Природный ядерный реактор в Окло

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Геологический разрез естественного ядерного реактора Окло
1. Зоны деления
2. Песчаник
3. Слой урановой руды
4. Гранит

Приро́дный я́дерный реа́ктор в О́кло — 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.

Явление было обнаружено 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). Определены 16 одиночных 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 эпохе 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[править | править вики-текст]

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 незаконного 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.

Изотопные признаки ядерного деления[править | править вики-текст]

Изотопные содержания некоторых элементов из середины таблицы Менделеева в рудах Окло демонстрируют существование здесь в прошлом очага деления урана-235.

Неодим[править | править вики-текст]

Изотопный состав неодима в естественной среде (синий) и в продуктах деления 235U (красный)

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. Если из измеренного в Окло изотопного содержания неодима вычесть фоновое (природное, существующее в интактных частях земной коры) содержание, полученный изотопный состав неодима характерен для продуктов деления 235U.

Рутений[править | править вики-текст]

Изотопный состав рутения в естественной среде (синий) и в продуктах деления 235U (красный)

Похожие аномалии изотопного состава в Окло наблюдаются и для рутения. Изотоп 99Ru обнаруживается в бо́льших количествах, чем в естественных условиях (27—30 % вместо 12,7 %). Аномалию можно объяснить распадом 99Tc → 99Ru, так как технеций-99 является относительно короткоживущим (T1/2 = 212 тыс. лет) продуктом деления 235U. Изотоп 100Ru обнаруживается в значительно меньших количествах, обусловленных лишь его природной распространённостью, так как он не возникает при делении урана-235. Его изобар 100Mo, который является продуктом деления и распадается (посредством двойного бета-распада) в 100Ru, имеет слишком длинное время жизни (~1019 лет), чтобы внести какой-либо измеримый вклад в содержание рутения-100 в минералах Окло.

Механизм образования[править | править вики-текст]

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 сотен 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, используемом 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 вариациями фундаментальных констант[править | править вики-текст]

Вскоре после открытия природного реактора в Окло исследования изотопных соотношений в его породах были использованы[8][9] для проверки, изменялись ли фундаментальные физические константы в течение последних 2 млрд лет. В частности, резонансный захват теплового нейтрона ядром 149Sm с образованием 150Sm перестаёт быть возможным уже при небольшом изменении постоянной тонкой структуры α, определяющей силу электромагнитных взаимодействий, и аналогичных констант для сильного и слабого взаимодействия. Измерение относительного содержания 149Sm/150Sm в минералах Окло позволило установить, что в пределах экспериментальной погрешности значение этих констант было тем же, что и в наше время, поскольку скорость захвата тепловых нейтронов самарием-149 не изменилась за истекшие 2 млрд. лет[10][11]. На 2015 год проведены ещё более чувствительные измерения, и считается установленным[12], что во время работы реактора в Окло относительное отличие |Δα/α| постоянной тонкой структуры от современного значения не превосходило 1,1×10−8 с доверительной вероятностью 95%. В предположении линейного изменения α со временем это означает ограничение на скорость годичной вариации постоянной тонкой структуры[12]:

год−1.

Примечания[править | править вики-текст]

  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. DOI:10.1063/1.1743058. Bibcode1956JChPh..25..781K.
  3. Meshik, A. P. (November 2005). «The Workings of an Ancient Nuclear Reactor». Scientific American.
  4. 1 2 3 Gauthier-Lafaye, F.; Holliger, P.; Blanc, P.-L. (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. DOI:10.1016/S0016-7037(96)00245-1. Bibcode1996GeCoA..60.4831G.
  5. Шуколюков, А. Ю. (1980). «Уран. Природный ядерный реактор». Химия и жизнь (6): 20–24.
  6. Meshik, A. P.; et al. (2004). «Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon». Physical Review Letters 93 (18): 182302. DOI:10.1103/PhysRevLett.93.182302. PMID 15525157. Bibcode2004PhRvL..93r2302M.
  7. De Laeter, J. R.; Rosman, K. J. R.; Smith, C. L. (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. DOI:10.1016/0012-821X(80)90135-1. Bibcode1980E&PSL..50..238D.
  8. Shlyakhter A. I. Direct test of the constancy of fundamental nuclear constants (англ.) // Nature. — 1976. — 25 November (vol. 264). — P. 340.
  9. Шляхтер А. И. Прямая проверка постоянства фундаментальных констант по данным о естественном ядерном реакторе Окло // Препринт ЛИЯФ. — 1976. — Сентябрь (№ 260).
  10. New Scientist: Oklo Reactor and fine-structure value. June 30, 2004.
  11. Petrov, Yu. V.; Nazarov A. I., Onegin M. S., Sakhnovsky E. G. (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. DOI:10.1103/PHYSREVC.74.064610. Bibcode2006PhRvC..74f4610P.
  12. 1 2 Edward D. Davis and Leila Hamdan Reappraisal of the limit on the variation in α implied by the Oklo natural fission reactors (англ.) // Phys. Rev. C. — 2015. — Vol. 92. — P. 014319. — DOI:10.1103/PhysRevC.92.014319. — arXiv:1503.06011.

Ссылки[править | править вики-текст]

Координаты: 1°23′40″ ю. ш. 13°09′39″ в. д. / 1.39444° ю. ш. 13.16083° в. д. / -1.39444; 13.16083 (G) (O)