1972 nahmen Wissenschaftler die Spur von Urandieben auf – ihre Suche führte sie zwei Milliarden Jahre in die Vergangenheit zum ersten Kernspaltungsreaktor der Erde

Welch Anblick sich genau einem hypothetischen Besucher vor zwei Milliarden Jahren geboten hätte, wissen wir nicht. Aber eines ist sicher: Im Untergrund existierte der einzige, bisher bekannte atomare Reaktor natürlichen Ursprungs. (Adobe Firefly, generative KI)

Sommer 1972: Französische Wissenschaftler starren auf eine Zahl: 0,7171 Prozent. So etwas haben sie in der Anreicherungsanlage Pierrelatte noch nie gesehen – es dürfte nicht existieren. Panik macht sich breit. Die Probe müsste 0,7202 Prozent Uran in Form seines Isotops U‑235 enthalten – den Brennstoff in Kernkraftwerken und Atombomben. Wo ist der Rest?

Rasch frisst sich die Entdeckung die Hierarchie empor, denn inmitten des Kalten Krieges bedeutet fehlendes U-235 mehr als nur ein Ärgernis: Es droht eine Krise nationalen Maßstabs.

Die Suche nach dem scheinbaren Diebesgut führt schließlich nach Westafrika, nach Gabun.

Wer an die Verwendung von Uran in Kraftwerken und Bomben denkt, meint nur 0,7 Prozent von allen Vorkommen. Denn 99,3 Prozent allen Urans liegen als U‑238 vor – ein nur schwer spaltbares Material. Wir nutzen vorwiegend das Isotop U-235. Aufgrund seiner Kernstruktur (weniger Neutronen) reagiert es empfindlicher auf Neutronenbeschuss, ergo lässt es sich leichter spalten. Nur so kommen Kettenreaktionen zustande.

Bevor es in Kettenreaktionen als Brennstoff dienen kann, muss es aber angereichert werden. Hierfür wird U-235 so lange konzentriert/angereichert, bis es rund drei bis fünf Prozent ausmacht. Mehr zu Isotopen und ihrer wichtigen Funktion in der Wissenschaft lest ihr hier bei uns.

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Unerhört anmutende Realität

Um den Anteil des U-235 zu reduzieren, kennt die Physik nur zwei Methoden: radioaktiver Zerfall, der über sehr lange Zeit von allein überall auf Erden gleichmäßig erfolgt (Strahlung), und Kernspaltung. Letztere befeuert AKWs. Der Anteil 0,7202 gilt deshalb unter Physikern als eine Art implizite Naturkonstante – auf Erde, Mond und in den meisten Meteoriten finden wir meist exakt diesen Wert.

Doch das in der Lagerstätte Oklo (Franceville in der Provinz Haut-Ogooué) abgebaute Material hat nun mal, bevor es in Frankreich ankam, einen erheblichen Teil seines U-235 eingebüßt. 

Untersuchungen in Westafrika förderten letztlich eine zwar irgendwie beruhigende, aber zugleich an sich unglaubliche Erklärung zutage: Das Erz steckte bereits mit vermindertem U-235-Anteil im Untergrund. Die einzig logische Schlussfolgerung: Dieses Uran befand sich zumindest zeitweise in einem Atomreaktor. Wissenschaftler nennen diesen Prozess des Verlusts von U-235 Abreicherung.

Der einzig bekannte natürliche Atomreaktor

Jahrelange Untersuchungen kamen letzten Endes zu einem eindeutigen Urteil, das sich bis heute auch nur in Nuancen verändert hat: Die Natur hat hier dank eines weltweit einmaligen (Stand heute) Zusammenspiels geologischer und physikalischer Bedingungen den einzigen bekannten natürlichen Atomreaktor der Erde gebaut. Sein Alter beträgt etwa 1,95 Milliarden Jahre.

Wichtig für alles jetzt Folgende: Ihr müsst nicht bis ins letzte Detail verstehen, wie ein Kernreaktor funktioniert. Vereinfacht braucht es drei Puzzlestücke:

• Viel U-235 auf engem Raum, damit eine Kettenreaktion aus Kernspaltungen einsetzen kann.
• Diese Kettenreaktion darf aber nicht außer Kontrolle geraten, also stetig an Vehemenz zunehmen – sie muss sich bremsen lassen oder von selbst irgendwann stoppen, sonst folgt eine Katastrophe.
• Wasser nimmt eine Doppelrolle ein, die eng mit dem ersten und zweiten Punkt verzahnt ist.

Alle, die mehr zu dem Thema lesen wollen, finden in dieser Artikelserie viele Infos sowie einen gründlichen Blick nach Tschernobyl.

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Die Geschichte des Naturreaktors von Oklo liest sich so: Im Zuge des sogenannten »Great Oxidation Event« (Großen Sauerstoffkatastrophe) reicherte sich die Erdatmosphäre vor etwa 2,4 Milliarden Jahren erstmals massenhaft mit Sauerstoff an – den ihr übrigens heute an nur einem Ort im Sonnensystem noch atmen könnt.

Hierdurch oxidierte das im Gestein vorliegende Uran und konnte sich in der Folge in Wasser lösen – und so auf Wanderschaft gehen. Grundwasserströme transportierten es bis in Milieus, wo es durch chemisch-physikalische Prozesse ausgefällt wurde. Das heißt schlicht: Es verließ das Wasser und sammelte sich als festes Mineral an. 

Mit der Zeit lagerte sich so immer mehr davon in bestimmten Schichten in Oklo an. Seine Konzentration nahm immer weiter zu. Das erste Puzzlestück rückte also an die richtige Stelle: viel U-235 auf engem Raum.

Hilfreich dabei zeigte sich der schlicht höhere Anteil des vorhandenen U‑235. Denn vor knapp zwei Milliarden Jahren lag er noch bei etwa 3,5 Prozent, statt wie heute bei 0,7202 Prozent.

Alle 700 Millionen Jahre halbiert sich die Menge des spaltbaren Materials durch Zerfall – das nennen wir Halbwertszeit. U-238 benötigt aber deutlich länger für eine Halbierung. Angesichts dessen verschiebt sich das Verhältnis zu seinen Gunsten: mehr U‑238 als U-235.

Das Grundwasser übernahm gleich zwei Aufgaben: Als sogenannter Moderator bremste es die Neutronen, die bei jeder Spaltung frei werden. Das ist entscheidend, denn nur verlangsamte Neutronen spalten weitere Urankerne wirksam und halten so die Kettenreaktion am Laufen. Zugleich diente das Wasser als Kühlmittel. Ohne Wasser wäre die Reaktion gar nicht erst in Gang gekommen.

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Dass sie nicht außer Kontrolle geriet, lag wohl an folgendem Mechanismus: Nach etwa einer halben Stunde des Betriebs hatte sich das Gestein so stark erhitzt, dass das Wasser verdampfte. Dampf bremst Neutronen aber kaum, der Moderator fehlte also.

Die Neutronen blieben zu schnell, um viele neue Spaltungen auszulösen, und die Kettenreaktion brach ab. Über die kommenden mindestens 2,5 Stunden kühlte die Gesteinsschicht ab, bis erneut flüssiges Wasser einsickerte. Die Spaltungen nahmen wieder zu, und der Prozess begann von vorn.

Der Oklo-Naturreaktor ähnelt einem Geysir, der rhythmisch heißes Wasser produziert, innehält, sich erneut regt, pausiert und so weiter. Dabei fand dieser Vorgang an mehreren Stellen in Oklo statt – es brannte nicht nur ein nuklearer Geysir. Nach heutigem Kenntnisstand brodelte der Untergrund an 17 Stellen, die nicht nur ungleich groß ausfielen, sondern sowohl verschieden lang als auch unterschiedlich intensiv spalteten.

Insgesamt spalteten sich über maximal rund eine Million Jahre etwa sechs Tonnen U‑235. Wie viel Wärmeenergie dabei insgesamt frei wurde, lässt sich nicht exakt beziffern. Als grobe Größenordnung: Durchschnittlich lieferten die Naturreaktoren 100 Kilowatt, was gerechnet auf die Zeit gut 15.000 MW-Jahre Gesamtenergie ergibt. Letzteres entspricht etwa fünf Jahren eines Großreaktors.

Die Abreicherung des U-235 können wir indes genauer darlegen: Sie reicht teilweise sogar bis hinab auf 0,29 Prozent – also dramatisch unterhalb der heutzutage üblichen 0,7202 Prozent.

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Übrigens: Wer sich das Material gerne einmal selbst anschauen möchte, sollte nach Wien fahren: Anfang 2018 kam ein halbierter, etwa zehn Meter langer Bohrkern aus Oklo ins dortige Naturhistorische Museum.

Eine echte Gefahr geht derweil von ihm nicht aus, da er nur schwach strahlt. Der Grund: Die stärkeren Strahler sind die Spaltungsprodukte, die durch die Kettenreaktion entstehen. Sie sind aber längst zerfallen, übrig blieb vor Ort vorrangig der unterschiedlich abgereicherte Uranrest.

Oklo fasziniert aus vielerlei Gründen – doch der unterschwellig wichtigste ist erneut eine Bestätigung der Naturgesetze. 0,7171 Prozent als Wert, mehr brauchte es nicht, um allen beteiligten Forschern unmissverständlich vorzuführen, dass hier etwas nicht wie erwartet ablief. Und wie so oft folgte daraufhin die Überraschung: der einzige bisher bekannte natürlich entstandene Kernspaltungsreaktor.