1°23′40″ ю. ш. 13°09′39″ в. д.HGЯO

Природный ядерный реактор в Окло

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Это старая версия этой страницы, сохранённая 82.193.98.173 (обсуждение) в 17:31, 29 августа 2013 ("целенаправленный удар" предполагает что его кто-то направил :)). Она может серьёзно отличаться от текущей версии.
Перейти к навигации Перейти к поиску
Геологический разрез естественного ядерного реактора Окло
1. Зоны деления
2. Песчаник
3. Слой урановой руды
4. Гранит

Природный ядерный реактор в Окло — несколько рудных тел в урановом месторождении Окло в Габоне, в которых около 1,8 млрд лет назад[1] происходила самопроизвольная цепная реакция деления ядер урана. В настоящее время реакция прекратилась из-за истощения запасов изотопа 235U подходящей концентрации.

Феномен был обнаружен французским физиком Франсисом Перреном[фр.] в 1972 году в результате изучения изотопного состава элементов в рудах месторождения Окло. Природные условия, при которых возможно протекание самоподдерживающейся реакции ядерного деления, предсказаны Полом Кадзуо Куродой (англ. Paul Kazuo Kuroda) в 1956 году[2] и оказались близкими к реальности.

Рудные тела, в которых происходила цепная реакция, представляют собой залегающие в пористом песчанике линзовидные образования из уранинита (UO2) диаметром порядка 10 м и толщиной от 20 до 90 см; содержание урана в них составляло от 20 до 80 % (по массе). Идентифицированы 16 индивидуальных реакторов в трёх различных частях месторождения: в Окло, в Окелобондо (Okelobondo, 1,6 км от Окло) и в Бангомбе (Bangombe, 20 км к югу от Окло). Все 16 рудных тел объединяют под общим названием «Природный ядерный реактор Окло».

Окло — единственный известный на Земле естественный ядерный реактор. Цепная реакция началась здесь около 2 млрд. лет назад и продолжалась в течение нескольких сотен тысяч лет. Средняя тепловая мощность реактора составляла около 100 кВт[3][4]. И хотя природные цепные реакции в настоящее время невозможны из-за низкого процента урана-235 в урановых месторождениях вследствие естественного радиоактивного распада, но естественные ядерные реакторы могли существовать более миллиарда лет назад в эпохи более высокой концентрации урана-235 (например, два миллиарда лет назад концентрация урана-235 составляла 3,7 %, 3 млрд лет — 8,4 %, а 4 млрд лет — 19,2 %)[5].

История

В мае 1972 года на урановой обогатительной фабрике в Пьерлате[фр.] (Франция) во время обычного масс-спектрометрического анализа гексафторида урана UF6 из Окло было обнаружено отклонение от нормы изотопного состава урана. Содержание изотопа 235U составило 0,717 % вместо обычных 0,720 %. Это расхождение требовало объяснения, так как все ядерные объекты подвергаются жёсткому контролю с целью недопущения нелегального использования расщепляющихся материалов в военных целях. Французский Комиссариат атомной энергетики (CEA) начал расследование. Серия измерений обнаружила значительные отклонения изотопного отношения 235U/238U в нескольких шахтах. В одной из шахт содержание 235U составило 0,440 %. Были обнаружены также аномалии в распределении изотопов неодима и рутения.

Уменьшение концентрации изотопа 235U является характерной чертой отработанного ядерного топлива, так как именно этот изотоп является основным расщепляющимся материалом уранового ядерного реактора. 25 сентября 1972 года CEA объявила об открытии естественной самоподдерживающейся реакции ядерного деления. Следы протекания таких реакций были обнаружены в общей сложности в 16 точках.

Продукты ядерного деления

Неодим

Неодим является одним из элементов, изотопный состав которого в Окло аномален по сравнению с другими территориями. Например, естественный неодим содержит 27 % изотопа 142Nd, тогда как в Окло он составляет всего 6 %. В то же время руды Окло содержали больше изотопа 143Nd. Такой изотопный состав характерен для продуктов распада 235U.

Рутений

Похожие аномалии изотопного состава в Окло наблюдаются для рутения. Изотоп 99Ru обнаруживается в больших количествах, чем в естественных условиях (27-30 % вместо 12,7 %). Аномалию можно объяснить распадом 99Tc → 99Ru. Изотоп 100Ru обнаруживается в меньших количествах, так как он получается в результате чрезвычайно медленного распада 100Mo → 100Ru, который со времени существования цепной реакции не успел накопить достаточного количества продуктов.

  • Изотопный состав неодима в естественной среде и в продуктах распада 235U
    Изотопный состав неодима в естественной среде и в продуктах распада 235U
  • Изотопный состав рутения в естественной среде и в продуктах распада 235U
    Изотопный состав рутения в естественной среде и в продуктах распада 235U

Механизм образования

Реактор возник в результате затопления пористых богатых ураном пород грунтовыми водами, которые выступили в качестве замедлителей нейтронов. Тепло, выделявшееся в результате реакции, вызывало кипение и испарение воды, что замедляло или останавливало цепную реакцию. После того, как порода охлаждалась и распадались короткоживущие продукты распада (нейтронные яды), вода конденсировалась, и реакция возобновлялась. Этот циклический процесс продолжался несколько сот тысяч лет.

При делении урана среди продуктов деления образуются пять изотопов ксенона. Все пять изотопов в варьирующихся концентрациях были обнаружены в породах природного реактора. Изотопный состав выделенного из пород ксенона позволяет рассчитать, что типичный цикл работы реактора составлял примерно 3 часа: около 30 минут критичности и 2 часа 30 минут охлаждения[6].

Ключевой фактор, сделавший возможной работу реактора, — это примерно 3,7%-ное изотопное содержание 235U в природном уране в те времена. Это изотопное содержание сравнимо с содержанием урана в низкообогащённом ядерном топливе, используемoм в большинстве современных энергетических ядерных реакторов. (Оставшиеся 96 % составляет 238U, не подходящий для реакторов на тепловых нейтронах). Поскольку уран-235 имеет период полураспада лишь 0,7 млрд лет (значительно короче, чем уран-238), современная распространённость урана-235 составляет лишь 0,72 %, чего недостаточно для работы реактора с легководным замедлителем без предварительного изотопного обогащения. Таким образом, в настоящее время образование природного ядерного реактора на Земле невозможно.

Урановое месторождение Окло — единственное известное место, где существовал природный ядерный реактор. Другие богатые урановые рудные тела тоже имели достаточное количество урана для самоподдерживающейся цепной реакции деления в то время, но комбинация физических условий в Окло (в частности, наличие воды как замедлителя нейтронов, и пр.) была уникальной.

Ещё одним фактором, который, вероятно, способствовал началу реакции в Окло именно 2 млрд лет назад, а не ранее, был рост содержания кислорода в атмосфере Земли[4]. Уран хорошо растворяется в воде лишь в присутствии кислорода, поэтому в земной коре перенос и концентрация урана подземными водами, формирующими богатые рудные тела, стали возможными только после достижения достаточного содержания свободного кислорода.

По оценке, в реакциях деления, проходивших в урановых минеральных образованиях размером от сантиметров до метров, выгорело около 5 тонн урана-235. Температуры в реакторе поднимались до нескольких сотен градусов Цельсия. Большинство нелетучих продуктов деления и актиноидов за прошедшие 2 млрд лет диффундировали лишь на сантиметры[4]. Это позволяет исследовать перенос радиоактивных изотопов в земной коре[7].

Связь с постоянной тонкой структуры

Исследования природного реактора в Окло были использованы для проверки вариации фундаментальной физической константы — постоянной тонкой структуры α — в течение последних 2 млрд лет. Малое изменение α вызвало бы существенное изменение скорости некоторых ядерных реакций. В частности, резонансный захват теплового нейтрона ядром 149Sm с образованием 150Sm перестаёт быть возможным уже при небольшом изменении α. Измерение относительного содержания 149Sm/150Sm в минералах Окло позволило установить, что в пределах экспериментальной погрешности значение постоянной тонкой структуры было тем же, что и в наше время[8][9].

Возможный природный ядерный реактор на Марсе

Существуют свидетельства, что большой ядерный реактор сформировался и действовал на Марсе в северном Ацидалийском море (в западном полушарии планеты). Однако, в отличие от земных аналогов, этот естественный реактор был, по-видимому, значительно больше, производил уран-233 из тория, и, судя по всему, разрушился в результате взрыва, выбросив значительное количество радиоактивных веществ на поверхность Марса. По оценкам Д. Бранденбурга, в Ацидалийском море на Марсе около миллиарда лет назад на глубине около километра существовало рудное тело, состоявшее из концентрированного урана, тория и калия. Из-за того, что на Марсе, в отличие от Земли, отсутствует тектоническое движение плит, рудное тело оставалось в целости, и в нем поддерживалась ядерная реакция с выделением тепла. Этот процесс начался примерно миллиард лет назад, когда доля урана-235 в месторождении составляла 3%, и мог быть запущен проникновением в рудное тело подземной воды. Спустя несколько сотен миллионов лет реактор начал вырабатывать ядерное топливо в форме урана-233 и плутония-239 быстрее, чем сжигать его. Сильный поток нейтронов также привел к образованию большого количества радиоактивных изотопов калия.

В какой-то момент реактор перешел в критический режим – вода выкипела, что привело к росту потока нейтронов и запуску самопроизвольной цепной реакции с участием урана-233 и плутония-239. Из-за больших размеров самого рудного тела и его положения на глубине около 1 километра, реакция продолжалась без взрывного разрушения до достаточно высоких степеней выгорания. Высвобождение энергии было катастрофическим и привело к выбросу облака пыли и пепла, как от мощного удара астероида. Это привело к выпадению радиоактивной пыли и обломков на значительной части поверхности планеты, и этот слой был обогащен ураном и торием. Из-за взрыва сформировалась впадина шириной примерно 400 километров в районе Ацидалийского моря. Согласно расчетам Д. Бранденбурга, энергия взрыва была эквивалентна энергии от падения на поверхность 30-километрового астероида. Однако в отличие от астероидного удара очаг взрыва был ближе к поверхности, и впадина, образованная им, была значительно меньше по глубине, чем ударные кратеры. Регион с повышенной концентрацией тория находится на северо-западе Ацидалийского моря в широкой и мелкой впадине. Содержание следов тория и радиоактивных изотопов калия указывает, что ядерная катастрофа произошла несколько сотен миллионов лет назад, в середине или конце Амазонийской эпохи. На эту катастрофу указывает также присутствие возникающих в результате ядерных реакций газов – аргона-40 и ксенона-129 – в атмосфере планеты.

По другой версии, естественный ядерный реактор на Марсе был взорван прямым попаданием гигантского астероида, который пробил дыру в коре Марса, которая повредила его магнитное поле и лишила шансов остаться такой же «голубой планетой», как Земля. Магнитное поле Земли, создаваемое расплавленным железом в ее коре, преломляет излучения, которые в противном случае повредили бы ее атмосферу. Ученые долгое время пытались разгадать, почему на Марсе отсутствует такое поле, пока данные орбитального космического корабля не принесли ответ на этот вопрос. Были выявлены интенсивные магнитные аномалии, повредившие скалы на всей поверхности южного полушария Марса. Похоже, это остатки поля, ранее окружавшего всю планету. Такие аномалии отсутствуют в северном полушарии, что наводит на мысль, что в отдаленном прошлом произошло нечто, изменившее магнитное поле планеты. Это дополняется еще одной странностью Марса: скалы в северном полушарии значительно тоньше, чем в южном. Этот феномен известен как «дихотомия коры».

Примечания

  1. ↑ В различных источниках возраст реактора определён в диапазоне от 2 до 1,8 млрд лет назад.
  2. ↑ Kuroda, P. K. (1956). "On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals". Journal of Chemical Physics. 25: 781—782, 1295—1296. Bibcode:1956JChPh..25..781K. doi:10.1063/1.1743058. {{cite journal}}: Шаблон цитирования имеет пустые неизвестные параметры: |month= and |coauthors= (справка)
  3. ↑ Meshik, A. P. (2005). "The Workings of an Ancient Nuclear Reactor". Scientific American. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |month= игнорируется (справка); Шаблон цитирования имеет пустые неизвестные параметры: |coauthors= (справка)
  4. ↑ 1 2 3 Gauthier-Lafaye, F. (1996). "Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical event" in a geologic system". Geochimica et Cosmochimica Acta. 60 (25): 4831—4852. Bibcode:1996GeCoA..60.4831G. doi:10.1016/S0016-7037(96)00245-1. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |coauthors= игнорируется (|author= предлагается) (справка); Шаблон цитирования имеет пустые неизвестные параметры: |month= (справка)
  5. ↑ [Шуколюков, А. Ю. (1980). "Уран. Природный ядерный реактор". Химия и Жизнь (6): 20—24. {{cite journal}}: Шаблон цитирования имеет пустые неизвестные параметры: |month= and |coauthors= (справка)]
  6. ↑ Meshik, A. P. (2004). "Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon". Physical Review Letters. 93 (18): 182302. Bibcode:2004PhRvL..93r2302M. doi:10.1103/PhysRevLett.93.182302. PMID 15525157. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |coauthors= игнорируется (|author= предлагается) (справка); Шаблон цитирования имеет пустые неизвестные параметры: |month= (справка)
  7. ↑ De Laeter, J. R. (1980). "The Oklo Natural Reactor: Cumulative Fission Yields and Retentivity of the Symmetric Mass Region Fission Products". Earth and Planetary Science Letters. 50: 238—246. Bibcode:1980E&PSL..50..238D. doi:10.1016/0012-821X(80)90135-1. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |coauthors= игнорируется (|author= предлагается) (справка); Шаблон цитирования имеет пустые неизвестные параметры: |month= (справка)
  8. ↑ New Scientist: Oklo Reactor and fine-structure value. June 30, 2004.
  9. ↑ Petrov, Yu. V. (2006). "Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core". Physical Review C. 74 (6): 064610. arXiv:hep-ph/0506186. Bibcode:2006PhRvC..74f4610P. doi:10.1103/PHYSREVC.74.064610. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |coauthors= игнорируется (|author= предлагается) (справка); Шаблон цитирования имеет пустые неизвестные параметры: |month= (справка)

Ссылки


Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Природный_ядерный_реактор_в_Окло&oldid=58017788