เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันตามธรรมชาติคือแหล่งแร่ยูเรเนียม ที่ เกิด ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ แบบต่อเนื่องด้วยตนเอง แนวคิดเรื่องเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีอยู่ในแหล่งแร่โดยมีน้ำใต้ดินเป็นตัวกลางได้รับการสำรวจอย่างคร่าวๆ โดยPaul Kurodaในปี 1956 ^{[ 1 ]} การมีอยู่ของ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันที่ดับไปแล้ว หรือฟอสซิลซึ่งเคยเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบต่อเนื่องด้วยตนเองในอดีต ได้รับการยืนยันโดยการวิเคราะห์อัตราส่วนไอโซโทปของยูเรเนียมและผลิตภัณฑ์ฟิชชัน (และนิวไคลด์ลูกสาว ที่เสถียร ของผลิตภัณฑ์ฟิชชันเหล่านั้น) การค้นพบเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวครั้งแรกเกิดขึ้นในปี 1972 ในOkloประเทศกาบองโดยนักวิจัยจากคณะกรรมการพลังงานปรมาณูแห่งฝรั่งเศส (CEA) เมื่อนักเคมีที่ทำการควบคุมคุณภาพสำหรับอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ของฝรั่งเศสสังเกตเห็นการลดลงอย่างรวดเร็วของ²³⁵ที่สามารถแตกตัว ได้ยูเรเนียมในยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ใน รูปก๊าซ ที่ผลิตจากแร่ของกาบอง

โอคโลเป็นสถานที่แห่งเดียวที่ทราบว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้น โดยประกอบด้วยแหล่งแร่ 16 แห่งที่มีชั้นแร่ ขนาดเซนติเมตร เชื่อกันว่าปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเองได้ เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 1.7 พันล้านปีก่อน ในช่วง ยุค สเตเธเรียนของยุคพาลีโอโปรเทโรโซอิก ฟิชชันในแร่ที่โอคโลเกิดขึ้นเป็นระยะๆ เป็นเวลาหลายแสนปี และอาจไม่เคยเกิน 100 กิโลวัตต์ของพลังงานความร้อน^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} สิ่งมีชีวิตบนโลกในเวลานั้นส่วนใหญ่ประกอบด้วย สาหร่ายที่อาศัยอยู่ในทะเลและยูคาริโอต กลุ่มแรก อาศัยอยู่ภายใต้บรรยากาศ ที่มีออกซิเจน 2% อย่างไรก็ตาม แม้แต่ออกซิเจนเพียงเล็กน้อยนี้ก็อาจจำเป็นต่อความเข้มข้นของยูเรเนียมในแหล่งแร่ที่สามารถเกิดฟิชชันได้ เนื่องจากยูเรเนียมจะละลายในน้ำได้ก็ต่อเมื่อมีออกซิเจนอยู่ด้วย ก่อนการผลิตออกซิเจนในระดับดาวเคราะห์โดยสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสง ในยุคแรกๆ เชื่อกันว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติที่ควบคุมโดยน้ำใต้ดินนั้นเป็นไปไม่ได้^{[ 4 ]}

ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2515 ณโรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียมทริคาสตินที่เมืองปิแอร์ลาต์ ประเทศฝรั่งเศส การวิเคราะห์มวลสารด้วยเครื่องแมสสเปกโทรเมตรีตามปกติเปรียบเทียบตัวอย่างUF6จากเหมืองโอโคล พบความคลาดเคลื่อนในปริมาณของไอโซโทป²³⁵ไอโซโทปยูเรเนียม โดยที่ความเข้มข้นปกติของ ²³⁵ตัวอย่าง Uมีค่า 0.72% ในขณะที่ตัวอย่าง Oklo มีค่าเพียง 0.60% ซึ่งเป็นความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญ โดยตัวอย่าง U มีค่าต่ำกว่า ^{235 ถึง 17%}ยูเรเนียมมากกว่าที่คาดไว้ ^{[ 5 ]}ความคลาดเคลื่อนนี้จำเป็นต้องมีคำอธิบาย เนื่องจากโรงงานจัดการยูเรเนียมพลเรือนทั้งหมดต้องบันทึกไอโซโทปที่สามารถแตกตัวได้ทั้งหมดอย่างละเอียดถี่ถ้วน เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีไอโซโทปใดถูกนำไปใช้ในการสร้างอาวุธนิวเคลียร์ ที่ไม่ได้รับอนุญาต ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากวัสดุที่สามารถแตกตัวได้เป็นเหตุผลหลักในการทำเหมืองยูเรเนียมตั้งแต่แรก การขาดหายไป 17% จึงเป็นเรื่องที่น่ากังวลทางเศรษฐกิจโดยตรง

ดังนั้นคณะกรรมการพลังงานปรมาณูแห่งฝรั่งเศส (CEA) จึงเริ่มทำการตรวจสอบ การวัดปริมาณสัมพัทธ์ของไอโซโทปยูเรเนียม ที่สำคัญที่สุดสองชนิด ที่ขุดได้จากเหมืองโอโคลแสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่ผิดปกติเมื่อเทียบกับยูเรเนียมจากเหมืองอื่นๆ การตรวจสอบเพิ่มเติมในแหล่งแร่ยูเรเนียมนี้ค้นพบแร่ยูเรเนียมที่มีค่า²³⁵ความเข้มข้น ของยูเรเนียมต่ำถึง 0.44% (ต่ำกว่าค่าปกติเกือบ 40%) การตรวจสอบไอโซโทปของผลิตภัณฑ์ฟิสชัน เช่นนีโอไดเมียมและรูทีเนียม ในภายหลัง ก็แสดงความผิดปกติเช่นกัน ดังที่อธิบายไว้ในรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่าง อย่างไรก็ตามไอโซโทปกัมมันตรังสี^{234 ที่มีปริมาณน้อยมากนั้น}ความเข้มข้นของ ยูเรเนียม (U)ไม่แตกต่างจากตัวอย่างธรรมชาติอื่นๆ อย่างมีนัยสำคัญ ทั้งยูเรเนียมที่ลดปริมาณกัมมันตรังสีและยูเรเนียมที่ผ่านกระบวนการแปรรูปใหม่มักจะมี²³⁴ความเข้มข้น ของยูเรเนียมแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากสมดุลทางโลกที่ 55 ppm ²³⁴Uสัมพันธ์กับ²³⁸U.นี่เป็นเพราะ²³⁴ยูได้รับการเสริมคุณค่าร่วมกับ²³⁵และเนื่องจากถูกใช้ไปในการจับนิวตรอนและผลิต^จาก 235Uโดย ปฏิกิริยา (n,2n) ที่เหนี่ยวนำโดย นิวตรอนเร็วในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ใน Oklo การเบี่ยงเบนที่เป็นไปได้ของ²³⁴ความเข้มข้นของ ยูเรเนียมที่มีอยู่ ณ เวลาที่เครื่องปฏิกรณ์ทำงานนั้นได้สลายตัวไปนานแล้ว²³⁶ยูเรเนียม (U)น่าจะมีอยู่ในอัตราส่วนที่สูงกว่าปกติในช่วงเวลาที่เครื่องปฏิกรณ์ทำงาน แต่เนื่องจากครึ่งชีวิตของมันค่อนข้างสั้น2.348 × 10⁷ปีนั้นสั้นกว่าเวลาที่ผ่านไปนับตั้งแต่เครื่องปฏิกรณ์เริ่มทำงานเกือบสองเท่าตัว ดังนั้นจึงสลายตัวไป^{ประมาณ}1.4 × 10 ⁻²²ซึ่งเป็นค่าเดิมและต่ำกว่าความสามารถในการตรวจจับของอุปกรณ์ในปัจจุบัน

ความสูญเสียนี้เกิดขึ้นใน^{ปี 235}Uคือสิ่งที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ คำอธิบายที่เป็นไปได้คือแร่ยูเรเนียมได้ทำหน้าที่เป็นเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันตามธรรมชาติในอดีตทางธรณีวิทยาอันไกลโพ้น การสังเกตอื่นๆ นำไปสู่ข้อสรุปเดียวกัน และในวันที่ 25 กันยายน พ.ศ. 2515 CEA ได้ประกาศการค้นพบของพวกเขาว่าปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ยั่งยืนได้เกิดขึ้นบนโลกเมื่อประมาณ 2 พันล้านปีก่อน ต่อมามีการค้นพบเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันนิวเคลียร์ตามธรรมชาติอื่นๆ ในภูมิภาคนี้^{[ 4 ]}

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติที่โอคโลเกิดขึ้นเมื่อแหล่งแร่ยูเรเนียมที่มีปริมาณยูเรเนียมสูงถูกน้ำใต้ดิน ท่วม ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นตัวชะลอความเร็วของนิวตรอนที่เกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียส เกิด ปฏิกิริยาลูกโซ่ขึ้น ทำให้เกิดความร้อนและทำให้น้ำใต้ดินเดือดระเหยไป อย่างไรก็ตาม หากไม่มีตัวชะลอความเร็วของนิวตรอน ปฏิกิริยาก็จะช้าลงหรือหยุดลง ดังนั้น เครื่องปฏิกรณ์จึงมีค่าสัมประสิทธิ์ความว่างเปล่า เชิงลบของปฏิกิริยา ซึ่งเป็นกลไกความปลอดภัยที่ใช้ใน เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาที่มนุษย์สร้างขึ้นหลังจากแหล่งแร่เย็นลง น้ำก็จะกลับมา และปฏิกิริยาก็จะเริ่มต้นใหม่ ครบวงจรทุกๆ 3 ชั่วโมง วัฏจักรปฏิกิริยาการแตกตัวของนิวเคลียสเกิดขึ้นต่อเนื่องเป็นเวลาหลายแสนปี และสิ้นสุดลงเมื่อวัสดุที่สามารถแตกตัวได้ลดลงเรื่อยๆ ประกอบกับการสะสมของสารพิษต่อนิวตรอนทำให้ไม่สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อไปได้อีกต่อไป

การแตกตัวของยูเรเนียมโดยปกติจะผลิตไอโซโทปที่รู้จักกัน 5 ชนิดของก๊าซ ซีนอนซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวทั้ง 5 ไอโซโทปนี้ถูกพบว่าติดอยู่ในซากของเครื่องปฏิกรณ์ตามธรรมชาติในความเข้มข้นที่แตกต่างกัน ความเข้มข้นของไอโซโทปซีนอนที่พบว่าติดอยู่ในการก่อตัวของแร่ธาตุเมื่อ 2 พันล้านปีต่อมา ทำให้สามารถคำนวณช่วงเวลาการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ได้อย่างแม่นยำ: ประมาณ 30 นาทีของภาวะวิกฤต ตามด้วยการระบายความร้อน 2 ชั่วโมง 30 นาที ( ความร้อนจากการสลาย ตัวที่เหลืออยู่ลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล ) เพื่อให้ครบวงจร 3 ชั่วโมง^{[ 6 ]}ซีนอน-135เป็นพิษต่อนิวตรอนที่แรงที่สุดเท่าที่รู้จัก อย่างไรก็ตาม มันไม่ได้ถูกผลิตขึ้นโดยตรงในปริมาณที่มากพอสมควร แต่เป็นผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวของไอโอดีน-135 (หรือนิวไคลด์ต้นกำเนิดตัว ใดตัวหนึ่ง ) ซีนอน-135 เองนั้นไม่เสถียรและสลายตัวเป็นซีเซียม-135หากไม่ได้รับอนุญาตให้ดูดซับนิวตรอน แม้ว่าซีเซียม-135 จะมีอายุยืนยาวพอสมควร แต่ซีเซียม-135 ทั้งหมดที่ผลิตโดยเครื่องปฏิกรณ์โอคลอได้สลายตัวต่อไปเป็นแบเรียม-135 ที่เสถียรแล้ว ในขณะเดียวกัน ซีนอน-136 ซึ่งเป็นผลผลิตจากการจับนิวตรอนในซีนอน-135 สลายตัวช้ามากผ่านการสลายตัวแบบเบต้าคู่ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงสามารถกำหนดนิวโทรนิกส์ของเครื่องปฏิกรณ์นี้ได้โดยการคำนวณจากอัตราส่วนไอโซโทปเหล่านั้นเกือบสองพันล้านปีหลังจากที่มันหยุดการแตกตัวของยูเรเนียมแล้ว

ปัจจัยสำคัญที่ทำให้ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นได้คือ ในช่วงเวลาที่เครื่องปฏิกรณ์เริ่มทำงานเมื่อ 1.7  พันล้านปีก่อนไอโซโทปฟิสไซล์²³⁵ยูเรเนียม (U)คิดเป็นประมาณ 3.1% ของยูเรเนียมธรรมชาติ ซึ่งเทียบได้กับปริมาณที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บางเครื่องในปัจจุบัน (ส่วนที่เหลือ 96.9% คือ²³⁸⁾Uและประมาณ 55 ppm ²³⁴Uซึ่งทั้งสองอย่างนี้ไม่สามารถเกิดการแตกตัวได้ด้วย นิวตรอน ช้าหรือนิวตรอนที่ถูกลดความเร็ว) เนื่องจาก²³⁵Uมีครึ่งชีวิต สั้น กว่า²³⁸Uและด้วยเหตุนี้จึงสลายตัวได้เร็วขึ้น ความอุดมสมบูรณ์ในปัจจุบันของ²³⁵Uในยูเรเนียมธรรมชาติมีเพียง 0.72% เท่านั้น ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ตามธรรมชาติจึงเป็นไปไม่ได้บนโลกหากไม่มีน้ำหนักมากหรือกราไฟต์^{[ 7 ]}

แหล่งแร่ยูเรเนียมโอคโลเป็นแหล่งเดียวที่ทราบว่าเคยมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ตามธรรมชาติอยู่ แหล่งแร่ยูเรเนียมที่อุดมสมบูรณ์อื่นๆ ก็อาจมีปริมาณยูเรเนียมเพียงพอที่จะสนับสนุนปฏิกิริยานิวเคลียร์ในเวลานั้นเช่นกัน แต่การรวมกันของยูเรเนียม น้ำ และสภาวะทางกายภาพที่จำเป็นต่อการสนับสนุนปฏิกิริยาลูกโซ่นั้นเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของแหล่งแร่โอคโลเท่าที่ทราบในปัจจุบัน นอกจากนี้ ยังเป็นไปได้ว่าเคยมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิสชันตามธรรมชาติอื่นๆ ทำงานอยู่ แต่ถูกรบกวนทางธรณีวิทยาจนไม่สามารถจดจำได้อีกต่อไป อาจทำให้ยูเรเนียม "เจือจาง" จนอัตราส่วนไอโซโทปไม่สามารถใช้เป็น "ลายนิ้วมือ" ได้อีกต่อไป มีเพียงส่วนเล็กๆ ของเปลือกโลกภาคพื้นทวีปและไม่มีส่วนใดของเปลือกโลกใต้มหาสมุทรที่มีอายุเท่ากับแหล่งแร่ที่โอคโล หรืออายุที่อัตราส่วนไอโซโทปของยูเรเนียมตามธรรมชาติจะเอื้อต่อการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ยั่งยืนโดยมีน้ำเป็นตัวหน่วง

ปัจจัยอีกประการหนึ่งที่อาจมีส่วนทำให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ Oklo เริ่มต้นขึ้นเมื่อ 2  พันล้านปีก่อน แทนที่จะเป็นก่อนหน้านั้น คือปริมาณออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นในชั้นบรรยากาศของโลก^{[ 4 ]}ยูเรเนียมมีอยู่ตามธรรมชาติในหินของโลก และความอุดมสมบูรณ์ของ²³⁵ ที่สามารถแตกตัว ได้ก่อนเริ่มเดินเครื่องปฏิกรณ์ ความเข้มข้นของยูเรเนียมต้องมีอย่างน้อย 3% หรือสูงกว่านั้นเสมอ ยูเรเนียมละลายในน้ำได้เฉพาะในสภาวะที่มีออกซิเจนเท่านั้นดังนั้นการเพิ่มขึ้นของระดับออกซิเจนในช่วงที่โลกมีอายุมากขึ้น อาจทำให้ยูเรเนียมละลายและถูกขนส่งไปกับน้ำใต้ดินไปยังสถานที่ต่างๆ ที่มีความเข้มข้นสูงพอที่จะสะสมตัวจนเกิดเป็นแหล่งแร่ยูเรเนียมที่อุดมสมบูรณ์ได้ หากไม่มีสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนเกิดขึ้นบนโลกในขณะนั้น ความเข้มข้นระดับนี้ก็คงไม่สามารถเกิดขึ้นได้

คาดการณ์ว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ในยูเรเนียมในสายแร่ขนาดเซนติเมตรถึงเมตรใช้ไอโซโทป^{235 ประมาณห้าตัน}Uและอุณหภูมิที่สูงขึ้นถึงหลายร้อยองศาเซลเซียส^{[ 4 ] [ 8 ]}ผลิตภัณฑ์ฟิสชันที่ไม่ระเหยและแอคติไนด์ส่วนใหญ่เคลื่อนที่เพียงไม่กี่เซนติเมตรในเส้นเลือดในช่วง 2 พันล้านปีที่ผ่านมา^{[ 4 ]}การศึกษาชี้ให้เห็นว่านี่เป็นแบบจำลองทางธรรมชาติที่มีประโยชน์สำหรับการกำจัดกากกัมมันตรังสี^{[ 9 ]}การสูญเสียมวลโดยรวมจากการแตกตัวของ^{235 จำนวน 5 ตัน}ยูเรเนียมมีน้ำหนักประมาณ4.6 กิโลกรัม (10 ปอนด์)ตลอดอายุการใช้งาน เครื่องปฏิกรณ์นี้ผลิตพลังงานความร้อน ได้ประมาณ 100 เมกะตันของทีเอ็นที (420 เพตาจูล) ซึ่งรวมถึง นิวตริโนด้วย หากไม่นับการแตกตัวของพลูโทเนียม (ซึ่งคิดเป็นประมาณหนึ่งในสามของการแตกตัวทั้งหมดในช่วงการเผาไหม้ปกติในเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา ที่มนุษย์สร้างขึ้นในปัจจุบัน ) ผลผลิตจากการแตกตัวจะมีปริมาณประมาณ129 กิโลกรัม (284 ปอนด์)ของเทคนีเซียม-99 (ซึ่งสลายตัวเป็นรูทีเนียม-99 แล้ว) 108 กิโลกรัม (238 ปอนด์)ของเซอร์โคเนียม-93 (ซึ่งสลายตัวเป็นไนโอเบียม -93 แล้ว) และ198 กิโลกรัม (437 ปอนด์)ของซีเซียม-135 (ซึ่งสลายตัวเป็นแบเรียม-135 แล้ว แต่ค่าที่แท้จริงอาจต่ำกว่านี้ เนื่องจากนิวไคลด์ต้นกำเนิดคือซีนอน-135 เป็นพิษต่ออนุภาคนิวตรอนอย่างมาก และจะดูดซับนิวตรอนก่อนที่จะสลายตัวเป็น¹³⁵⁾     (ในบางกรณีอาจเป็นซีเซียม-107) 28 กิโลกรัม (62 ปอนด์)ของแพลเลเดียม-107 (ซึ่งสลายตัวเป็นเงินไปแล้ว) 86 กิโลกรัม (190 ปอนด์)ของสตรอนเทียม-90 (ซึ่งสลายตัวเป็นเซอร์โคเนียมไปนานแล้ว) และ185 กิโลกรัม (408 ปอนด์)ของซีเซียม-137 (ซึ่งสลายตัวเป็นแบเรียมไปนานแล้ว)   

เครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติของโอโคลถูกใช้เพื่อตรวจสอบว่าค่าคงที่โครงสร้างละเอียด ของอะตอม αอาจเปลี่ยนแปลงไปในช่วง 2 พันล้านปีที่ผ่านมาหรือไม่ เนื่องจาก α มีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่างๆ ตัวอย่างเช่น¹⁴⁹Smจับนิวตรอนเพื่อกลายเป็น ¹⁵⁰เนื่องจากอัตราการจับนิวตรอนขึ้นอยู่กับค่าของαดังนั้นอัตราส่วนของ ไอโซโทป ซาแมเรียม ทั้งสอง ในตัวอย่างจากโอโคลจึงสามารถใช้คำนวณค่าของαจาก 2 พันล้านปีก่อนได้

การศึกษาหลายชิ้นได้วิเคราะห์ความเข้มข้นสัมพัทธ์ของไอโซโทปรังสีที่หลงเหลืออยู่ที่โอโคล และส่วนใหญ่สรุปว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ในตอนนั้นคล้ายคลึงกับในปัจจุบัน ซึ่งหมายความว่าαก็เหมือนกันด้วย^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

• แหล่งกักเก็บทางธรณีวิทยาลึก
• ธรณีวิทยาของกาบอง
• มูนานา
• บริษัท โอคโล อิงค์

• เบนตริดี เซาท์อีสต์; น้ำดี, บ.; โกติเยร์-ลาฟาเย ฟ.; เซกชั่วโมง, อ.; เมดจาดี, ดี. (2011). "Génèse et évolution des réacteurs naturalls d'Oklo" [ การกำเนิดและวิวัฒนาการของเครื่อง ปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ Oklo ] Comptes Rendus Geoscience (เป็นภาษาฝรั่งเศส) 343 ( 11– 12): 738– 748. รหัสสินค้า : 2011CRGeo.343..738B . ดอย : 10.1016/j.crte.2011.09.008 .

• เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติที่โอคโล: การเปรียบเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สมัยใหม่ เครือข่ายข้อมูลรังสี เมษายน 2548
• เครื่องปฏิกรณ์ฟอสซิลโอคโล
• ภาพดาราศาสตร์ประจำวันจาก NASA: NASA, Oklo, เครื่องปฏิกรณ์ฟอสซิล โซน 15 (16 ตุลาคม 2545)
• הכור הגרעיני של הטבע (ในภาษาฮีบรู )