천연 핵분열로

3. 핵분열 생성 동위원소의 지문

3. 1. 네오디뮴

3. 2. 루테늄

4. 작동 원리

오클로의 천연 원자로는 우라늄이 풍부한 광물 매장지에 지하수가 스며들면서 형성되었다. 이 지하수는 핵분열 과정에서 생성되는 중성자의 속도를 늦추는 중성자 감속재 역할을 하여 핵 연쇄 반응이 일어날 수 있는 조건을 만들었다.^[4]

핵 연쇄 반응이 시작되면 많은 열이 발생하여 주변의 지하수를 끓게 만들었다. 물이 증발하여 사라지면 중성자를 감속시키는 물질이 없어지므로 핵분열 반응 속도는 자연스럽게 느려지거나 멈추게 되었다. 이는 오늘날 인간이 만든 경수로에서 중요한 안전 장치로 사용되는 음의 공극 계수(negative void coefficient)와 유사한 원리이다. 이후 광물 매장지가 식으면 다시 지하수가 스며들어 반응이 재개되었고, 이러한 과정이 약 3시간 주기로 반복된 것으로 추정된다. 즉, 약 30분 동안 핵분열 반응이 활발히 일어나고(임계 상태), 이후 2시간 30분 동안 냉각되는 주기가 반복된 것이다.^[6]

이러한 핵분열 반응 주기는 수십만 년 동안 지속된 것으로 보인다. 시간이 지남에 따라 핵분열 반응의 '연료'가 되는 핵분열성 물질인 우라늄-235가 점차 소모되고, 핵분열 과정에서 생성된 중성자 흡수 물질(중성자 독)이 축적되면서 결국 연쇄 반응을 더 이상 유지할 수 없게 되어 자연적으로 멈추게 되었다.^[4] 제논-135는 핵분열 시 생성되는 강력한 중성자 독 중 하나로, 이러한 자연 원자로의 작동 주기를 조절하고 결국 정지시키는 데 중요한 역할을 했을 것으로 여겨진다.^[6]

5. 원자 미세구조 상수와의 관계

오클로의 천연 반응로는 원자 미세 구조 상수 α가 지난 20억 년 동안 변했는지 확인하는 데에도 사용되었다. 이는 α 값이 다양한 핵반응 속도에 영향을 미치기 때문이다. 예를 들어, 사마륨-149(¹⁴⁹Sm)는 중성자를 포획하여 사마륨-150(¹⁵⁰Sm)으로 변하는데, 이 중성자 포획 속도는 α 값에 따라 달라진다. 따라서 오클로에서 채취한 샘플에 포함된 두 사마륨 동위원소의 비율을 분석하면 20억 년 전의 α 값을 추정할 수 있다.

여러 연구에서 오클로에 남겨진 방사성 동위원소의 상대적 농도를 분석했으며, 대부분의 연구에서는 당시의 핵반응 속도가 오늘날과 거의 동일하다는 결론을 내렸다. 이는 과거의 α 값 역시 현재와 동일했음을 의미한다.^{[21][22][23][10][11][12]}

6. 과거 지구 환경과의 연관성

천연 핵분열로가 작동할 수 있었던 핵심 요인은 과거 지구의 우라늄 동위원소 비율이다. 약 17억 년 전, 원자로가 임계 질량에 도달했을 당시, 자연 상태의 우라늄에서 핵분열이 가능한 동위원소인 우라늄-235의 비율은 약 3.1%였다. 이는 오늘날 일부 원자로에서 사용하는 농축 우라늄의 비율과 비슷하다. 당시 우라늄의 나머지 대부분(96.9%)은 비핵분열성 우라늄-238이었고, 미량의 우라늄-234 (약 55ppm)가 포함되었다. 우라늄-235는 우라늄-238보다 반감기가 짧아 시간이 지남에 따라 더 빠르게 붕괴한다. 그 결과, 현재 자연 우라늄에서 우라늄-235의 비율은 0.72%에 불과하다. 따라서 오늘날 지구에서는 중수나 흑연과 같은 중성자 감속재 없이는 자연적인 핵 연쇄 반응이 일어날 수 없다.^[7]

또 다른 중요한 환경 요인은 약 20억 년 전 발생한 대산소화 사건(Great Oxidation Event)으로 인한 지구 대기 중 산소 농도의 증가이다.^[4] 우라늄은 지구의 암석 속에 자연적으로 존재하며, 과거에는 핵분열성 우라늄-235의 비율이 3% 이상으로 충분히 높았다. 하지만 우라늄은 산소가 있어야 물에 녹는다. 대기 중 산소 농도가 증가하면서 암석 속의 우라늄이 지하수에 녹아 이동할 수 있게 되었고, 특정 지역에 높은 농도로 쌓여 풍부한 우라늄 광상을 형성할 수 있었다. 이러한 우라늄 농축 과정은 당시 지구에 새롭게 나타난 산소가 풍부한 환경이 없었다면 일어나기 어려웠을 것이다. 충분한 양의 우라늄-235와 산소 농도 증가로 인한 우라늄의 농축, 그리고 물의 존재라는 조건이 결합되어 오클로 지역에서 천연 핵분열로가 작동할 수 있었던 것이다.

참조

_[1] 논문 On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals http://nuclearplanet[...]
_[2] 논문 The Workings of an Ancient Nuclear Reactor http://www.sciam.com[...] 2005-11
_[3] 웹사이트 Nature's Nuclear Reactors: The 2-Billion-Year-Old Natural Fission Reactors in Gabon, Western Africa https://blogs.scient[...] 2011-07-13
_[4] 논문 Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical event" in a geologic system
_[5] 논문 Oklo reactors and implications for nuclear science
_[6] 논문 Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon
_[7] 서적
_[8] 논문 The Oklo Natural Reactor: Cumulative Fission Yields and Retentivity of the Symmetric Mass Region Fission Products
_[9] 논문 2 billion year old natural analogs for nuclear waste disposal: the natural nuclear fission reactors in Gabon (Africa) https://comptes-rend[...]
_[10] 뉴스 Oklo Reactor and fine-structure value https://www.newscien[...] New Scientist 2004-06-30
_[11] 논문 Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core
_[12] 논문 Reappraisal of the limit on the variation in α implied by the Oklo natural fission reactors 2015
_[13] 논문 On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals
_[14] 논문 The Workings of an Ancient Nuclear Reactor http://www.sciam.com[...] 2005-11
_[15] 웹인용 Nature's Nuclear Reactors: The 2-Billion-Year-Old Natural Fission Reactors in Gabon, Western Africa https://blogs.scient[...] 2017-07-07
_[16] 논문 Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical event" in a geologic system
_[17] 논문 Oklo reactors and implications for nuclear science
_[18] 논문 Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon
_[19] 논문 The Oklo Natural Reactor: Cumulative Fission Yields and Retentivity of the Symmetric Mass Region Fission Products
_[20] 논문 2 billion year old natural analogs for nuclear waste disposal: the natural nuclear fission reactors in Gabon (Africa)
_[21] 뉴스 Oklo Reactor and fine-structure value https://www.newscien[...] New Scientist 2004-06-30
_[22] 논문 Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core
_[23] 논문 Reappraisal of the limit on the variation in α implied by the Oklo natural fission reactors 2015