Ядерный реактор 2 миллиарда лет назад. Что именно это было и как работало?

Когда в мае 1972 года один из сотрудников завода по переработке ядерного топлива во Франции проводил рутинный анализ урана, он даже не осознавал, насколько важным открытием он занимается. На первый взгляд ошибочный анализ подтвердил существование древнего ядерного реактора, расположенного в шахте в Габоне.

  • Существование ядерного реактора возрастом примерно 2 миллиарда лет, обнаруженного случайно при разведке урановых месторождений на руднике Окло в Габоне.
  • Первоначальный анализ показался ученым настолько странным, что они не смогли найти подходящего объяснения своим результатам.
  • Более поздние исследования подтвердили, что в Габонской шахте имел место спонтанный повторяющийся процесс ядерного деления, который длился сотни тысяч лет.
  • Не исключено, что подобных мест в мире еще много, но, к сожалению, найти их уже невозможно.

Когда мы говорим об атомных реакторах, мы обычно имеем в виду реакторы атомных электростанций. Это, конечно, творения человека, к тому же созданное в двадцатом веке. Однако это не означает, что процесс ядерного деления никогда не происходил на Земле раньше. Такое мероприятие состоялось и, чтобы было интереснее, мы никак не способствовали этому. Не потому, что мы этого не хотели, а потому, что человечества еще не существовало

Десятилетия назад такие знания были недоступны, хотя уже появлялись первые теории о возможности спонтанного деления ядер в прошлом. Первыми об этом в 1953 году упомянули Джордж Уэзерилл из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Марк Дж. Ингрэм из Чикагского университета. Они предположили, что некоторые из урановых месторождений, известных в то время, могли функционировать как естественные версии ядерных реакторов в прошлом. Три года спустя Пол К. Курода, химик из Университета Арканзаса, определил, что нужно, чтобы тело, содержащее уран, подверглось самоподдерживающемуся делению .

Сложные условия

Его первым условием было то, что размер залежи урана превышал среднюю длину, пройденную нейтронами, вызывающими деление. Мы знаем, что это расстояние составляет не менее 66 см, потому что только это гарантирует, что нейтроны, испускаемые одним ядром во время деления, будут поглощены другим, прежде чем вырваться из урановой жилы. Вторым условием было наличие урана-235 в достаточном количестве. Проблема в данном случае в том, что мы говорим о высокорадиоактивном изотопе, который распадается в шесть раз быстрее, чем уран-238.. Третий важный элемент — это наличие вещества, которое могло бы замедлить высвобождение нейтронов во время деления ядра урана, чтобы одновременно вызвать распад других ядер. Наконец, упоминается отсутствие примесей в виде значительного количества бора и лития, которые остановили бы любую ядерную реакцию.

Образец урана-235

Как видите, количество условий, необходимых для создания естественного реактора, было очень большим. Описанная теория была почти забыта через несколько лет, и никто не использовал эти знания. Ситуация изменилась в 1972 году, когда были исследованы образцы с месторождения Окло в Габоне. Несмотря на обретение независимости от Франции в 1960 году, это центральноафриканское государство находилось под сильным влиянием Парижа. Это неудивительно, учитывая огромные природные ресурсы и получаемое ими богатство.

Удивительные результаты

Испытанные образцы урана традиционно содержат три разных изотопа: уран-238, уран-234 и уран-235. Первая форма является самой популярной, составляя 99 процентов. весь уран в мире. Поскольку уран-234 не может делиться, в данном случае он не используется. Внимание исследователя и его коллег привлек результат для урана-235 . По умолчанию доля его атомов в образце составляет 0,720 процента. целиком . Эта величина постоянна для всех отложений на Земле и на Луне и даже для метеоритов. Кроме того, он слишком низкий, чтобы вызвать реакцию деления.- по этой причине уран искусственно обогащается в очень сложном процессе с использованием газовой диффузии и центрифуг. В образцах из Габона указанный изотоп составил всего 0,717%. На первый взгляд это незначительное различие, но его наличие вызвало большой резонанс в мире науки.

Соотношение урана-235 и урана-238 не изменилось с момента образования Земли, что является прямым результатом их радиоактивности и распада на другие элементы. Период полураспада первого составляет 700 миллионов лет, а второго — 4,5 миллиарда лет, что говорит нам о том, что в прошлом уран-235 был доступен в гораздо более высоких концентрациях, чем сегодня . Зная это время, можно определить, что около 2 миллиардов лет назад, то есть более или менее во время создания месторождения Окло, его доля составляла более 3%, что уже является величиной, достаточной для осуществления ядерного деления.

Она жила ураном на шахте Окло в Габоне.

Возвращаясь к исследованным образцам, они выявили следовые количества других элементов, которые были внедрены в руду. Их процентное содержание было почти таким же, как в отработанном ядерном топливе, используемом на электростанциях . Физики заметили эту связь, тем самым подтвердив, что на руднике Окло, из которого был получен уран, в какой-то момент в далеком прошлом произошло спонтанное деление ядра. В ходе этого процесса уран-235 был истощен, что отразилось на изменении процентного содержания руды.

О так называемом «Феномен Окло» стал очень громким, а сам рудник активно исследовали, что привело к дальнейшим открытиям. Доказано, что в регионе, где имело место ядерное деление, было как минимум 16 различных объектов . В последующие годы процесс эксплуатации естественных реакторов был подробно описан и был столь же интересен, как и само открытие.

Сложный процесс, поразивший ученых

Около 2,4 миллиарда лет назад содержание кислорода в атмосфере Земли начало быстро увеличиваться, что позволило урану превратиться из нерастворимой формы в оксид. Затем он был растворен в воде, а затем осажден в последовательных слоях песчаника, пока он не стал достаточно концентрированным, чтобы начать цепную реакцию. Ученые говорят, что вышеупомянутая вода , присутствующая в шахте, имела здесь особое значение , благодаря чему нейтроны, выброшенные из яичек, были достаточно замедлены, чтобы быть реабсорбированы другими ядрами. В противном случае вместо деления был бы виден только отскок электронов от атомов.

При делении ядер выделяется огромное количество энергии и, следовательно, тепла. В процессе выкипела вода, присутствующая в пещере, что привело к прекращению реакции. Когда вода вернулась, все началось заново. По словам исследователей, периоды активности и бездействия были очень короткими — первый длился около 30 минут, а второй — не менее 2,5 часов. Что еще более важно, процессы повторялись на протяжении сотен тысяч лет. Мы знаем это, изучив содержание благородного газа ксенона . Ключевым наблюдением было то, что образцы Окло содержали различные изотопы этого элемента, от ксенона 136, который образовался всего через минуту после деления, до ксенонов 132 и 131, образовавшихся через несколько дней, до ксенона 129 через миллионы лет.

Если бы месторождение Окло было закрытой системой, ксенон, накопленный в образцах, сохранял бы стандартный изотопный состав. Однако этого не произошло, о чем свидетельствует испарение воды и реакция повторного деления. Наличие самой воды также подтверждалось тем фактом, что большая часть ксенона была обнаружена не в богатых ураном минералах, а в зернах фосфата алюминия, образовавшихся в результате действия H2O, нагретой ядерной реакцией до 300 градусов.

Габонские реакторы работали до тех пор, пока концентрация урана не стала настолько низкой, что было невозможно инициировать реакцию деления. Ученые даже подсчитали среднюю выходную мощность. Подробные расчеты по этому поводу были представлены Джорджем А. Коуэном , который показал, что часть нейтронов, выделяющихся при делении урана-235, захватывается ураном-238, что приводит к его превращению сначала в уран-239, а затем в плутоний-239. . Залежи последних составили около 2 тонн, и хотя они полностью исчезли, часть из них раскололась . Исходя из этого, было определено, что реакции длились сотни тысяч лет. Кроме того, проверив количество использованного урана-235 Коуэн подсчитал выделившуюся энергию, объем которой превысил 15 тысяч кубометров. мегаватт-годы . Это дает среднюю мощность реактора около 100 киловатт , что смехотворно мало по сравнению с человеческими реакторами.

Ученые полагают, что в прошлом могли быть участки, похожие на шахту в Габоне Окло. К сожалению, найти их может быть сложно из-за тектонических движений земной коры, которые могли вызвать разрушение таких регионов. Однако известно, что исследования изотопов ксенона будут иметь большое значнние в потенциальных поисках. Время покажет, приведут ли они к открытию, аналогичному открытию 1972 года.

Если вас интересуют похожие темы, мы рекомендуем вам подисаться