Природный ядерный реактор

Феномен Окло заставляет вспомнить высказывание Э. Ферми, построившего первый ядерный реактор, и П.Л. Капицы, которые независимо друг от друга утверждали, что только человек способен создать нечто подобное. Однако древний природный реактор опровергает эту точку зрения, подтверждая мысль А. Эйнштейна о том, что Бог более изощрен...

С.П. Капица

В 1945 г. японский физик П.К. Курода, потрясенный увиденным в Хиросиме, впервые предположил возможность самопроизвольного процесса деления ядер в природе. В 1956 г. в журнале «Nature» он опубликовал маленькую, всего на страницу, заметку. В ней коротко излагалась теория природного ядерного реактора.

Для инициирования деления тяжелых ядер необходимы три условия будущей цепной реакции:

  • 1) горючее — 23эи;
  • 2) замедлители нейтронов — вода, окислы кремния и металлов, графит (сталкиваясь с молекулами этих веществ, нейтроны растрачивают свой запас кинетической энергии и из быстрых превращаются в медленные);
  • 3) поглотители нейтронов, среди которых — осколочные элементы и сам уран.

Преобладающий в природе изотоп 238U может делиться под действием быстрых нейтронов, но нейтроны средней энергии (с большей энергией, чем медленные, и с меньшей, чем быстрые) его ядра захватывают и при этом не распадаются, не делятся.

При каждом делении ядра 235U, вызванном столкновением с медленным нейтроном, образуются два-три новых быстрых нейтрона. Чтобы вызвать новое деление 23эи, они должны стать медленными. Часть быстрых нейтронов замедляется соответствующими материалами, другая часть выбывает из системы. Замедленные нейтроны частично поглощаются редкоземельными элементами, всегда присутствующими в урановых месторождениях и образующимися при делении ядер урана — вынужденном и спонтанном. Например, гадолиний и самарий относятся к числу самых сильных поглотителей тепловых нейтронов.

Для осуществления устойчивого протекания цепной реакции деления 235U необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов не опускался меньше 1. Коэффициент размножения (Кр) это отношение остатка нейтронов к их первоначальному числу. Если Кр = 1, в урановом месторождении устойчиво протекает цепная реакция, если Кр > 1, месторождение должно самоуничтожиться, рассеяться, может даже взорваться. При Кр < 1 цепная реакция не пойдет. Очень точно должны совпасть горючее, замедлитель и поглотитель, чтобы коэффициент размножения стал не менее 1, чтобы урановое месторождение заработало как природный реактор. То есть должны быть такие природные условия, чтобы месторождение могло стать природным ядерным реактором.

Для выполнения трех условий необходимо: во-первых, чтобы месторождение было древним. В настоящее время в природной смеси изотопов урана концентрация 23эи составляет всего 0,72%. Не многим больше она была и 500 млн, и 1 млрд лет назад. Поэтому ни в одном месторождении моложе 1 млрд лет не могла начаться цепная реакция, независимо от общей концентрации урана или воды-замедлителя. Период полураспада 235и около 700 млн лет. Концентрация этого изотопа урана в природных объектах 2 млрд лет назад составляла 3,7%, 3 млрд лет — 8,4%, 4 млрд лет —19,2%. Именно миллиарды лет назад горючего для природного ядерного реактора было достаточно.

Древность месторождения — необходимое, но недостаточное условие действия природных реакторов. Другое, также необходимое условие — присутствие здесь же воды в больших количествах. Вода, особенно тяжелая, — лучший замедлитель нейтронов. Неслучайно же критическая масса урана (93,5% 235Г1) в водном растворе — меньше одного килограмма, а в твердом состоянии, в виде шара со специальным отражателем нейтронов — от 18 до 23 кг. Не меньше 15—20% воды должно было быть в составе урановой древней руды, чтобы в ней началась цепная реакция деления урана.

В июне 1972 г. в одной из лабораторий Комиссариата по атомной энергии Франции при приготовлении эталонного раствора природного урана, выделенного из руды уранового месторождения Окло, Габон (рис. 4.4), обнаружили отклонение изотопного состава урана от обычного: 235и оказалось 0,7171% вместо 0,7202%. На протяжении следующих шести недель экстренно проанализировали еще 350 образцов и выявили, что из этого африканского месторождения во Францию доставляется урановая руда, обедненная изотопом 235Г1. Оказалось, что за полтора года из рудника поступило 700 т обедненного урана, и общая недостача 23:>и в сырье, поступившем на атомные заводы Франции, составила 200 кг.

Французские исследователи (Р. Бодю, М. Нелли и др.) срочно опубликовали сообщение, что ими обнаружен природный ядерный реактор. Затем во многих журналах были приведены результаты всестороннего изучения необычного месторождения Окло.

Приблизительно 2 млрд 600 млн лет назад (Архейская эра) на территории нынешнего Габона и сопредельных с ним африканских государств образовалась огромная гранитная плита протяженностью во много десятков километров. Эту дату определили с помощью радиоактивных часов — по накоплению аргона из калия, стронция — из рубидия, свинца — из урана.

В течение последующих 500 млн лет эта глыба разрушалась, превращаясь в песок и глину. Они смывались реками и в виде осадков, насыщенных органическим веществом, слоями оседали в дельте древней громадной реки. За десятки миллионов лет толщи осадков настолько увеличились, что нижние слои оказались на глубине в несколько километров. Сквозь них просачивались подземные воды, в которых были растворены соли, в том числе немного солей уранила (ион иОу+). В слоях, насыщенных органическим веществом, были условия для восстановления шестивалентного урана в четырехвалентный, который и выпадал в осадок. Постепенно много тысяч тонн урана отложилось в виде рудных «линз» размером в десятки метров. Содержание урана в руде достигло 30, 40, 50% и продолжало расти.

В какой-то момент сложились все условия, необходимые для начала цепной реакции, о которых рассказано выше, и природный реактор заработал. Концентрация изотопа 235и составляла в то время 4,1%. В сотни миллионов раз вырос поток нейтронов. Это привело не только к выгоранию 23эи, месторождение Окло оказалось скопищем многих изотопных аномалий. В результате работы природного

Расположение природного ядерного реактора

Рис. 4.4. Расположение природного ядерного реактора

реактора образовалось около 6 т продуктов деления и 2,5 т плутония. Основная масса радиоактивных отходов «захоронена» внутри кристаллической структуры минерала уранита, который обнаружен в теле руд Окло.

Оказалось, что природный реактор работал приблизительно 500 тыс. лет. По выгоранию изотопов была рассчитана и энергия, вырабатываемая природным реактором, — 13000000 кВт, в среднем всего 25 кВт/ч: в 200 раз меньше, чем у первой в мире АЭС, давшей в 1954 г. электроэнергию подмосковному городу Обнинску. Этой энергии, однако, хватило, чтобы температура месторождения Окло достигла 400—600 °С. Ядерных взрывов в месторождении не было. Это, вероятно, объясняется тем, что природный реактор Окло был саморегулирующимся. Когда Кр нейтронов приближался к единице, температура повышалась, и вода — замедлитель нейтронов — уходила из зоны реакции. Реактор останавливался, остывал, и вода снова насыщала руду — опять возобновлялась цепная реакция. Время периодической работы реактора до остановки — около 30 мин, время остывания реактора — 2,5 ч.

В настоящее время образование природного ядерного реактора на Земле невозможно, но ведутся поиски остатков других природных ядерных реакторов.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >