Естествен ядрен реактор. Древен ядрен реактор - природна аномалия или извънземна електроцентрала? Ураново находище ок.

Гатанка, която навява интересни мисли!

Ядреното хранилище е място, където се съхранява отработеното ядрено гориво; има много такива места, разпръснати по цялата Земя. Всички те са построени през последните десетилетия, за да скрият надеждно изключително опасните странични продукти от атомните електроцентрали.

Но човечеството няма нищо общо с едно от гробищата: не е известно кой го е построил и дори кога - учените внимателно оценяват възрастта му на 1,8 милиарда години.

Феноменът Окло

През 1972 г. в развиващо се находище на уран в Окло (Африка, Габон) любознателен лаборант забелязва, че процентното съдържание на U-235 в рудата е с 0,003% под стандарта. Въпреки привидната незначителност на отклонението, за учените това беше спешен случай. Във всички земни уранови руди и дори в проби, доставени от Луната, съдържанието на уран в рудата винаги е 0,7202% поради каква причина руда, съдържаща 0,7171% или дори по-малко, е била извадена от мините в Окло?

Най-вече учените се плашат от неразбираемото, затова през 1975 г. в столицата на Габон Либревил се провежда научна конференция, на която ядрени учени търсят обяснение на феномена.

След много дебати те решиха да считат полето Окло за единствения естествен ядрен реактор на Земята. Естественият реактор, възникнал преди 1,8 милиарда години и горял 500 хиляди години, е изгорял, като рудата е продукт на разпадане. Всички въздъхнаха с облекчение - имаше една мистерия по-малко на Земята.

Алтернативна гледна точка

Но не всички участници в конференцията взеха това решение. Редица учени го нарекоха пресилено и не издържа никаква критика. Те се позоваха на мнението на великия Енрико Ферми, създателят на първия ядрен реактор в света, който винаги е твърдял, че верижната реакция може да бъде само изкуствена - твърде много фактори трябва да съвпадат случайно. Всеки математик ще каже, че вероятността за това е толкова малка, че определено може да се приравни на нула.

Но ако това внезапно се случи и звездите се подредят, както се казва, тогава самоконтролирана ядрена реакция за 500 хиляди години... В атомна електроцентрала няколко души наблюдават работата на реактора денонощно, като постоянно променят работата му режими, предотвратяващи спирането или експлозията на реактора. Най-малката грешка и ще получите Чернобил или Фукушима. И в Окло всичко работеше от само себе си половин милион години?

Най-стабилната версия

Несъгласните с версията за естествен ядрен реактор в габонска мина изложиха собствена теория, според която реакторът Окло е творение на ума. Въпреки това мината в Габон не прилича на ядрен реактор, построен от високотехнологична цивилизация. Алтернативистите обаче не държат на това. Според тях мината в Габон е била хранилище за отработено ядрено гориво.

За тази цел мястото е избрано и подготвено идеално: за половин милион години нито един грам радиоактивно вещество не е проникнало от базалтовия „саркофаг“ в околната среда.

Теорията, че мината Окло е ядрено хранилище, от техническа гледна точка е много по-подходяща от версията за „естествен реактор“. Но докато затваря някои въпроси, тя задава нови. В крайна сметка, ако е имало хранилище с отработено ядрено гориво, значи е имало реактор, откъдето са докарани тези отпадъци. Къде отиде той? И къде отиде самата цивилизация, която построи гробището?

Много от това, което природата ни предлага, само по себе си е все още по-съвършено и по-просто от това, което хората планират да направят, така че изследователите изучават преди всичко това, което природата ни предлага.

Но в това, което ще бъде обсъдено в тази статия, се случи точно обратното.

На 2 декември 1942 г. екип от учени от Чикагския университет, ръководен от Нобеловия лауреат Енрико Ферми, създава първия създаден от човека ядрен реактор. Това постижение се пази в тайна по време на Втората световна война като част от така наречения проект Манхатън за създаване на атомната бомба.

15 години след като човек създаде реактор на делене, учените започнаха да мислят за възможността за съществуването на ядрен реактор, създаден от самата природа. Първата официална публикация по темата е от японския професор Пол Курода (1956 г.), който установява подробни изисквания за всички възможни естествени реактори, ако има такива в природата.

Ученият описва подробно това явление и неговото описание все още се счита за най-доброто (класическо) в ядрената физика:

Приблизителна възрастова граница за образуване на естествен реактор
Необходимата концентрация на уран в него
Необходимото съотношение на изотопите на урана в него е 235 U / 238 U

Въпреки внимателното проучване Пол Курода не можа да намери пример за естествен реактор за своя модел сред наличните находища на уранова руда на планетата.

Малка, но критична подробност, която ученият е пропуснал, е възможността водата да участва като модератор на верижна реакция. Той също така не осъзнава, че някои руди могат да бъдат толкова порести, че да задържат необходимото количество вода, за да забавят скоростта на неутроните и да поддържат реакцията.

Учените твърдяха, че само човек е способен да създаде ядрен реактор, но природата се оказа по-сложна.

Естествен ядрен реактор е открит на 2 юни 1972 г. от френския анализатор Bougiges в югоизточната част на Габон в Западна Африка, точно в тялото на ураново находище.

И ето как се случи откритието.

По време на рутинни спектрометрични изследвания на съотношението на съдържанието на изотопи 235 U/ 238 U в рудата от находището Окло в лабораторията на френския завод за обогатяване на уран Pierrelatte, учен химик откри малко отклонение (0,00717, в сравнение с нормата от 0,00720).

Природата се характеризира със стабилност на изотопния състав на различни елементи. Той е непроменен на цялата планета. В природата, разбира се, има процеси на разпадане на изотопи, но това не е характерно за тежките елементи, тъй като разликата в техните маси не е достатъчна, за да могат тези изотопи да бъдат разделени по време на геохимични процеси. Но в находището Окло изотопният състав на урана е нехарактерен. Тази малка разлика беше достатъчна, за да заинтересува учените.

Веднага се появиха различни хипотези за причините за странното явление. Някои твърдяха, че полето е замърсено с отработено гориво от извънземни космически кораби, други го смятаха за гробище за ядрени отпадъци, които сме „наследили“ от древни високоразвити цивилизации. Въпреки това, подробни изследвания показват, че това необичайно съотношение на уранови изотопи се е образувало естествено.

Това е симулираната история на това „чудо на природата“.

Реакторът е започнал да работи преди около два милиарда години по време на протерозоя. Протерозоят е щедър на открития. Именно в протерозоя са разработени основните принципи на съществуването на живата материя и развитието на живота на Земята. Появяват се първите многоклетъчни организми, които започват да колонизират крайбрежните води, количеството свободен кислород в земната атмосфера достига 1% и се появяват предпоставки за бърз разцвет на живота, настъпва преход от просто делене към полово размножаване.

И сега, в толкова важен момент за Земята, се появява нашият „ядрен природен феномен“.

И все пак е изненадващо, че в света не е открит друг подобен реактор. Въпреки това, според някои съобщения, следи от подобен реактор са открити в Австралия. Това може да се обясни само с факта, че в далечния камбрийски период Африка и Австралия са били едно цяло. Друга фосилизирана реакторна зона също е открита в Габон, но в друго находище на уран - в Банг'омбе, на 35 километра югоизточно от Окло.

На Земята са известни находища на уран на същата възраст, в които обаче не се е случило нищо подобно. Ето само най-известните от тях: Devils Hole и Rainier Meisa в Невада, Pena Blanca в Мексико, Box Canyon в Айдахо, Kaymakli в Турция, Chauvet Cove във Франция, Cigar Lake в Канада и Owens Lake в Калифорния.

Очевидно в протерозоя в Африка са възникнали редица уникални условия, необходими за стартиране на естествен реактор.

Какъв е механизмът на такъв удивителен процес?

Вероятно, първо, в някаква падина, може би в делтата на древна река, се е образувал слой от пясъчник, богат на уранова руда, който лежи върху силно базалтово легло. След друго земетресение, обичайно за онази епоха, базалтовата основа на бъдещия реактор потъва няколко километра, повличайки със себе си уранова жила. Жилата се пропука и подпочвените води проникнаха в пукнатините. В този случай уранът лесно мигрира с вода, съдържаща голямо количество кислород, тоест в окислителна среда.

Наситената с кислород вода си проправя път през дебелината на скалата, измива урана от нея, носи го със себе си и постепенно консумира съдържащия се в нея кислород, за да окисли органичната материя и двувалентното желязо. Когато запасите от кислород са изчерпани, химическата ситуация в дълбините на земята се променя от окислителна към редуцираща. Тогава „пътуването“ на урана приключва: той се отлага в скалите, натрупвайки се в продължение на много хилядолетия. Тогава друг катаклизъм издигна основата до съвременното ниво. Тази схема се следва от много учени, включително и тези, които я предложиха.

Веднага щом масата и дебелината на слоевете, обогатени с уран, достигнаха критични размери, в тях настъпи верижна реакция и „блокът“ започна да работи.

Трябва да се кажат няколко думи за самата верижна реакция, която е следствие от сложни химични процеси, протичащи в „естествен реактор“. Най-лесни за разделяне са ядрата 235 U, които след като абсорбират неутрон, се разделят на два фрагмента на делене и излъчват два или три неутрона. Изхвърлените неутрони могат на свой ред да бъдат погълнати от други уранови ядра, провокирайки увеличаване на разпада.

Такава самоподдържаща се реакция е контролируема, от което са се възползвали хората, създали ядрения реактор. В него контролът се извършва с помощта на контролни пръти (изработени от материали, които абсорбират добре неутрони, например кадмий), спуснати в „горещата зона“. В своя реактор Енрико Ферми използва точно тези кадмиеви пластини, за да регулира ядрената реакция. Реакторът Окло не е бил контролиран от никого в обичайния смисъл на думата.

Верижната реакция е придружена от отделяне на голямо количество топлина, така че досега не беше ясно защо естествените реактори в Габон не експлодират, а реакциите се саморегулират.

Сега учените са уверени, че знаят отговора. Изследователи от Вашингтонския университет смятат, че експлозиите не са се случили поради наличието на планински водоизточници. В различни реактори, създадени от човека, графитът се използва като модератор, необходим за абсорбиране на излъчени неутрони и поддържане на верижна реакция, а в Oklo ролята на модератор на реакцията се играе от вода. Когато водата навлезе в естествения реактор, тя закипя и се изпари, в резултат на което верижната реакция беше временно спряна. Охлаждането на реактора и натрупването на вода отне около два часа и половина, а продължителността на активния период беше около 30 минути, съобщава Nature.

Когато скалата се охлади, водата отново се просмука и започна ядрена реакция. И така, пламвайки и изгасвайки, реакторът, чиято мощност беше около 25 kW (което е 200 пъти по-малко от тази на първата атомна електроцентрала), работи приблизително 500 хиляди години.

В Окло, както и на останалата част от Земята и в Слънчевата система като цяло, преди два милиарда години относителното изобилие на изотопа 235 U в уранова руда е било 3000 на милион атома. Понастоящем естественото изграждане на ядрен реактор на Земята вече не е възможно, тъй като има недостиг на 235 U в естествения уран.

Има и редица условия, които трябва да бъдат изпълнени, за да се задейства естествена реакция на разделяне:

Висока обща концентрация на уран
Ниска концентрация на абсорбери на неутрони
Висока концентрация на забавител
Минимална или критична маса за започване на реакция на делене

В допълнение към факта, че самата природа стартира механизма на естествен реактор, не може да не се тревожи за следващия, може би „най-спешния“ въпрос за световната екология: какво се случи с отпадъците от естествена ядрена „енергийна станция“?

В резултат на работата на естествения реактор са образувани около шест тона продукти на делене и 2,5 тона плутоний. По-голямата част от радиоактивните отпадъци са „погребани“ в кристалната структура на минерала уранит, който беше открит в рудното тяло Окло.

Елементи с неподходящи размери на йонния радиус, които не могат да проникнат през решетката на уран, или се проникват взаимно, или се излугват.

Реакторът Oklinsky „каза“ на човечеството как ядрените отпадъци могат да бъдат погребани по такъв начин, че мястото за погребение да бъде безвредно за околната среда. Има доказателства, че на дълбочина над сто метра, при липса на несвързан кислород, почти всички продукти от ядрени погребения не са излизали извън границите на рудните тела. Записани са само движения на елементи като йод или цезий. Това дава възможност да се направи аналогия между природните процеси и технологичните.

Проблемът с миграцията на плутония привлече най-голямо внимание от еколозите. Известно е, че плутоният се разпада почти изцяло до 235 U, така че постоянното му количество може да означава, че няма излишък на уран не само извън реактора, но и извън уранитните гранули, където плутоният се е образувал по време на дейността на реактора.

Плутоният е доста чужд елемент за биосферата и се намира в минимални концентрации. Заедно с някои в рудата на уранови находища, където впоследствие се разпада, част от плутоний се образува от уран при взаимодействие с неутрони от космически произход. В малки количества уранът може да се намери в природата в различни концентрации в напълно различни природни среди - в гранити, фосфорити, апатити, морска вода, почва и др.

В момента Окло е активно находище на уран. Тези рудни тела, които се намират близо до повърхността, се добиват чрез кариери, а тези в дълбочина се добиват чрез добив.

От седемнадесетте известни в момента изкопаеми реактори, девет са напълно заровени (недостъпни).
Реакторна зона 15 е единственият реактор, който е достъпен през тунел в шахтата на реактора. Останките от Fossil Reactor 15 се виждат ясно като светло сиво-жълта цветна скала, която е съставена главно от уранов оксид.

Светлите ивици в скалите над реактора са кварц, кристализирал от горещи подземни водни извори, циркулирали по време на дейността на реактора и след спирането му.

Но като алтернативна оценка на събитията от онова далечно време можем да посочим и следното мнение, свързано с последствията от работата на естествен реактор. Предполага се, че естественият ядрен реактор може да доведе до множество мутации на живи организми в този регион, по-голямата част от които са изчезнали като нежизнеспособни. Някои палеоантрополози смятат, че именно високата радиация е причинила неочаквани мутации в африканските предци на хората, които са се скитали наблизо и са ги направили хора (!).

Кариера за добив на уранова руда в Габон близо до град Окло

Точно преди 40 години се проведе първата международна конференция, посветена на резултатите от изследването на уникален природен ядрен реактор в югозападната част на Екваториална Африка. Този геоложки феномен е открит в Габон, близо до миньорския град Окло, на 2 юни 1972 г., точно в тялото на находище на уран.

Срок на експлоатация: 500 000 години

Веднъж, докато изследваха уранова мина в Габон, експедиция от френски геолози беше изумена да разбере, че преди около два милиарда години тук е работил истински естествен ядрен реактор. Ето как геоложкото чудо, скрито в старата мина Окло, стана известно на целия свят.

Как са създадени естествените условия за възникване на ядрена верижна реакция? Някога всичко започна с факта, че слой от пясъчник, богат на уранова руда, беше отложен в делтата на реката върху твърдо легло от базалтови скали. В резултат на безкрайна поредица от земетресения базалтовата основа потъва дълбоко в земята. Там на километър дълбочина ураносъдържащият пясъчник се е пропукал и в пукнатините са започнали да се стичат подпочвени води. Минаха стотици милиони години и пясъчният слой отново се издигна на повърхността.

Ядрените инженери обясниха на геолозите, че водата служи като естествен регулатор на верижната реакция. Когато влезе в реактора, веднага закипя и се изпари, в резултат на което „атомният огън“ угасна за известно време.

Охлаждането на реактора и натрупването на вода отне приблизително 2,5 часа, а продължителността на активния период беше около половин час. Когато скалата се охлади, водата отново се просмука и започна ядрена реакция. И така, пламвайки и изгасвайки, реакторът, чиято мощност беше 200 пъти по-малка от тази на първата атомна електроцентрала в Обнинск, работи около половин милион години.

Chicago Woodpile, първият ядрен реактор в света, пуснат през 1942 г

Въпреки значителния период на изследване на африканския геоложки феномен, все още остават някои неразрешени въпроси. И най-важното: как един естествен реактор е оцелял при земетресения и повдигане и спускане на земната кора за половин милион години? В края на краищата е очевидно, че всяко движение на земните слоеве веднага ще промени „обема на работната зона“. В този случай или ядрената реакция веднага ще спре, или ще се случи атомна експлозия, унищожаваща безследно геоложкия феномен...

Междувременно в момента Окло е активно находище на уран. Тези рудни тела, които се намират близо до повърхността, се добиват чрез кариери, а тези в дълбочина се добиват чрез добив.

"Чикаго Woodpile"

На 2 декември 1942 г. екип от физици от Чикагския университет, ръководен от Нобеловия лауреат Енрико Ферми, пуска в действие първия в света ядрен реактор, наречен Chicago Woodpile. 15 години по-късно се появяват първите идеи за възможността за съществуване на ядрен реактор, създаден от самата природа. Един от първите, които развиват хипотезата за природните реактори, е японският физик Пол Курода. Дълго време той безуспешно търси признаци на естествени ядрени реакции в находищата на уранови мини.

Когато беше открит реакторът Окло, се появиха различни хипотези за причините за това странно явление. Някои твърдяха, че полето е замърсено с отработено гориво от извънземни космически кораби, други го смятаха за гробище за ядрени отпадъци, които сме наследили от древни високоразвити цивилизации.

В допълнение към удивителните подробности за функционирането на естествен ядрен реактор, би било много интересно да разберем съдбата на неговите „радиоактивни отпадъци“. Радиохимиците са изчислили, че реакторът Окло е произвел около 6 тона продукти на делене и 2,5 тона плутоний. В същото време по-голямата част от радиоактивните отпадъци се съдържаше в кристалната структура на минерала уранит, в рудните тела на мината Окло.

Естественият реактор ясно демонстрира как могат да бъдат изградени екологично чисти ядрени хранилища. Въпреки това, основното влияние на естествената радиация върху флората и фауната на нашата планета са всички видове мутации.

От маймуна до човек

Естественият реактор в Окло започна да работи в момент, когато на Земята се появиха първите многоклетъчни организми, които веднага започнаха да колонизират топлите резервоари и крайбрежните зони на Световния океан. Доктрината за еволюцията, основана на фундаменталната теория на великия Дарвин, предполага плавен преход от морски растения и животни към сухоземни. Въпреки това, някои палеонтологични находки не се вписват добре в традиционните възгледи, потвърждавайки хипотезите за еволюционните „скокове“ и „скокове“. Някои палеонтолози упорито настояват, че в различни исторически периоди съвсем нови видове живи организми внезапно са се появили сякаш от нищото.

Като алтернативна оценка на събитията от онова далечно време можем да посочим следното мнение, свързано с последствията от работата на естествен реактор. Предполага се, че естественият ядрен реактор може да доведе до множество мутации на живи организми, по-голямата част от които са изчезнали като нежизнеспособни. Някои палеонтолози смятат, че именно високата радиация е причинила неочаквани мутации в африканските маймуни, бродещи наблизо, и е тласнала еволюцията им към съвременните хора.

Мъртва точка и радиационни мутанти

Напълно възможно е в онези далечни времена естествените източници на верижни реакции да са се случвали доста често, така че от време на време не само природните реактори са били включени, но и атомни експлозии. Разбира се, подобно радиационно въздействие трябва по някакъв начин да се отрази в нововъзникващата биосфера на нашата планета. Високата радиация е разрушителна за всеки живот, но в случая с природните реактори ситуацията е много по-сложна. Наистина, в близост до и още повече над реактора трябваше да се образува мъртва точка (спомнете си мистериозните „геопатогенни“ зони), където всяка флора и фауна щеше да бъде унищожена от йонизиращото лъчение на зоната на реактора. Но в краищата на опасната зона нивата на радиация биха могли да обърнат ситуацията - радиацията тук няма да убие, но ще причини поредица от генни мутации.

Урановата руда, добита от мината Окло

Сред радиационните мутанти може да има много необичайни същества, които внасят голямо разнообразие в околната природа и ускоряват еволюционното развитие. Оказва се, че недалеч от естествените източници на радиация трябва да се наблюдава безпрецедентно разнообразие на живот.

Освен това радиационните потоци от естествени реактори и експлозии биха могли да изяснят как е започнал животът на Земята. Еволюционни биолози, биофизици и биохимици отдавна изразяват предпазливи предположения, че е необходим някакъв доста мощен енергиен импулс, за да задейства жизнените процеси в първата клетка. Този поток от външна енергия може да разруши химичните връзки на елементи като въглерод, азот, водород и кислород. След това тези елементи биха могли да реагират един с друг, за да образуват първите сложни органични молекули. Преди това се смяташе, че такъв удар може да произведе импулс от електромагнитна енергия, да речем, под формата на силен разряд на мълния. През последните години обаче идеите стават все по-разпространени, че мощни естествени източници на радиация биха могли да се справят много по-добре от мълния с организирането на такъв енергиен импулс.

Ацидалинен феномен

Наскоро марсоходът Curiosity направи неочаквано откритие. Всичко започна, когато по време на рутинни изследвания марсоходът откри следи от... ядрена пепел на повърхността на Червената планета.

Този мистериозен факт веднага породи хипотезата, че преди няколкостотин милиона години на Марс е станала мащабна ядрена катастрофа. По някакъв начин естествен реактор избухна, покривайки огромни области на планетата с радиоактивен прах и отломки. В този случай основният аргумент е фактът на реализацията на такъв „ядрен сценарий“ на Земята, в Окло.

Вероятно преди около милиард години гигантски ядрен реактор се е формирал и работел в северната част на марсианското Ацидалиево море. Вероятно марсианският реактор не е имал достатъчно ефективен регулатор и един ден е избухнал, освобождавайки значително количество радиоактивни вещества.

Най-вероятно „Ацидалният феномен“ се е намирал на значителна дълбочина, най-малко един километър, където е имало обширно рудно тяло от концентриран уран, торий и калий. Очевидно древният Марс е бил тектонично доста спокойна планета с изключително незначително движение на литосферните плочи. Поради това радиоактивното рудно тяло беше в покой много дълго време и в него протичаха ядрени реакции.

Марсоходът Curiosity откри следи от ядрена пепел на Марс

Изчисленията показват, че марсианска атомна експлозия е сравнима с падане на 30-километров астероид върху повърхността на планетата. Въпреки това, за разлика от сблъсъка с астероид, източникът на експлозията е бил по-близо до повърхността и вдлъбнатината, образувана от него, е била много по-плитка в дълбочина от ударните кратери.

Районът с високи концентрации на торий се намира в северозападната част на морето Ацидалия в широка и плитка падина. Съдържанието на следи от торий и радиоактивни изотопи на калий показва, че ядрена катастрофа се е случила преди няколкостотин милиона години, в средата или в края на амазонската ера. За тази катастрофа говори и наличието в атмосферата на планетата на изотопите аргон-40 и ксенон-129, получени в резултат на ядрени реакции.

Много планетарни учени изразяват големи съмнения относно реалността на марсианска ядрена катастрофа. Така те отбелязват, че настоящите геоложки условия на Марс и Земята не са претърпели драматични промени от хилядолетия. Според геофизици и геохимици особеностите на марсианската повърхност, открити по време на мисията на НАСА, може да са свързани с най-често срещаните геоложки процеси, които нямат ядрена основа.

По време на рутинен анализ на проби от уранова руда беше разкрит много странен факт - процентното съдържание на уран-235 беше под нормата. Природният уран съдържа три изотопа с различни атомни маси. Най-често срещаният е уран-238, най-редкият е уран-234, а най-интересен е уран-235, който поддържа верижна ядрена реакция. Навсякъде - в земната кора, на Луната и дори в метеоритите - атомите на уран-235 съставляват 0,720% от общото количество уран. Но пробите от находището Окло в Габон съдържат само 0,717% уран-235. Това малко несъответствие беше достатъчно, за да предупреди френските учени. По-нататъшни изследвания показаха, че от рудата липсват около 200 кг – достатъчно за направата на половин дузина ядрени бомби.

Открита уранова мина в Окло, Габон, разкрива повече от дузина зони, където някога са протичали ядрени реакции.
Експертите от Френската комисия по атомна енергия бяха озадачени. Отговорът беше 19-годишна статия, в която Джордж У. Уедърил от Калифорнийския университет в Лос Анджелис и Марк Г. Инграм от Чикагския университет предполагат съществуването на естествени ядрени реактори в далечното минало. Скоро Пол К. Курода, химик от университета в Арканзас, идентифицира „необходимите и достатъчни“ условия за спонтанно възникване на самоподдържащ се процес на делене в тялото на ураново находище.

Според неговите изчисления размерът на депозита трябва да надвишава средната дължина на пътя на неутроните, причиняващи делене (около 2/3 метра). Тогава неутроните, излъчени от едно разцепено ядро, ще бъдат погълнати от друго ядро, преди да напуснат урановата вена.

Концентрацията на уран-235 трябва да е доста висока. Днес дори голямо находище не може да стане ядрен реактор, тъй като съдържа по-малко от 1% уран-235. Този изотоп се разпада приблизително шест пъти по-бързо от уран-238, което предполага, че в далечното минало, например преди 2 милиарда години, количеството на уран-235 е било около 3% - приблизително същото като в обогатения уран, използван като гориво в повечето атомни електроцентрали. Също така трябва да има вещество, което може да забави неутроните, излъчвани от деленето на уранови ядра, така че те по-ефективно да предизвикат деленето на други уранови ядра. И накрая, рудната маса не трябва да съдържа забележими количества бор, литий или други така наречени ядрени отрови, които активно абсорбират неутрони и биха предизвикали бързо спиране на всяка ядрена реакция.

Естествени реактори на делене са открити само в сърцето на Африка - в Габон, в Окло и съседните уранови мини в Окелобондо и на мястото на Бунгомбе, разположено на около 35 км.

Изследователите са открили, че условията, създадени преди 2 милиарда години на 16 отделни места както в Окло, така и в съседните уранови мини в Окелобондо, са били много близки до описаното от Курода (вижте „Божественият реактор“, „Светът на науката“, № 1 , 2004). Въпреки че всички тези зони бяха открити преди десетилетия, едва наскоро успяхме най-накрая да разберем какво се случва в един от тези древни реактори.

Проверка със светлинни елементи

Скоро физиците потвърдиха предположението, че намаляването на съдържанието на уран-235 в Окло е причинено от реакции на делене. Безспорни доказателства се появиха от изследването на елементи, произведени по време на деленето на тежко ядро. Концентрацията на продуктите от разлагането се оказа толкова висока, че подобно заключение беше единственото правилно. Преди 2 милиарда години тук е извършена ядрена верижна реакция, подобна на тази, която Енрико Ферми и колегите му блестящо демонстрират през 1942 г.

Физиците от цял свят проучват доказателства за съществуването на естествени ядрени реактори. Учените представиха резултатите от работата си върху "феномена Окло" на специална конференция в столицата на Габон Либревил през 1975 г. На следващата година Джордж А. Коуън, представляващ Съединените щати на тази среща, написа статия за списание Scientific American (вижте „Реактор с естествено делене“ от Джордж А. Коуън, юли 1976 г.).

Cowan обобщи информацията и описа какво се случва на това невероятно място: някои от неутроните, освободени от деленето на уран-235, се улавят от ядрата на по-разпространения уран-238, който се превръща в уран-239 и след излъчване на две електрони става плутоний-239. Така че повече от два тона от този изотоп са били образувани в Окло. Част от плутония след това се разпада, както се вижда от наличието на характерни продукти на делене, което кара изследователите да заключат, че тези реакции трябва да са продължили стотици хиляди години. От използваното количество уран-235 са изчислили количеството отделена енергия – около 15 хиляди MW-години. Според това и други доказателства средната мощност на реактора се оказа по-малка от 100 kW, тоест би била достатъчна за работа на няколко десетки тостера.

Как са възникнали повече от дузина естествени реактори? Как е била осигурена тяхната постоянна сила в продължение на няколкостотин хилядолетия? Защо не са се самоунищожили веднага след като са започнали ядрените верижни реакции? Какъв механизъм осигури необходимото саморегулиране? Дали реакторите са работили непрекъснато или с прекъсвания? Отговорите на тези въпроси не се появиха веднага. И последният въпрос беше хвърлен светлина съвсем наскоро, когато моите колеги и аз започнахме да изучаваме проби от мистериозна африканска руда във Вашингтонския университет в Сейнт Луис.

Разделяне в детайли

Верижните ядрени реакции започват, когато един свободен неутрон удари ядрото на делящ се атом, като например уран-235 (горе вляво). Ядрото се разделя, произвеждайки два по-малки атома и излъчвайки други неутрони, които излитат с висока скорост и трябва да бъдат забавяни, преди да могат да причинят разделяне на други ядра. В находището Окло, точно както в съвременните ядрени реактори с лека вода, модераторът е обикновена вода. Разликата е в системата за управление: атомните електроцентрали използват пръчки, поглъщащи неутрони, докато реакторите на Окло просто се нагряват, докато водата изври.

Какво крие благородният газ?

Работата ни в един от реакторите в Окло беше посветена на анализа на ксенона, тежък инертен газ, който може да остане в капан в минералите милиарди години. Ксенонът има девет стабилни изотопа, които се появяват в различни количества в зависимост от естеството на ядрените процеси. Тъй като е благороден газ, той не реагира химически с други елементи и следователно е лесен за пречистване за изотопен анализ. Ксенонът е изключително рядък, което прави възможно използването му за откриване и проследяване на ядрени реакции, дори ако са се случили преди раждането на Слънчевата система.

Атомите на уран-235 съставляват около 0,720% от естествения уран. Така че, когато работниците откриха, че уранът от кариерата в Окло съдържа малко над 0,717% уран, те бяха изненадани, че тази цифра се различава значително от резултатите от анализа на други проби от уранова руда (по-горе). Очевидно в миналото съотношението на уран-235 към уран-238 е било много по-високо, тъй като полуживотът на уран-235 е много по-кратък. При такива условия става възможна реакция на разделяне. Когато урановите находища в Окло са се образували преди 1,8 милиарда години, естественото съдържание на уран-235 е било около 3%, същото като в горивото на ядрения реактор. Когато Земята се е формирала преди приблизително 4,6 милиарда години, съотношението е било по-голямо от 20%, нивото, при което уранът днес се счита за „оръжеен клас“.

Анализирането на изотопния състав на ксенона изисква масспектрометър, инструмент, който може да сортира атомите по теглото им. Имахме късмет да имаме достъп до изключително точен ксенонов масспектрометър, създаден от Charles M. Hohenberg. Но първо трябваше да извлечем ксенона от нашата проба. Обикновено минерал, съдържащ ксенон, се нагрява над точката си на топене, причинявайки колапс на кристалната структура и вече не може да задържа съдържащия се в него газ. Но за да съберем повече информация, ние използвахме по-фин метод - лазерна екстракция, която ни позволява да стигнем до ксенона в определени зърна и да оставим областите в близост до тях недокоснати.

Обработихме много малки участъци от единствената скала, която имахме от Окло, която беше само 1 mm дебела и 4 mm широка. За прецизно насочване на лазерния лъч използвахме подробната рентгенова карта на обекта на Олга Прадивцева, която също идентифицира съставните му минерали. След екстракцията пречистихме освободения ксенон и го анализирахме в масов спектрометър на Hohenberg, който ни даде броя на атомите на всеки изотоп.

Тук ни очакваха няколко изненади: първо, в богатите на уран минерални зърна нямаше газ. Голяма част от него беше уловена в минерали, съдържащи алуминиев фосфат, който съдържаше най-високата концентрация на ксенон, откривана някога в природата. Второ, извлеченият газ се различава значително по изотопен състав от обикновено образувания в ядрените реактори. В него практически нямаше ксенон-136 и ксенон-134, докато съдържанието на по-леките изотопи на елемента остана същото.

Ксенонът, извлечен от зърна от алуминиев фосфат в пробата на Окло, имаше любопитен изотопен състав (вляво), несъвместим с този, получен от деленето на уран-235 (в центъра), и за разлика от изотопния състав на атмосферния ксенон (вдясно). Трябва да се отбележи, че количествата ксенон-131 и -132 са по-високи, а количествата -134 и -136 по-ниски, отколкото биха се очаквали от деленето на уран-235. Въпреки че първоначално тези наблюдения озадачиха автора, по-късно той осъзна, че те съдържат ключа към разбирането на работата на този древен ядрен реактор.

Каква е причината за подобни промени? Може би това е резултат от ядрени реакции? Внимателният анализ позволи на мен и моите колеги да отхвърлим тази възможност. Разгледахме и физическото сортиране на различни изотопи, което понякога се случва, защото по-тежките атоми се движат малко по-бавно от техните по-леки двойници. Това свойство се използва в заводите за обогатяване на уран за производство на гориво за реактори. Но дори ако природата можеше да приложи подобен процес в микроскопичен мащаб, съставът на сместа от изотопи на ксенон в зърната на алуминиевия фосфат би бил различен от това, което открихме. Например намалението на ксенон-136 (4 атомни единици маса по-тежък), измерено спрямо количеството ксенон-132, би било два пъти по-голямо, отколкото за ксенон-134 (2 атомни единици маса по-тежко), ако физическото сортиране е в действие. Ние обаче не видяхме нищо подобно.

След като анализирахме условията за образуване на ксенон, забелязахме, че нито един от неговите изотопи не е пряк резултат от деленето на урана; всички те са били продукти от разпадането на радиоактивни изотопи на йода, които от своя страна са били образувани от радиоактивен телур и т.н., според известната последователност от ядрени реакции. В същото време различни изотопи на ксенон в нашата проба от Окло се появяват в различни моменти от време. Колкото по-дълго живее определен радиоактивен прекурсор, толкова по-забавено е образуването на ксенон от него. Например, образуването на ксенон-136 започва само минута след началото на самоподдържащото се делене. Час по-късно се появява следващият по-лек стабилен изотоп ксенон-134. След това, няколко дни по-късно, ксенон-132 и ксенон-131 се появяват на сцената. Накрая, след милиони години и дълго след спирането на верижните ядрени реакции, се образува ксенон-129.

Ако находищата на уран в Окло останаха затворена система, ксенонът, натрупан по време на работата на нейните естествени реактори, щеше да запази нормалния си изотопен състав. Но системата не беше затворена, което може да се потвърди от факта, че реакторите в Окло някак си се регулираха. Най-вероятният механизъм включва участието на подпочвените води в този процес, които изкипяват, след като температурата достигне определено критично ниво. Когато водата, която действаше като модератор на неутрони, се изпари, верижните ядрени реакции временно спряха и след като всичко се охлади и достатъчно количество подпочвена вода отново проникна в реакционната зона, деленето можеше да се възобнови.

Тази картина изяснява две важни точки: реакторите могат да работят с прекъсвания (включване и изключване); През тази скала трябва да са преминали големи количества вода, достатъчни да отмият някои от прекурсорите на ксенона, а именно телур и йод. Наличието на вода също помага да се обясни защо по-голямата част от ксенона сега се намира в зърна от алуминиев фосфат, а не в богати на уран скали. Зърната на алуминиевия фосфат вероятно са били образувани от вода, загрята от ядрен реактор, след като се е охладила до приблизително 300°C.

По време на всеки активен период на реактора Oklo и известно време след това, докато температурата остава висока, по-голямата част от ксенона (включително ксенон-136 и -134, които се генерират относително бързо) се отстранява от реактора. Докато реакторът се охлаждаше, прекурсорите на ксенон с по-дълъг живот (тези, които по-късно ще произведат ксенон-132, -131 и -129, които открихме в по-големи количества) се включиха в растящите зърна от алуминиев фосфат. След това, когато повече вода се връща в реакционната зона, неутроните се забавят до желаната степен и реакцията на делене започва отново, причинявайки повторение на цикъла на нагряване и охлаждане. Резултатът беше специфично разпределение на ксенонови изотопи.
Не е напълно ясно какви сили са задържали този ксенон в алуминиевите фосфатни минерали почти половината от живота на планетата. По-специално, защо ксенонът, произведен в даден цикъл на работа на реактора, не е бил изхвърлен през следващия цикъл? Предполага се, че структурата на алуминиевия фосфат е успяла да задържи ксенона, образуван вътре в нея, дори при високи температури.

Опитите да се обясни необичайният изотопен състав на ксенона в Окло изискват разглеждане и на други елементи. Особено внимание беше привлечено от йода, от който се образува ксенон при радиоактивно разпадане. Симулацията на процеса на възникване на продуктите на делене и тяхното радиоактивно разпадане показа, че специфичният изотопен състав на ксенона е следствие от цикличното действие на реактора. Този цикъл е изобразен на три диаграми по-горе.

График за работа в природата

След като беше разработена теорията за появата на ксенон в зърната на алуминиев фосфат, ние се опитахме да приложим този процес в математически модел. Нашите изчисления изясниха много за работата на реактора, а получените данни за изотопите на ксенона доведоха до очакваните резултати. Реакторът Oklo беше "включен" за 30 минути и "изключен" за най-малко 2,5 часа. Някои гейзери функционират по подобен начин: те бавно се нагряват, кипят, освобождавайки част от подпочвените води, повтаряйки този цикъл ден след ден, година след година. По този начин подземните води, преминаващи през находището Окло, могат не само да действат като модератор на неутрони, но и да „регулират“ работата на реактора. Това беше изключително ефективен механизъм, предотвратяващ стопяването или експлозията на структурата в продължение на стотици хиляди години.
Ядрените инженери имат какво да научат от Oklo. Например как да се справят с ядрените отпадъци. Oklo е пример за дългосрочно геоложко хранилище. Затова учените подробно изучават процесите на миграция на продуктите на делене от естествените реактори във времето. Те също така внимателно проучват същата зона на древно ядрено делене на мястото на Бангомбе, на около 35 км от Окло. Реакторът в Bungombe е от особен интерес, тъй като е на по-малки дълбочини, отколкото в Oklo и Okelobondo и доскоро през него течеше повече вода. Такива удивителни обекти подкрепят хипотезата, че много видове опасни ядрени отпадъци могат да бъдат успешно изолирани в подземни хранилища.

Примерът с Окло демонстрира и начин за съхраняване на някои от най-опасните видове ядрени отпадъци. От началото на промишленото използване на ядрената енергия в атмосферата са изхвърлени огромни количества радиоактивни инертни газове (ксенон-135, криптон-85 и др.), генерирани в ядрени инсталации. В природните реактори тези отпадъчни продукти се улавят и задържат милиарди години от минерали, съдържащи алуминиев фосфат.
Древните реактори тип Oklo също могат да повлияят на разбирането на фундаментални физични величини, например физическата константа, означена с буквата α (алфа), свързана с такива универсални величини като скоростта на светлината (вижте „Непостоянни константи“, „В Светът на науката”, № 9, 2005 г.). В продължение на три десетилетия феноменът Окло (2 милиарда години) се използва като аргумент срещу промените в α. Но миналата година Стивън К. Ламоро и Джъстин Р. Торгерсън от Националната лаборатория в Лос Аламос установиха, че тази „константа“ се променя значително.

Дали тези древни реактори в Габон са единствените, образувани някога на Земята? Преди два милиарда години условията, необходими за самоподдържащо се делене, не бяха много редки, така че може би някой ден ще бъдат открити други природни реактори. И резултатите от анализа на ксенона от пробите могат значително да помогнат в това търсене.

„Феноменът Окло ни напомня за изказването на Е. Ферми, който построи първия ядрен реактор, и П.Л. Капица, който независимо твърди, че само човек е способен да създаде нещо подобно. Древен природен реактор обаче опровергава тази гледна точка, потвърждавайки мисълта на Айнщайн, че Бог е по-сложен...”

С.П. Капица

Открита уранова мина в Окло, Габон, разкрива повече от дузина зони, където някога са протичали ядрени реакции.

Експертите от Френската комисия по атомна енергия бяха озадачени. Отговорът беше 19-годишна статия, в която Джордж У. Уедърил от Калифорнийския университет в Лос Анджелис и Марк Г. Инграм от Чикагския университет предполагат съществуването на естествени ядрени реактори в далечното минало. Скоро Пол К. Курода, химик от университета в Арканзас, идентифицира „необходимите и достатъчни“ условия за спонтанно възникване на самоподдържащ се процес на делене в тялото на ураново находище.

Реактори с естествено делене са открити само в сърцето на Африка - в Габон, Окло и съседните уранови мини в Окелобондо и мястото на Бунгомбе, разположено на около 35 км.

Проверка със светлинни елементи

Разделяне в детайли

Какво крие благородният газ?

Работата ни в един от реакторите на Окло се съсредоточи върху анализа на ксенон, тежък инертен газ, който може да остане в капан в минералите милиарди години. Ксенонът има девет стабилни изотопа, които се появяват в различни количества в зависимост от естеството на ядрените процеси. Тъй като е благороден газ, той не реагира химически с други елементи и следователно е лесен за пречистване за изотопен анализ. Ксенонът е изключително рядък, което прави възможно използването му за откриване и проследяване на ядрени реакции, дори ако са се случили преди раждането на Слънчевата система.

Тук ни очакваха няколко изненади: първо, в богатите на уран минерални зърна нямаше газ. По-голямата част от него беше уловена в минерали, съдържащи алуминиев фосфат, който съдържаше най-високата концентрация на ксенон, откривана някога в природата. Второ, извлеченият газ се различава значително по изотопен състав от обикновено образувания в ядрените реактори. В него практически нямаше ксенон-136 и ксенон-134, докато съдържанието на по-леките изотопи на елемента остана същото.

Не е напълно ясно какви сили са задържали този ксенон в алуминиевите фосфатни минерали почти половината от живота на планетата. По-специално, защо ксенонът, произведен в даден цикъл на работа на реактора, не е бил изхвърлен през следващия цикъл? Предполага се, че структурата на алуминиевия фосфат е успяла да задържи ксенона, образуван вътре в нея, дори при високи температури.

Опитите да се обясни необичайният изотопен състав на ксенона в Окло изискват разглеждане и на други елементи. Особено внимание беше привлечено от йода, от който се образува ксенон при радиоактивно разпадане. Симулацията на процеса на образуване на продукти на делене и тяхното радиоактивно разпадане показа, че специфичният изотопен състав на ксенона е следствие от цикличното действие на реактора. Този цикъл е изобразен на три диаграми по-горе.

График за работа в природата

Ядрените инженери имат какво да научат от Oklo. Например как да се справят с ядрените отпадъци. Oklo е пример за дългосрочно геоложко хранилище. Затова учените подробно изучават процесите на миграция на продуктите на делене от естествените реактори във времето. Те също така внимателно проучват същата зона на древно ядрено делене на мястото на Бангомбе, на около 35 км от Окло. Реакторът в Bungombe е от особен интерес, тъй като е на по-малки дълбочини, отколкото в Oklo и Okelobondo и доскоро през него течеше повече вода. Такива удивителни обекти подкрепят хипотезата, че много видове опасни ядрени отпадъци могат да бъдат успешно изолирани в подземни хранилища.

Древните реактори тип Oklo също могат да повлияят на разбирането на фундаментални физични величини, например физическата константа, означена с буквата α (алфа), свързана с такива универсални величини като скоростта на светлината (вижте „Непостоянни константи“, „В Светът на науката”, № 9, 2005 г.). В продължение на три десетилетия феноменът Окло (2 милиарда години) се използва като аргумент срещу промените в α. Но миналата година Стивън К. Ламоро и Джъстин Р. Торгерсън от Националната лаборатория в Лос Аламос установиха, че тази „константа“ се променя значително.

За автора:
Алекс Мешик(Алекс П. Мешик) завършва Физическия факултет на Ленинградския държавен университет. През 1988 г. защитава докторска дисертация в Института по геохимия и аналитична химия на име. В.И. Вернадски. Дисертацията му беше върху геохимията, геохронологията и ядрената химия на благородните газове ксенон и криптон. През 1996 г. Мешик се присъединява към Лабораторията за космически науки във Вашингтонския университет в Сейнт Луис, където в момента изучава благородните газове на слънчевия вятър, събрани и върнати на Земята от космическия кораб Genesis.

Статията е взета от сайта