Окло, то есть (почти) все уже было

Во Франции 70% электроэнергии получают путем расщепления урана. Атомные реакторы, заводы, подготавливающие для них сырье и утилизирующие радиоактивные отходы, расположены по всей стране. В одном из них более сорока лет назад произошла необыкновенная история.

Это должен был быть обычный анализ руды, импортируемой из габонского рудника недалеко от города Окло. Но химики завода по обогащению урана в Пьерлатте на юге Франции не могли поверить своим глазам. Повторные анализы подтвердили пониженное содержание изотопа U-235. Вместо 0,72%, как для любой другой урановой руды в мире, прибор показал всего около 0,60%. Постоянство изотопного состава элементов — несомненный «догмат» физики и химии (если не считать незначительных отклонений, зависящих от природных факторов, но не такого порядка). Таких случаев просто не бывает! Было подсчитано, что в доставленной партии руды отсутствовало около 200 кг делящегося изотопа, чего хватило бы на создание нескольких атомных бомб. Поскольку это был 1972 год и шла «холодная война», неудивительно, что атмосфера в Пьерлатте той весной была горячей.

Езжайте в Габон!

Расположение Габона на карте Африки и Окло на карте Габона

Расследование вели чиновники из CEA () — Французской комиссии по атомной энергии. Дальнейший анализ раскрыл еще одну загадку. Изотопный состав редких элементов — неодима и рутения — также значительно отличался от природного. Это была определенно не типичная урановая руда, но она была очень похожа на… отработавшее топливо ядерного реактора (в нем много изотопов рутения и неодима). Возникла необходимость расследовать дело на месте в Габоне, бывшей французской колонии.

Анализ проб, взятых с месторождения, подтвердил результаты французских лабораторий. Кроме того, в минералах были обнаружены пузырьки ксенона, редкого благородного газа. И он имеет точно такой же изотопный состав, какой образуется при делении ядер урана в реакторе. Инсайдеры (очевидно, никакой информации о пропавшем уране не распространялось) вздохнули с облегчением. Головоломка, как в фильме про агента 007, стала загадкой для ученых. Но если Спектер не украл уран, то кто?

Как сделать реактор?

Французский физик Франсис Перрен предложил решение проблемы. Отработанный делящийся материал в отложениях песчаника возрастом 2 миллиарда лет на самом деле был произведен в результате работы ядерного реактора. Но соорудили его не инопланетяне, а сама природа. Объяснение было словно взято со страниц научно-фантастического романа, но Перрин основывал его на научной публикации Пола Казуо Курода, японского физико-химика, работающего в США. Еще в 1956 году Курода предположил возможность существования естественных ядерных реакторов при соблюдении следующих условий:

• для достаточно эффективной реакции содержание делящегося изотопа U-235 в природном уране должно быть не менее 3%. Современные реакторы также используют топливо, обогащенное этим изотопом;
• также используется топливо, обогащенное этим изотопом;

• урановое месторождение должно иметь размер не менее нескольких десятков сантиметров и содержание урана не менее 10%. Причина в том, чтобы предотвратить выход нейтронов за пределы зоны действия реактора. Размер атомного ядра, в которое должна попасть частица, составляет примерно 10 тысяч. раз меньше, чем весь атом. Следовательно, должен быть большой путь (в атомном масштабе), по которому движущийся нейтрон имеет шанс проникнуть в ядро ​​атома урана;
• не должно быть большого количества т.н. нейтронные яды, т.е. элементы, поглощающие нейтроны (кадмий, бор, некоторые лантаноиды). В реакторах используются для управления реакцией деления — предотвращают чрезмерное увеличение числа нейтронов, приводящее к ускорению реакции и опасному повышению температуры активной зоны реактора;
• осадок должен содержать замедлитель, т.е. вещество, замедляющее скорость нейтронов. В случае изотопа U-235 наиболее эффективная реакция деления происходит для так называемого тепловые нейтроны (с энергией, близкой к энергии движения частиц при комнатной температуре; скорость тепловых нейтронов ок. 2,2 км/с). Замедление нейтронов происходит в результате их столкновений с молекулами замедлителя. В реакторах в качестве замедлителей используется вода, тяжелая вода или графит;
• источник нейтронов необходим, чтобы инициировать реакцию деления. Это, в свою очередь, после выполнения предыдущих условий будет поддерживать себя.

Reaktor Matki Natury

Природе удалось реализовать рецепт Куроды. 2 млрд лет назад содержание изотопа U-235 в природном уране составляло около 3,7%. В настоящее время она составляет чуть более 0,7%. Это следствие периода полураспада этого изотопа, составляющего около 700 миллионов лет (значит, 700 миллионов лет назад U-235 было в два раза больше, чем сегодня, 1 миллионов лет назад в четыре раза больше и т. ). Основной компонент природного урана — изотоп U-400 — имеет период полураспада около 238 млрд лет и его содержание меняется гораздо медленнее, чем U-4,5 (в уране также содержатся следовые количества U-235, являющегося продуктом распада U-234) относительно недолговечны).

Урановые руды: настуран (вверху) и карнотит (внизу).

Почему раньше реактор не работал? Ведь чем больше мы уходим в прошлое к началу существования Земли, тем выше было содержание U-235. Правильно, но уран был рассеян в породах и не образовывал крупных агрегатов. Поэтому так называемая критическая масса, необходимая для протекания самоподдерживающейся реакции деления. То, что спровоцировало образование месторождений урана, было увеличением концентрации кислорода в атмосфере. А это, в свою очередь, есть следствие прогрессивной эволюции живых организмов. Несколько сотен миллионов лет назад некоторые примитивные бактерии приобрели способность к фотосинтезу. Побочный продукт процесса — кислород — первоначально реагировал с соединениями железа, присутствующими в водах, которые затем образовывали залежи этой металлической руды (накопленными богатствами наша цивилизация пользуется и по сей день). Затем кислород растворялся в воде и выбрасывался в атмосферу. Его воздействие на горные породы привело к образованию большинства полезных ископаемых, в том числе урана.

При высокой концентрации кислорода уран образует водорастворимые соединения, которые осаждаются из раствора при недостатке кислорода. Этот механизм работал с созданием месторождения Окло. Древняя река вымыла из горных пород соединения урана. В его лагунах (в таких местах меньше кислорода) они оседали на дне. Постепенно они покрылись слоем отложений, перешедших в песчаник. Месторождение Окло представлено жилами мощностью до 1 м с линзовидными гнездами диаметром несколько метров. Содержание урана в линзах может достигать 60%. В то же время местные геологические условия означали, что породы не содержат большого количества элементов, поглощающих нейтроны. Замедлителем была вода, просачивающаяся в отложения через расщелины горных пород.

Нейтроны по-прежнему необходимы для запуска цепной реакции. В реакторах используются специально сконструированные источники этих частиц. В природе нейтроны возникают в результате космических лучей, очень мало самопроизвольного деления ядер урана и реакций типа (α, n). Последнее, загадочное обозначение означает, что α-частица (ядро атома гелия-4, т.е. два протона и два нейтрона), испускаемая естественным образом распадающимся ураном, попадает в ядро ​​другого элемента (в начале таблицы Менделеева) , присоединяется к нему, и образовавшееся ядро ​​испускает один нейтрон. А так как горные породы содержат такие элементы, как кальций, калий и кремний, то и источник нейтронов тоже был на месте.

Атомный котел

Исследования в районе Окло и близлежащего Бангомбе выявили шестнадцать мест, где происходили реакции деления. Было подсчитано, что реакторы работали от 100 500 до 5 6 лет и израсходовали за это время 235-100 тонн изотопа U-50. [распад] За самое короткое время работы он дает мощность около 1942 кВт (достаточно для питания 0,5 электрочайников; исследовательские реакторы имеют аналогичную мощность). Интересно сравнение с первым искусственным реактором. Конструкция блока Ферми 200 года на момент ввода в эксплуатацию составляла всего XNUMX Вт и лишь однажды достигала XNUMX Вт.

Примерная схема ядерной реакции. Слева направо: нейтрон попадает в ядро ​​U-235, образуется нестабильное ядро ​​U-236 и оно распадается на два осколка (Kr-92 и Ba-141), что сочетается с испусканием нейтронов, поддерживающих реакцию

Замедлителем нейтронов была вода, поступающая в урановое месторождение. Исследователи подсчитали, что реактор работал по трехчасовому циклу. В течение 30 минут вода нагревалась до температуры значительно выше 100°С (под повышенным давлением в расщелинах скал), а затем выбрасывалась наружу в виде паровых гейзеров. Отсутствие замедлителя в пласте прервало реакцию деления, что позволило остыть окружающим породам. Через 2,5 часа температура упала настолько, что в трещинах вновь появилась жидкая вода, и реакция возобновилась. Все это представляло собой кипящий котел под давлением, а зрелище было идентично струям гейзеров в Йеллоустоне или Исландии. Однако реакторы, вероятно, работали только в сезон дождей.

Два миллиарда лет назад в Окло

Безотказная работа в течение такого длительного времени вызывает восхищение. Реакторы не расплавились из-за перегрева и не взорвались. Следует отметить, что в случае реакторов ядерного взрыва не происходит, но взрыв возможен из-за чрезмерного повышения давления водяного пара или химической реакции конструкционных материалов с водой или воздухом. Исследование месторождения Окло также дало ответ на вопрос о судьбе захороненных радиоактивных отходов, образовавшихся в результате работы реактора. Первичные радиоактивные изотопы 2-миллиардной давности не сохранились до наших дней, но продукты их постоянного распада не ушли от месторождения на большие расстояния (максимум десятки метров). Уникальный эксперимент (длительностью 2 миллиарда лет!) доказал, что даже оставленные в покое радиоактивные отходы не обязательно должны представлять угрозу для окружающей среды. Что, конечно же, не освобождает нас от обеспечения безопасности их хранения.

Габонские реакторы пока единственные известные в мире объекты такого типа. Однако это не означает, что аналогичное сочетание факторов, необходимых для возникновения этих явлений, не имело место где-либо еще на нашей планете. Мир нуждается во все большем количестве урана для энергетики, поэтому геологические исследования еще неизвестных месторождений, вероятно, обнаружат их. Но это будет лишь дополнительным подтверждением того, что даже в случае такой сложной технологии, как атомная энергетика, природа была первой. Итак: как сказали бы древние.