Xem mã nguồn của Lò phản ứng phân hạch hạt nhân tự nhiên

{{Location map | Gabon
| width = 270
| float = right
| relief = yes
| label = ''Oklo''
| position = right
| lat_deg = 1| lat_min = 23| lat_sec=40| lat_dir = S 
| lon_deg = 13| lon_min = 09| lon_sec= 39| lon_dir = E 
}}
{{Coord|1|23|40|S|13|09|39|E|format=dms|display=title}}
[[Tập tin:Gabon Geology Oklo.svg|thumb|270px|Tình trạng địa chất ở [[Haut-Ogooue|Oklo]], [[Gabon]] dẫn đến [[phản ứng phân hạch hạt nhân]]<br>1. Đới phản ứng phân hạch dây chuyền<br>2. Đá sa thạch<br>3. Lớp quặng urani<br>4. Granit]]
'''Lò phản ứng phân hạch hạt nhân tự nhiên''' là một hiện tượng hiếm gặp, xảy ra ở vùng nhất định trong tầng [[quặng]] [[urani]] có hàm lượng đủ giàu và khối lượng đủ lớn để [[phản ứng dây chuyền hạt nhân]] tự duy trì xảy ra.

Điều này có thể được kiểm tra bằng cách phân tích các tỷ lệ [[đồng vị]]. Sự tồn tại của hiện tượng này được nhà vật lý [[người Pháp]] [[Francis Perrin]] phát hiện vào năm 1972 ở Oklo tại [[Gabon]], [[châu Phi]]. Điều kiện để một lò phản ứng phân hạch hạt nhân tự nhiên có thể tồn tại đã được nhà khoa học [[người Mỹ]] gốc Nhật [[Paul Kazuo Kuroda]] dự đoán vào năm 1956 <ref>{{chú thích tạp chí |last=Kuroda |first=P. K. |authorlink= |year=1956 |title=On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals |journal=Journal of Chemical Physics |volume=25 |issue= 4|pages=781–782; 1295–1296 |doi=10.1063/1.1743058 |url=https://archive.org/details/sim_journal-of-chemical-physics_1956-10_25_4/page/781|bibcode = 1956JChPh..25..781K }}</ref>. Các điều kiện được tìm thấy là rất tương tự như những gì đã được dự đoán.

Oklo là vùng mỏ duy nhất trên thế giới được biết về hiện tượng này, và bao gồm 16 đới (lò) mà tại đó các [[phản ứng phân hạch hạt nhân]] dây chuyền tự duy trì diễn ra hồi khoảng 1,7 tỷ năm trước đây, và duy trì trong khoảng thời gian một vài trăm ngàn năm. Trung bình 100&nbsp;kW năng lượng nhiệt đã sinh ra trong thời gian đó <ref>{{chú thích tạp chí |last=Meshik |first=A. P. |authorlink= |date=November 2005 |title=The Workings of an Ancient Nuclear Reactor |journal=Scientific American |volume= |issue= |pages= |url=http://www.sciam.com/article.cfm?id=ancient-nuclear-reactor |accessdate= }}</ref><ref name="Gauthier-Lafaye1996">{{chú thích tạp chí |last=Gauthier-Lafaye |first=F. |authorlink= |author2=Holliger, P. |author3=Blanc, P.-L. |year=1996 |title=Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical event" in a geologic system |journal=Geochimica et Cosmochimica Acta |volume=60 |issue=25 |pages=4831–4852 |doi=10.1016/S0016-7037(96)00245-1 |url= |bibcode=1996GeCoA..60.4831G}}</ref>.

== Lịch sử phát hiện ==

Tháng Năm năm 1972 tại cơ sở [[làm giàu urani]] [[Pierrelatte]] ở [[Pháp]], khi [[Phương pháp khối phổ|kiểm tra phổ khối]] các mẫu [[hexafluorid urani]] UF<sub>6</sub> chế biến từ quặng ở mỏ Oklo tại nước [[Gabon]] vùng trung châu Phi, cho thấy một sự khác biệt tỷ lệ đồng vị <sup>235</sup>U. Thông thường tỷ lệ <sup>235</sup>U trong tổng lượng urani là 0,72%, nhưng những mẫu Oklo chỉ có 0,60% và là một sự khác biệt đáng kể.

Sự khác biệt này dẫn đến yêu cầu giải trình, như tất cả các cơ sở xử lý [[urani]] dân sự phải thực hiện tỉ mỉ cho tất cả các đồng vị phân hạch, để đảm bảo rằng không một đồng vị nào được chuyển lậu cho các mục đích chế tạo vũ khí. Do đó, ''[[Hội đồng năng lượng nguyên tử Pháp|Commissariat à l'énergie atomique]]'' của Pháp (CEA, [[Hội đồng năng lượng nguyên tử Pháp]]) đã bắt đầu một cuộc điều tra. Một loạt các phép đo về tỷ lệ tương đối của hai đồng vị quan trọng nhất của [[urani]] (<sup>235</sup>U và <sup>238</sup>U) từ nguyên liệu khai thác tại Oklo cho thấy kết quả là bất thường so với những gì thu được từ các mỏ [[urani]] khác. Nghiên cứu sâu hơn tầng quặng [[urani]] Oklo đã phát hiện có chỗ thì tỷ lệ <sup>235</sup>U là thấp đến cỡ 0,44%. Các kiểm tra tiếp theo về các đồng vị khác đã cho thấy sự bất thường tương tự, chẳng hạn như [[neodymi]] và [[rutheni]] như mô tả chi tiết dưới đây.

Sự mất mát <sup>235</sup>U này hiện ra chính xác như những gì xảy ra trong một [[lò phản ứng hạt nhân]]. Do đó, một lời giải thích có thể là các thân quặng urani đã hoạt động như một lò [[phản ứng phân hạch]] tự nhiên. Các quan sát khác cũng dẫn đến cùng một kết luận. Vào ngày 25 tháng 9 năm 1972, [[Hội đồng năng lượng nguyên tử Pháp|CEA]] công bố phát hiện của họ rằng các [[phản ứng hạt nhân]] dây chuyền tự duy trì đã xảy ra trên [[Trái đất]] khoảng 2 tỷ năm trước. Sau đó, các lò phản ứng phân hạch hạt nhân tự nhiên khác được phát hiện trong vùng mỏ.

== Dấu hiệu đồng vị sản phẩm phân hạch ==
{{Xem|Danh sách đồng vị tự nhiên}} 
Cùng với sự thiếu hụt tỷ lệ đồng vị <sup>235</sup>U trong tổng lượng [[urani]], thì lò [[phản ứng phân hạch]] để lại các [[đồng vị]] vốn là sản phẩm phân hạch, dẫn đến [[đồng vị]] này có tỷ lệ cao hơn trị bình thường trên [[Trái đất]].

=== Neodymi ===
[[Neodymi]] bình thường có tỷ lệ đồng vị <sup>142</sup>Nd là 27%, tuy nhiên tại Oklo chứa ít hơn 6%. Đó là do lượng <sup>143</sup>Nd tăng cao do phân hạch của <sup>235</sup>U sinh ra. Trừ đi lượng <sup>143</sup>Nd bình thường thì lượng còn lại phù hợp với số sinh ra do phân hạch.

=== Rutheni ===
[[Rutheni]] bình thường có tỷ lệ đồng vị <sup>99</sup>Ru là 12,7%, tuy nhiên tại Oklo chứa nhiều hơn, cỡ 27-30%. Bất thường này có thể được giải thích là, sản phẩm phân hạch của <sup>235</sup>U bởi [[neutron]] nhiệt là [[tecneti]] <sup>99</sup>Tc có tính [[phóng xạ]] (nguyên tố không có đồng vị bền và không tồn tại trong tự nhiên), đã phân rã thành <sup>99</sup>Ru.

Mức <sup>100</sup>Ru trong hỗn hợp sản phẩm phân hạch là thấp, vì một sản phẩm phân hạch khác của <sup>235</sup>U là [[molypden]] <sup>100</sup>Mo có tính [[phóng xạ]] phân rã thành <sup>100</sup>Ru với [[chu kỳ bán rã]] dài cỡ 10<sup>19</sup> năm nên ít xảy ra.

== Cơ chế lò phản ứng ==
Trong [[lò phản ứng hạt nhân]] nhân tạo thì [[nhiên liệu hạt nhân]] được tinh chế, đồng vị chính của nhiên liệu được làm giàu, ví dụ [[urani]] cần làm giàu <sup>235</sup>U đến trên 3%, khối lượng nhiên liệu bố trí ở mức [[khối lượng tới hạn]], đồng thời sử dụng [[Chất làm chậm|hệ thống làm chậm]], phản xạ hay giữ [[neutron]], nhằm đảm bảo [[phản ứng dây chuyền hạt nhân]] tự duy trì xảy ra trong không gian lò.

Những điều kiện như vậy rất khó xảy ra trong tự nhiên, song một cách ngẫu nhiên điều khó này vẫn xuất hiện tại vùng mỏ [[urani]] lớn và đủ giàu. Hiện tượng được giải thích như sau.

Những vùng mỏ chất phóng xạ [[urani|U]] và [[thori|Th]] gắn liền với loại đá [[magma]] xâm nhập là [[granit]] (đá hoa cương), trong đó đới chứa [[khoáng vật]] của chất phóng xạ gọi là [[khoáng sàng quặng]] nguyên sinh (giống như [[vàng]] nguyên sinh trong đá [[magma]] xâm nhập). Sự [[phong hóa]] dẫn đến đá vỡ nát, làm chất phóng xạ hòa tan vào nước, và trong điều kiện nhất định thì các lớp sa thạch có thể bắt giữ chúng, lâu dần tạo ra [[khoáng sàng quặng]] thứ sinh (gần giống như [[vàng]] thứ sinh dạng cám lẫn trong đất cát).

Tại [[khoáng sàng quặng]] [[Quặng urani|urani]] thứ sinh, điều kiện [[Nước dưới đất|nước ngầm]] thuận lợi có thể tạo được đới tích tụ có hàm lượng đủ cao với [[thể tích]] đủ lớn, đến mức các [[neutron]] sinh ra từ một phân hạch, được nước [[Chất làm chậm|làm chậm]], đến mức khả dĩ có hơn 1 [[neutron]] bắt gặp hạt nhân <sup>235</sup>U trong đới đó để gây ra [[phản ứng phân hạch hạt nhân|phản ứng phân hạch]]. Nhiệt do [[phản ứng phân hạch hạt nhân|phản ứng phân hạch]] sinh ra làm nước bốc hơi, thoát khỏi lớp [[sa thạch]], làm giảm [[chất làm chậm]] và phản ứng phân hạch ngưng lại. Khi đã làm mát và nước ngầm chảy đến, thì trạng thái đủ cho phản ứng phân hạch xảy ra được khôi phục. Chu kỳ như vậy tiếp diễn vài trăm ngàn năm, đến khi lượng <sup>235</sup>U trong đới nghèo hơn mức cần có để duy trì phản ứng <ref name=Meshik>{{chú thích tạp chí |last=Meshik |first=A. P. |authorlink= |year=2004 |title=Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon |journal=[[Physical Review Letters]] |volume=93 |issue=18 |pages=182302 |doi=10.1103/PhysRevLett.93.182302 |url= |pmid=15525157 |bibcode=2004PhRvL..93r2302M|display-authors=etal}}</ref>.

Các tính toán dựa trên tích lũy một sản phẩm khác của phân hạch [[urani]] là khí [[xenon]] trong đất đá, cho thấy hiện tượng diễn ra hồi 2 tỷ năm trước, với chu kỳ gồm 2 giờ phản ứng và 30 phút làm mát, về sau chu kỳ dài hơn và là 3 giờ. Nhiệt sinh ra làm nóng đất đá lên vài trăm độ C <ref name=Meshik/>.

Có hai yếu tố vào thời kỳ 1,7 tỷ năm trước tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra.

Trước hết <sup>235</sup>U có [[chu kỳ bán rã]] là 703,8 triệu năm, nên hồi 1,7 tỷ năm về trước thì tỷ lệ đồng vị của nó là 3,1%, thuận lợi cho phát sinh phản ứng. Ngày nay <sup>235</sup>U có tỷ lệ là 0,72%, không thể gây phản ứng dây chuyền nếu không có [[chất làm chậm]] là [[nước nặng]] hoặc [[graphit]].

Thứ hai là sự có mặt của [[oxy]] tự do trong [[khí quyển]], bắt đầu vào 2 tỷ năm trước, là yếu tố gây [[phong hóa]] đất đá và làm [[urani]] thoát khỏi đá hòa tan vào nước. Hiện tượng phát sinh lò phản ứng trong [[đá trầm tích]] (kiểu Oklo) không xảy ra sớm hơn thời gian này <ref name="Gauthier-Lafaye1996"/>.

Những nghiên cứu này rất có ý nghĩa cho việc lập khu bảo quản chất thải phóng xạ <ref>{{chú thích tạp chí |last=Gauthier-Lafaye |first=F. |authorlink= |year=2002 |title=2 billion year old natural analogs for nuclear waste disposal: the natural nuclear fission reactors in Gabon (Africa) |journal=Comptes Rendus Physique |volume=3 |issue=7–8 |pages=839–849 |doi=10.1016/S1631-0705(02)01351-8 |url= |bibcode = 2002CRPhy...3..839G }}</ref>.

== Quan hệ với hằng số cấu trúc tinh tế ==
Lò phản ứng tự nhiên Oklo được sử dụng để kiểm tra [[hằng số cấu trúc tinh tế]] <math> \alpha </math> có thay đổi hay không trong 2 tỷ năm qua. Đó là vì <math> \alpha </math> ảnh hưởng đến mức độ phản ứng hạt nhân khác nhau. Ví dụ, [[samari]] <sup>149</sup>Sm bắt giữ một neutron để trở thành <sup>150</sup>Sm, và vì mức độ bắt neutron phụ thuộc vào giá trị của <math> \alpha </math>, tỉ số của hai đồng vị [[samari]] trong các mẫu từ Oklo có thể được sử dụng để tính giá trị của <math> \alpha </math> từ 2 tỷ năm trước.

Nhiều nghiên cứu đã thực hiện với các đồng vị khác nhau ở Oklo, và hầu hết cho ra <math> \alpha </math> như hiện nay <ref>[http://www.newscientist.com/article/dn6092 New Scientist: Oklo Reactor and fine-structure value. ngày 30 tháng 6 năm 2004.]</ref><ref>{{chú thích tạp chí |last=Petrov |first=Yu. V. |authorlink= |author2=Nazarov, A. I. |author3=Onegin, M. S. |author4=Sakhnovsky, E. G. |year=2006 |title=Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core |journal=Physical Review C |volume=74 |issue=6 |pages=064610 |doi=10.1103/PHYSREVC.74.064610 |url= |arxiv = hep-ph/0506186 |bibcode = 2006PhRvC..74f4610P }}</ref>.

== Một giả thuyết về nguồn gốc Mặt Trăng ==

Năm 2010 một giả thuyết gây tranh cãi về [[nguồn gốc Mặt Trăng]] được đưa ra, nói rằng [[Mặt Trăng]] có thể đã được hình thành từ một vụ nổ lò phản ứng hạt nhân trong đất, có thể đặt tên là ''georeactor'', xảy ra hồi 4,5 tỷ năm trước, làm văng ra một phần vỏ [[Trái đất]].

Georeactor này nằm dọc theo ranh giới [[lõi Trái Đất|lõi]]-[[quyển manti|lớp phủ]] ở mặt phẳng [[xích đạo]] của [[Trái đất]], lúc đó quay nhanh hơn hiện nay (tức là độ dài ngày và năm thiên văn ngắn hơn hiện nay) <ref>{{citation | first1=Lin | last1=Edwards | date=ngày 28 tháng 1 năm 2010 | work=PhysOrg.com | publisher=Omicron Technology Limited | title=The Moon may have formed in a nuclear explosion | url=http://phys.org/news183884450.html | accessdate = ngày 28 tháng 8 năm 2013}}</ref><ref>{{citation | first1=R.J. | last1=de Meijer | first2=V.F. | last2=Anisichkin | first3=W. | last3=van Westrenen | work=Chemical Geology | volume=345 | pages=40–49 | date=2013 | title=Forming the Moon from terrestrial silicate-rich material | url=http://dx.doi.org/10.1016/j.chemgeo.2012.12.015 | doi=10.1016/j.chemgeo.2012.12.015}}</ref>. "Giả thuyết vụ nổ của georeactor" giải thích một phần là sự tương đồng về thành phần giữa [[Mặt Trăng]] và [[Trái Đất]].

Song giả thuyết được chấp nhận rộng rãi hiện nay vẫn là [[Giả thuyết vụ va chạm lớn|giả thuyết va chạm khổng lồ]], trong đó giải thích những điểm tương đồng về thành phần cũng tựa như vậy, nếu không phải là tốt hơn.

== Tham khảo ==
{{tham khảo|colwidth=25em}}

== Xem thêm ==

{{Commonscat|Nuclear reactors}}
== Liên kết ngoài ==
*[http://www.physics.isu.edu/radinf/Files/Okloreactor.pdf The natural nuclear reactor at Oklo: A comparison with modern nuclear reactors, Radiation Information Network, April 2005] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170821173725/http://www.physics.isu.edu/radinf/Files/Okloreactor.pdf |date=2017-08-21 }}
*[http://jdlc.curtin.edu.au/research/oklo/oklo.cfm Oklo Fossil Reactors] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20131211080720/http://jdlc.curtin.edu.au/research/oklo/oklo.cfm |date=2013-12-11 }}
*[http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap021016.html NASA, Astronomy Picture of the day: Oklo, Fossile Reactor, Zone 15]
*[http://vietnamnet.vn/vn/khoa-hoc/49888/bi-an-ve-lo-phan-ung-hat-nhan-thoi-tien-su.html Bí ẩn về lò phản ứng hạt nhân thời tiền sử]

[[Thể loại:Kiểu lò phản ứng hạt nhân]]
[[Thể loại:Vật lý hạt nhân]]
[[Thể loại:Địa lý Gabon]]
[[Thể loại:Lò phản ứng hạt nhân]]
[[Thể loại:Urani]]