תגלית מפתיעה במכרה אורניום אפריקני ממשיכה להצית את דמיונם של פיזיקאים יותר מחמישים שנה מאז פרסומה
רפובליקת גבון, יערות גשם סביב לה, שוכנת במערב אפריקה, ונחשבת לאחת מהמדינות היותר משגשגות באפריקה – כמובן רק בקנה המידה של היבשת הענייה בעולם. אוכלוסייתה, המונה פחות משלושה מיליוני נפשות, נהנית מרווחה יחסית, בעיקר תודות להכנסות המדינה מנפט. במשך שנים שלט בה הרודן עומאר בונגו (Bongo), ואחרי מותו תפס את מקומו בנו עלי, עד שהודח בקיץ האחרון בהפיכה צבאית.
גבון מייצאת מחצבים נוספים פרט לנפט, וביניהם אורניום, שבתקופת המלחמה הקרה צרפת רכשה כמויות גדולות שלו לצורכי תוכנית הגרעין שלה. והנה במאי 1972, בדיקות שגרתיות שנעשו באתר העשרת האורניום טריקסטין (Tricastin) בצרפת, לעפרות אורניום שהגיעו מגבון, העלו ממצא מוזר: שכיחות האיזוטופ אורניום-235 הייתה נמוכה מאוד. בעוד שהשכיחות הטבעית של האיזוטופ הזה בכדור הארץ היא 0.72 אחוזים מכלל האורניום, בעפרות האלה שיעורו הסתכם ב-0.6 אחוזים בלבד. הבדל זעיר לכאורה, אך משמעותי ביותר עבור פיזיקאי הגרעין.
בעפרות האורניום שהגיעו מגבון שכיחות האיזוטופ הייתה נמוכה מאוד. מטיל אורניום-235 | Us Dept Of Energy / Science Photo Library
קולוניאליזם גרעיני
צרפת התבססה במשך שנים על אספקת אורניום מגבון, שהייתה בעבר מושבה שלה. לנוכח הממצא החליטה הוועדה לאנרגיה אטומית בצרפת, המכונה "קומיסריאט" (CEA), לפתוח לאלתר בחקירה. בדיקות שנעשו באוקלו (Oklo) – אתר כרייה הסמוך לעיירה פרנסוויל בגבון – מצאו ממצאים חריגים בנוגע לכמות האורניום-235 בעפרות. באחת הדגימות היו רק 0.44 אחוז של אורניום-235, וזה כבר היה מוזר מכדי להיות מקרי.
החוקרים, בראשותו של נציב הקומיסריאט לשעבר פרנסיס פֶרָאן (Perrin), שיערו כי לפני למעלה משני מיליארד שנה בתקופת הפרוטוזואיקון התחתון, פעל באזור אוקלו כור גרעיני טבעי. בתקופה ההיא השכיחות הטבעית של אורניום-235 בכדור הארץ הייתה גבוהה יותר מאשר בימינו, ועמדה על כשלושה אחוזים, אך באוקלו נוצרה תגובת שרשרת גרעינית מבוקרת שהביאה להידלדלות כמותו של האיזוטופ הבקיע מתוך כלל עפרת האורניום.
לפי השערתם, הכור הטבעי הזה המשיך לפעול עד שהחומר הידלדל מדי, לפני כ-1.5 מיליארד שנה, וכיום אפשר לזהות רק את עקבותיו. כשפרסמו את מסקנותיהם בספטמבר 1972, מאמרם עורר הדים רבים. הייתה זו הפעם הראשונה שבה הובאו ראיות מהימנות לקיומו של כור גרעיני טבעי – תופעה שהפיזיקאי פול קורודה (Kuroda) שיער את קיומה כבר ב-1956.
ממצאים נוספים שנאספו באתר בשנים הבאות העידו על סטיות דומות בשיעורם של איזוטופים מסוימים של יסודות נוספים. למשל התברר שהשכיחות של היסוד נאודימיום-142 במכרות אוקלו היא שישה אחוזים בלבד מכלל הנאודימיום בדגימות, אף ששכיחותו הרגילה בכדור הארץ עומדת כיום על 27 אחוז, ואילו השכיחות של האיזוטופ נאודימיום-143 במכרות היא 12.2 אחוז לעומת שכיחותו הרגילה שהיא 27 אחוז. לעומת זאת, האיזוטופ רותניום-99 נפוץ באוקלו הרבה יותר מאשר במקומות אחרים, ושכיחותו עומדת שם על 30-27 אחוז לעומת 12.7 אחוז בלבד מחוץ למכרות הללו. הימצאותם תומכת בהשערה על קיומו של הכור הטבעי, שכן מדובר בתוצרים של ביקוע מואץ שכנראה התרחש שם.
רותניום-99 נפוץ במכרות אוקלו הרבה יותר מאשר במקומות אחרים. היסוד המתכתי רותניום | Science Photo Library
איזוטופים מכל עבר
כל חומר בטבע מורכב מאטומים שמורכבים בתורם מגרעין הכולל פרוטונים ונייטרונים ומאלקטרונים שמקיפים אותו. לכל יסוד יש בגרעין מספר פרוטונים ייחודי לו, שהוא תמיד קבוע עבור יסוד מסוים וקובע את מספרו האטומי. לדוגמה, בגרעין היסוד הקל ביותר, מימן, יש פרוטון אחד בלבד ומספרו האטומי הוא 1, ואילו ליסוד ה-26, ברזל, יהיו תמיד 26 פרוטונים. כיום מוכרים למדע 118 יסודות, אך חלקם, ובעיקר האטומים הכבדים מרובי הפרוטונים, אינם יציבים ונוטים להתפרק מהר ליסודות קלים יותר. לכן לא נמצא אותם בטבע.
בעוד שמספר הפרוטונים בגרעין של כל יסוד הוא תמיד זהה, מספר הנייטרונים באטומים שונים של אותו יסוד עשוי להיות אחר. לאטומים של יסוד מסוים שמספר הנייטרונים שבהם שונה קוראים איזוטופים. לכל יסוד יש כמה איזוטופים, חלקם שכיחים יותר בטבע וחלקם פחות. אורניום הוא יסוד רדיואקטיבי בעל 92 פרוטונים. האיזוטופ הנפוץ ביותר שלו הוא אורניום-238, שמכיל 92 פרוטונים ו-146 נייטרונים ושכיחותו הטבעית בכדור הארץ היא 99.27 אחוז; אחריו נמצא אורניום-235 (143 נייטרונים) ששכיחותו הטבעית היא כאמור 0.72 אחוז, ויש עוד כמה איזוטופים ששכיחותם זניחה.
בשנות ה-30 של המאה הקודמת ביצעו מדענים כמו אנריקו פרמי (Fermi) ובני הזוג אירן ופרדריק ז'וליו-קירי (Joliot-Curie) ניסויים שבהם הפציצו אורניום בנייטרונים בתקווה ליצור את היסוד בעל המספר האטומי 93, שאינו קיים בטבע וכיום אנו קוראים לו נפטוניום. אך במקום שייווצרו יסודות חדשים, נוצרו יסודות שהיו מוכרים למדע זה מכבר: קריפטון (מספר אטומי: 36), לנתן (57), טלור (52) ועוד.
את התוצאות המפתיעות של הניסויים הסבירו המדענים בכך שנוצרו מעין יסודות אחים של יסודות מוכרים אך רדיואקטיביים. ההסבר הזה הוביל לימים לרעיון האיזוטופים. ניסויים נוספים גילו כי כשמפציצים אורניום בנייטרונים נוצר איזוטופ רדיואקטיבי של בריום. מאוחר יותר הסיקו כי חדירת הנייטרון לאטום האורניום מעוררת אותו וגורמת לו להתבקע. נילס בוהר (Bohr), מאבות מכניקת הקוונטים, העלה השערה שלפיה במהלך הביקוע עשויים להיפלט נייטרונים נוספים וכך להביא ליצירת תגובת שרשרת גרעינית שבמהלכה יתבקעו גרעינים נוספים של אורניום, שיפלטו נייטרונים וחוזר חלילה. כיום אנו יודעים שהוא צדק.
דעיכה של גרעין אורניום-235 לשני גרעיני בת ולאחר מכן דעיכה נוספת שמלווה בפליטה של מספר נייטרונים | adison pangchai, Shutterstock
כור בקיצור
בכורים גרעיניים מודרניים, תהליך הביקוע הגרעיני מתרחש בדרך כלל באזור אטוּם הקרוי ליבת הכור. הדלק הגרעיני מסודר בו במוטות ארוכים, המאפשרים לנטר את תהליך הביקוע, שנמשך זמן רב. המוטות הללו עשויים מאורניום מועשר, כלומר אורניום שריכוז האיזוטופ הבקיע אורניום-235 שבו הוגדל באופן מלאכותי.
בתגובת השרשרת הגרעינית משתחררת אנרגיה. נייטרונים מהירים מתנגשים בגרעיני האורניום ומערערים את יציבותם. עקב אובדן היציבות, הכוח הגרעיני החזק שקושר יחד את הפרוטונים והנייטרונים הולך ודועך, עד שהכוח האלקטרומגנטי הפועל בין הפרוטונים גובר עליו ומביא לדחייה ביניהם. בהיעדר יכולת להחזיק את כל הפרוטונים יחד, הגרעין המקורי מתפרק לשני גרעינים קלים יותר ועוד כמה נייטרונים חופשיים.
האנרגיה המופקת בליבת הכור מועברת החוצה באמצעות נוזל קירור, שנועד להסיע את החום ובד בבד להאט את תנועת הנייטרונים. בכורים רבים נוזל הקירור הוא מים כבדים, כלומר מולקולות מים (H2O) שבהן המימן הרגיל התחלף בדאוטריום – איזוטופ מימן עם נייטרון אחד במקום אפס נייטרונים (D2O). בזכות המבנה הכימי הזה, המים הכבדים בולעים פחות נייטרונים מאשר מים רגילים ותגובת השרשרת יעילה יותר. נוזל הקירור ממלא תפקיד חיוני בכור הגרעיני: בהיעדרו טמפרטורת הליבה עלולה לעלות במהירות ואף להוביל להתכתה.
אוצר אוסף הסלעים במוזיאון הטבע בווינה מחזיק דגימה ממכרה אוקלו | קרדיט: L. Gil/IAEA
הקסם של אוקלו
הכור הטבעי באוקלו פעל על בסיס דומה מאוד למבנה הכור הגרעיני הסטנדרטי. ממצאים שמעידים על ביקוע גרעיני ממושך בעבר זוהו ב-16 אתרים שונים באוקלו, ובאתר נוסף שנמצא כעשרים קילומטר מהמכרה המרכזי.
כאמור, האורניום הופיע בתצורה של עפרה, כלומר תרכובת של אורניום ויסודות אחרים. במקרה הזה מדובר באורניניט (Uraninite) – מינרל הכולל אורניום, שהתקבע כשכבה גיאולוגית בקרקע. מכיוון שהאורניניט נמס היטב במים מחומצנים, וכאלה היו בשפע באזור המכרה בכדור הארץ הקדום, המים נשאו כמות גדולה שלו אל הסלעים, שם הוא שקע. מאחר שריכוז האורניום-235 בעפרה היה גבוה דיו, התרחש מדי פעם ביקוע ספונטני בגרעיני האורניום, בתדירות גבוהה מספיק על מנת שדי נייטרונים מהירים ייפלטו ויביאו לתגובת שרשרת. התגובה נותרה מבוקרת בזכות המים ששימשו כנוזל קירור והאטו את הנייטרונים.
הפיזיקה הייחודית של אוקלו הקדומה ממשיכה מאז גילויה להצית את דמיונם של מדענים – באופן מבוקר, כמובן. בשנת 2006, למשל, ניסו פיזיקאים רוסים לבחון בעזרת הכור הטבעי אם קבועי טבע הם אכן קבועים.
בפרט, הם התעניינו בקבוע המבנה הדק, שהוא אחד הקבועים החשובים בפיזיקה קוונטית ובפיזיקה גרעינית. הקבוע, שערכו קרוב מאוד ל-1/137, מתאר את עוצמת האינטראקציה בין חלקיקים טעונים חשמלית לבין פוטון – חלקיק אור. הוא משפיע בין השאר על קצב ההתרחשות של תהליכים גרעיניים, כך שהמחשבה הייתה לבדוק שוני בקצב ההתרחשות של תהליך גרעיני המוכר לנו כיום ולהשוותו לתהליך שהתרחש באוקלו בעבר.
התהליך שנבחר היה הפיכתו של האיזוטופ סמריום-149 לסמריום-150, שמתרחש כשהאטום לוכד נייטרון. בחינת השכיחויות של איזוטופים אלה באוקלו העלתה כי למרות הזמן הרב שחלף מאז שהכורים פעלו, אי אפשר להסיק כי הקצב שלהם השתנה מאז ועד היום. מכך הסיקו החוקרים שלא חל לאורך התקופה הזאת שינוי בקבוע המבנה הדק – והשם "קבוע" מגיע לו בזכות ולא בחסד.
כך, אפריקה המַשוונית לא רק תרמה רבות לפיתוח התעשייה הגרעינית בצרפת ולחימום הבתים בחורף האירופי הקר – אלא גם פתחה צוהר חדש לפיזיקה. שוב התברר כי אין תחליף לסקרנות ולעין הבוחנת ככוחות שמקדמים את המדע ופותחים לפנינו דרכים חדשות.
לקריאה נוספת:
דו"ח שהופק במעבדות הלאומיות בלוס אלמוס בארה"ב ב-1976 על אודות כורי אוקלו
