, vì sự phân hạch sẽ có nhiều khả năng xảy ra hơn khi nồng độ U-235 là 30% so với khi chỉ có 3%.

Hóa ra, câu trả lời cũng chính là lý do tại sao sự sống phức tạp phát triển mạnh trên Trái Đất ngày nay: oxy.

2,4 tỷ năm trước, Trái Đất đã trải qua sự kiện oxy hóa lớn, khi vi khuẩn lam mới tiến hóa bắt đầu bơm một lượng lớn oxy vào khí quyển. Thông thường, Urani không hòa tan trong nước và sẽ được phân tán đều khắp lớp vỏ Trái Đất, nhưng nồng độ oxy tăng dẫn đến sự hình thành các oxit Urani hòa tan có thể bị mưa và nước ngầm hòa tan và cô đặc thành các thân quặng đủ dày đặc để duy trì các phản ứng dây chuyền.

Tuy nhiên, bất chấp mức độ hiếm và giá trị khoa học của các lò phản ứng Oklo, tất cả 16 lò đã bị phá hủy do hoạt động khai thác Urani đang diễn ra trong khu vực. Năm 1997, nhà khoa học người Pháp Francois Gauthier-Lafaye đã viết một lá thư cho Tạp chí Nature yêu cầu Chính phủ Gabon bảo tồn lò phản ứng cuối cùng còn sót lại tại Bagombe để nghiên cứu. Ông lập luận rằng: “Khoáng tích này không kém phần độc đáo và chắc chắn là khó thay thế hơn những mẫu vật có giá trị nhất lấy từ Mặt trăng và Sao Hỏa”.

Ngày nay, địa điểm này đặc biệt quan trọng vì nó có thể chứa câu trả lời cho một trong những vấn đề lớn nhất mà ngành công nghiệp hạt nhân hiện đang phải đối mặt: xử lý chất thải hạt nhân. Các sản phẩm phân hạch do các lò phản ứng Oklo để lại như Stronti, Caesi, Xenon và Techneti giống hệt với các sản phẩm được tìm thấy trong nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Theo lý thuyết, địa chất của khu vực Oklo (gồm đá sa thạch xốp mà mưa và nước ngầm tự do thấm qua) sẽ là nơi tệ nhất để xử lý chất thải hạt nhân. Trong những điều kiện này, các đồng vị phóng xạ cao sẽ lan rộng ra môi trường. Tuy nhiên, phân tích đáng kinh ngạc đã chỉ ra rằng hơn 2 tỷ năm, các chất thải này mới chỉ di chuyển ra ngoài 2 mét tính từ các thân quặng.

Trong các cơ chế xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng hiện đại, như kho chứa sâu Onkalo đang được xây dựng ở Phần Lan, nhiên liệu đã qua sử dụng được niêm phong trong các thùng đồng chứa đầy chì, bọc trong đất sét bentonite hấp thụ ion và chôn sâu 500 mét trong một khối đá hoa cương không thấm nước. Nếu giống các lò phản ứng Oklo tự nhiên, thì các biện pháp này sẽ là quá đủ để chứa các sản phẩm phân hạch nguy hiểm trong ít nhất 100.000 năm, khi chúng cuối cùng sẽ phân hủy thành trạng thái vô hại.

Do đó, một khám phá từ sâu trong quá khứ có thể đảm bảo sự an toàn của nhân loại trong tương lai xa.