Eksik Uranyum: Doğanın Kendi Kurduğu Nükleer Reaktör

Bölüm metni

Bir ölçüm cihazı, uranyum örneğinde olması gerekenden binde birkaç eksik U-235 gösterdi. Önce hata sandılar, sonra hırsızlık. Gerçek ikisi de değildi: o uranyum zaten yanmıştı — insan ateşi keşfetmeden çok önce, bir Afrika kayasının içinde.

1972 baharında, Fransa'nın güneyinde, Pierrelatte kasabasındaki uranyum zenginleştirme tesisinde — kısaca Fransız zenginleştirme tesisinde — hiç kimsenin heyecan beklemediği bir ölçüm yapılıyordu. Tesise gelen ham uranyum, gaz hâline getirilmiş uranyum hekzaflorür olarak borulardan geçiyor, içindeki uranyum 235 oranı kütle spektrometresiyle rutin biçimde kontrol ediliyordu. Bu kontrol, bir kalite testinden çok bir muhasebe işlemiydi. Çünkü uranyum 235'in doğadaki oranı, bir doğa sabiti kadar güvenilir sayılırdı.

O sabit, yüzde 0,720'ydi. Avustralya'dan çıkarılan cevherde de, Kanada'nın kalkan kayaçlarında da, Çek madenlerinde de, hatta Ay'dan getirilen taşlarda ve gökten düşen göktaşlarında da aynı sayı çıkıyordu: her 1000 uranyum atomundan yaklaşık 7,2'si uranyum 235'ti. Bunun bir açıklaması vardı. Güneş sistemini oluşturan bulutta uranyumun iki izotopu belli bir oranda karılmış, o günden beri ikisi de kendi hızında bozunmuştu. Hangi gezegende, hangi kıtada, hangi kayada olursanız olun, saat aynı saatti. Jeologlar bu oranı öyle sağlam kabul ederdi ki, bir örnekte sapma görüldüğünde ilk akla gelen şey doğa değil, laboratuvar hatasıydı.

O gün ekranda yüzde 0,720 yazmadı. Yüzde 0,717 yazdı.

Fark, yüzde 0,003. Kâğıt üzerinde hiçbir şey. Ama bu ölçümü yapan cihazın hassasiyeti, bu farkı gürültüden ayıracak kadar yüksekti ve daha önemlisi, bu sayı yıllardır hiç oynamamıştı. Ölçümü yapan ekipten Henri Bouzigues önce beklenen şeyi yaptı: cihazı kontrol etti, örneği yeniledi, kalibrasyonu gözden geçirdi. Sayı yerinden kıpırdamadı. Sonra sevkiyat kayıtlarına bakıldığında ortaya çok daha rahatsız edici bir tablo çıktı. Bu küçücük sapma, tesise gelen bütün uranyum kütlesine yayıldığında, ortada olmayan yaklaşık 200 kilogramlık bir uranyum 235 açığı demekti.

1972'de, Soğuk Savaş'ın tam ortasında, bir nükleer yakıt tesisinde "uranyum 235 eksik" cümlesinin ne anlama geldiğini tahmin etmek zor değil. İlk düşünülen senaryolar doğanın değil, insanın senaryolarıydı. Birileri malzemeyi mi karıştırmıştı? Yakıt döngüsünden geçmiş, yani reaktörde yanmış uranyum, bir yerde taze cevherle mi karışmıştı? Çünkü uranyum 235'i eksilten bilinen tek şey vardı: fisyon. Bir reaktör. Zincirleme tepkime uranyum 235'i tüketir, geriye uranyum 238 bakımından zenginleşmiş bir artık bırakır. Ekranda görünen şey tam olarak buydu — kullanılmış yakıtın imzası.

Soruşturma, o partinin geldiği yeri takip etti. Gabon'un güneydoğusundaki Franceville havzasında, Oklo adlı bir açık ocak madeni. Fransız Atom Enerjisi Komiserliği oraya ekip gönderdi ve cevher damarlarından tek tek örnek alınmaya başlandı. Ocaktan gelen sonuçlar, Fransız zenginleştirme tesisindeki sapmayı komik duruma düşürdü. Bazı noktalarda oran yüzde 0,60'a iniyordu. Bir damarda yüzde 0,44 ölçüldü. Yani o kayadaki uranyum 235'in neredeyse yüzde 40'ı yoktu. Dünyanın hiçbir yerinde, hiçbir cevherde böyle bir şey görülmemişti.

Bir jeolojik süreç uranyumun bir izotopunu ötekinden ayırıp seçerek taşıyabilir miydi? Kimyasal olarak uranyum 235 ile uranyum 238 birbirinin aynısıdır; aynı bileşikleri yapar, aynı suda çözünür, aynı mineralde oturur. Aralarındaki tek fark üç nötronluk bir ağırlık farkıdır ve doğa bu farkı kullanarak yüzde 40'lık bir ayrıştırma yapamaz. İnsanlar bu ayrıştırmayı yapmak için devasa tesisler, binlerce kademe, kilometrelerce boru ve bir şehir kadar elektrik harcıyordu. Zaten o tesisin varlık nedeni buydu.

Kesin cevap uranyumdan değil, uranyumun yanındaki elementlerden geldi. Araştırmacılar Oklo cevherindeki neodimyuma baktılar. Neodimyum doğada birkaç izotopun belli bir karışımıdır; bu karışımın yaklaşık dörtte biri neodimyum 142'dir. Fisyon ise neodimyum üretirken neodimyum 142 üretmez — o izotopa giden bozunma zinciri yoktur. Oklo'dan gelen örneklerde neodimyum 142 neredeyse yok denecek kadar azdı. Geri kalan izotoplar ise, uranyum 235 fisyonunun laboratuvarda binlerce kez ölçülmüş verim dağılımıyla, neredeyse satır satır örtüşüyordu. Rutenyumda da aynı hikâye çıktı. Kayanın içinde reaktör külü vardı.

25 Eylül 1972'de fizikçi Francis Perrin, Fransız Bilimler Akademisi'nde sonucu duyurdu. Eksik uranyumu kimse çalmamıştı. Oklo'da, insanlıktan çok önce, kendiliğinden çalışmış bir nükleer reaktör vardı.

Bu bulgunun en tuhaf tarafı, tamamen sürpriz olmamasıydı. 1956'da, Arkansas Üniversitesi'nde çalışan kimyager Paul Kuroda oturup basit bir hesap yapmıştı: doğada bir zincirleme tepkimenin kendi kendine başlaması için hangi koşullar gerekir? Cevabı birkaç maddeye indirmişti ve sonuç şuydu — dünyanın geçmişinde bunun mümkün olduğu bir dönem var. Kuroda'nın makalesi on altı yıl boyunca zarif ama akademik bir merak olarak durdu. Sonra Gabon'dan gelen kaya, o hesabı bir tahminden bir kayda dönüştürdü.

Kuroda'nın ilk koşulu zamanla ilgiliydi ve bu koşul bugün karşılanamaz. Uranyum 235'in yarılanma ömrü yaklaşık 704 milyon yıl, uranyum 238'inki ise 4 milyar 470 milyon yıl. İkisi de azalıyor, ama uranyum 235 çok daha hızlı. Bu da demektir ki bugün yüzde 0,72 olan oran, geçmişe doğru gidildikçe büyür. 1 milyar yıl önce yüzde 1,5 civarındaydı. Yaklaşık 2 milyar yıl önce yüzde 3'ün üzerindeydi. O sayıya dikkat: bugün dünyadaki ticari güç reaktörlerinin çoğu, yüzde 3 ile 5 arası zenginleştirilmiş yakıtla çalışır. Yani 2 milyar yıl önce yerkabuğundaki her uranyum damarı, hiçbir işlemden geçmeden, hazır reaktör yakıtıydı. Dünya bir zamanlar zenginleştirilmiş uranyumdan yapılmıştı ve o çağ, geri gelmemek üzere kapandı.

Ama zenginleştirilmiş yakıt tek başına yetmez. Fisyonda çıkan nötronlar çok hızlıdır ve hızlı nötronlar uranyum 235'i verimli biçimde bölmez; önce yavaşlatılmaları gerekir. Bu işi yapan maddeye yavaşlatıcı denir ve dünyanın en yaygın yavaşlatıcısı sudur. Nötron, hemen hemen kendi kütlesindeki hidrojen çekirdeğine çarptığında enerjisinin büyük kısmını bir çarpışmada bırakır; bilardo topunun kendi eşine çarpması gibi. Oklo'nun kayası gözenekliydi ve o gözeneklerin içi yeraltı suyuyla doluydu. Damarın kendisi bir reaktör kalbiydi: yakıt ve yavaşlatıcı, birbirinin içine geçmiş hâlde.

Üçüncü koşul temizlikti. Bazı elementler nötronu yutar ve zinciri daha başlamadan öldürür; bor, kadmiyum ve bazı nadir toprak elementleri bunların başında gelir. İnsan yapımı reaktörlerde bu maddeler kasten kontrol çubuklarına konur. Oklo damarlarında ise bu nötron zehirleri şans eseri çok azdı.

Dördüncüsü ve belki en şaşırtıcısı, uranyumun oraya nasıl yığıldığıydı. Bir zincirleme tepkime için uranyumun kayaya serpiştirilmiş olması yetmez; yoğunlaşması gerekir. Oklo'nun bazı reaktör damarlarında cevherin uranyum oranı yüzde 20'yi aşıyordu. Bu yoğunlaşmayı yapan şey suydu, ama suyun uranyumu taşıyabilmesi için atmosferde oksijen olması gerekiyordu. Oksijensiz bir dünyada uranyum suda çözünmez, olduğu yerde kalır. Yaklaşık 2 milyar 400 milyon yıl önce, fotosentez yapan mikroplar atmosferi kalıcı biçimde değiştirdiğinde — Büyük Oksijenlenme Olayı denen dönemde — uranyum çözünür hâle geldi. Yeraltı suları onu kayadan söküp taşımaya, organik maddece zengin çökellerde tekrar çöktürmeye başladı. Yani Oklo reaktörünü mümkün kılan şeylerden biri, canlılardı. Dünyanın ilk nükleer santralinin yakıtını bakteriler istiflemişti.

Bu dört koşul yaklaşık 1 milyar 700 milyon ile 2 milyar yıl önce, Oklo havzasının o birkaç damarında bir araya geldi ve tepkime kendiliğinden başladı. Aynı bölgede Oklo'nun kendisinde on altı reaktör bölgesi, hemen bitişikteki Okélobondo yatağında bir tane ve yaklaşık 30 kilometre güneydeki Bangombé'de bir tane daha bulundu; toplam 17 ayrı doğal reaktör.

Peki bu şey neden kaçmadı? Zincirleme tepkimenin en tehlikeli yanı, kendini besleyerek büyümesidir. Oklo'nun kendi freni vardı ve o fren, yakıtın içindeki suydu. Tepkime başladığında kaya ısınır, gözeneklerdeki su kaynar ve buharlaşır. Su gidince yavaşlatıcı da gider; nötronlar hızlı kalır, zincir kırılır, reaktör susar. Kaya soğudukça yeraltı suyu gözeneklere geri sızar, yavaşlatıcı yerine döner ve tepkime yeniden tutuşur. Bir gayzerin fışkırıp dinlenmesi gibi, nefes alıp veren bir reaktör.

Bu döngünün ritmi bile ölçüldü. Alex Meshik ve arkadaşları 2004'te, reaktör damarlarındaki alüminyum fosfat minerallerinin içine hapsolmuş ksenon izotoplarını lazerle tek tek serbest bırakıp incelediler. Ksenon fisyonun bir ürünüdür ve farklı ksenon izotopları farklı sürelerde oluşur; o yüzden mineralin içine kaydedilmiş izotop deseni, reaktörün açık ve kapalı kaldığı süreleri ele verir. Çıkan sonuç şuydu: yaklaşık 30 dakika çalışma, ardından yaklaşık 2,5 saat sessizlik. Sonra yeniden 30 dakika. Üç saatlik bir nabız.

Bu nabız, aralıklarla birkaç yüz bin yıl boyunca attı. Ortalama gücü mütevazıydı; termal olarak muhtemelen 100 kilovatı hiç aşmadı, yani birkaç düzine ekmek kızartma makinesini besleyecek kadar. Ama süre öyle uzundu ki toplamda yaklaşık 5 ton uranyum 235 bölündü ve kaya birkaç yüz dereceye kadar ısındı. Fransız zenginleştirme tesisindeki o binde birkaçlık sapma, işte bu 5 tonun geriye kalan hesabıydı.

Oklo'nun asıl değeri, ne kadar tuhaf bir tesadüf olduğunda değil, geride bıraktığı şeyde.

Her reaktör atık üretir. Oklo da üretti: stronsiyum, sezyum, teknesyum, iyot, nadir toprak elementleri ve aktinitler. Damarlarda üretilen nötronların bir kısmı uranyum 238 tarafından yutuldu ve plütonyum 239'a dönüştü; bu plütonyumun bir bölümü yerinde bölündü, geri kalanı 24 bin yıllık yarılanma ömrüyle bozunup uranyum 235'e döndü. Yani Oklo aynı zamanda bir plütonyum fabrikasıydı.

Şimdi asıl soru: bütün bu malzeme nereye gitti? Üstünde kilitli çelik kap yoktu. Beton yoktu. Cam matris, bakır kanister, mühendislik bariyeri yoktu. Sadece kaya vardı ve o kayanın içinden 2 milyar yıl boyunca yeraltı suyu aktı.

Cevap, nükleer atık depolamayı tartışan herkesin durup düşünmesi gereken bir cevap: uçucu olmayan fisyon ürünlerinin ve aktinitlerin çoğu neredeyse hiç kıpırdamadı. Damarlardaki dağılımlarına bakıldığında hareketleri santimetrelerle, en fazla birkaç metreyle ölçülüyor. Plütonyum üretildiği yerde bozundu. Nadir toprak elementleri cevherin mineral yapısına girip orada kilitlendi. Ksenon gibi bir soy gazın bile fosfat minerallerinin içinde milyarlarca yıl tutulduğunu biliyoruz, çünkü reaktörün nabzını o ksenondan okuduk.

Oklo bu yüzden bugün jeolojik depolama tartışmasında bir doğal benzeşim olarak anılıyor. Laboratuvarda bir mineralin sızdırmazlığını en fazla birkaç yıl test edebilirsiniz; oradan 100 bin yıla uzanan bir tahmin yaparsınız ve o tahminin doğruluğunu görecek kimse yoktur. Oklo o deneyi çoktan yapmış ve sonucu kayaya yazmıştır. Ancak buradan "nükleer atık zaten kendiliğinden yerinde kalır" gibi bir sonuç çıkarmak yanlış olur, çünkü sonuç her yerde aynı değil. Yüzeye en yakın bölge olan Bangombé'de uranyumun ve bazı ürünlerin çevreye doğru bir miktar taşındığı görülüyor. Fark, kimyadan çok yerbilimden geliyor: derinlik, örtü kayasının geçirimsizliği, suyun kimyası, kilin varlığı. Oklo'nun söylediği şey "atık güvende" değil; "hangi jeolojinin tuttuğunu, hangisinin sızdırdığını ölçebilirsiniz" cümlesi.

Kayadaki kaydın bir de bambaşka bir okuyucusu oldu. Temel fizik sabitlerinin gerçekten sabit olup olmadığı uzun süredir tartışılır; ince yapı sabiti denen ve elektromanyetik etkileşimin şiddetini belirleyen sayının çağlar boyunca çok yavaşça değişmiş olabileceğini öne süren kuramlar vardır. Bunu sınamak için milyarlarca yıl boyunca çalışmış hassas bir nükleer düzeneğe ihtiyaç duyulur. Oklo tam olarak odur. Samaryum 149 izotopunun nötron yutma olasılığı, çok dar bir enerji aralığında keskin bir tepe yapar; bu tepenin yeri, ince yapı sabitindeki en küçük oynamaya bile duyarlıdır. Sabit biraz farklı olsaydı, Oklo cevherinde kalan samaryum izotoplarının oranı bugünkünden belirgin biçimde farklı çıkardı. Ölçümler yapıldı ve sonuç, sabitin 2 milyar yıl boyunca olağanüstü küçük bir sınır içinde aynı kaldığını gösterdi. Gabon'daki bir maden ocağı, evrenin kurallarının değişmediğine dair bugün elimizdeki en sıkı kanıtlardan birini verdi.

Oklo ocağının kendisi artık çalışmıyor; cevher çıkarıldı, bölgelerin çoğu madencilikle birlikte ortadan kalktı. Birkaç damar Gabon tarafından bilimsel değeri nedeniyle korunmaya alındı. Geriye dönüp bakınca, 1942 Aralık'ında Chicago'da bir spor salonunun altına grafit tuğlalar ve uranyum küpleriyle kurulan ilk kontrollü zincirleme tepkimenin, aslında bir icat değil bir yeniden keşif olduğunu görüyoruz. Aynı fiziği, aynı yavaşlatıcı mantığını, aynı kendi kendini frenleyen dengeyi, yerkabuğu 2 milyar yıl önce Gabon'da kendiliğinden kurmuştu. Fark şu ki doğa bunu bilerek yapmadı; sadece uygun kaya, uygun su ve uygun bir çağ bir araya geldi.

Ve bütün bunları, bir laboratuvarda ekranda belirmiş üç binde birlik bir sapma sayesinde biliyoruz. Eksik uranyum, bir hırsızlığın değil, dünyanın kendi geçmişinin işaretiydi. Ölçüm yapan ekip o gün "herhâlde cihaz bozuk" deyip geçseydi, kaya susmaya devam edecekti.

Nöron Bilim'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.