Přírodní jaderný reaktor. Starověký jaderný reaktor – přírodní anomálie nebo mimozemská elektrárna? Ložisko uranu cca.

Hádanka, která přináší zajímavé myšlenky!

Jaderné úložiště je místo, kde se skladuje vyhořelé jaderné palivo, takových míst je roztroušených po celé Zemi mnoho. Všechny byly postaveny v posledních desetiletích, aby spolehlivě ukryly extrémně nebezpečné vedlejší produkty jaderných elektráren.

S jedním z pohřebišť ale lidstvo nemá nic společného: není známo, kdo jej postavil a dokonce ani kdy - vědci pečlivě odhadují jeho stáří na 1,8 miliardy let.

Fenomén Oklo

V roce 1972 na rozvíjejícím se ložisku uranu v Oklo (Afrika, Gabon) si zvídavý laboratorní asistent všiml, že procento U-235 v rudě je 0,003 % pod normou. Přes zdánlivou bezvýznamnost odchylky to pro vědce byla nouze. Ve všech pozemských uranových rudách a dokonce i ve vzorcích dodaných z Měsíce je obsah uranu v rudě vždy 0,7202 %; z jakého důvodu byla z dolů v Oklo vyvezena ruda obsahující 0,7171 % nebo ještě méně?

Nejvíc ze všeho vědce děsí nepochopitelné, a tak se v roce 1975 v hlavním městě Gabonu Libreville konala vědecká konference, na které jaderní vědci hledali vysvětlení jevu.

Po dlouhých debatách se rozhodli považovat ložisko Oklo za jediný přírodní jaderný reaktor na Zemi. Přírodní reaktor, který vznikl před 1,8 miliardami let a hořel 500 tisíc let, vyhořel, přičemž ruda byla produktem rozkladu. Všichni si oddechli – na Zemi bylo o jednu záhadu méně.

Alternativní úhel pohledu

Ale ne všichni účastníci konference se takto rozhodli. Řada vědců to označila za přitažené za vlasy a neobstojí v žádné kritice. Opírali se o názor velkého Enrica Fermiho, tvůrce prvního jaderného reaktoru na světě, který vždy tvrdil, že řetězová reakce může být pouze umělá – příliš mnoho faktorů se musí náhodně shodovat. Každý matematik řekne, že pravděpodobnost toho je tak malá, že ji lze rozhodně rovnat nule.

Ale kdyby se to náhle stalo a hvězdy by se srovnaly, jak se říká, pak samořízená jaderná reakce na 500 tisíc let... V jaderné elektrárně několik lidí nepřetržitě sleduje chod reaktoru a neustále mění jeho provozní režimy, které zabraňují zastavení nebo explozi reaktoru. Sebemenší chyba a dostanete Černobyl nebo Fukušimu. A v Oklo vše fungovalo samo o sobě půl milionu let?

Nejstabilnější verze

Ti, kteří nesouhlasí s verzí přírodního jaderného reaktoru v gabonském dole, předložili vlastní teorii, podle níž je reaktor Oklo výtvorem mysli. Důl v Gabonu však méně připomíná jaderný reaktor, který postavila high-tech civilizace. Na tom však alternativci netrvají. Podle jejich názoru byl důl v Gabonu úložištěm vyhořelého jaderného paliva.

Pro tento účel bylo místo vybráno a připraveno ideálně: za půl milionu let nepronikl do prostředí z čedičového „sarkofágu“ ani gram radioaktivní látky.

Teorie, že důl Oklo je jaderné úložiště, je z technického hlediska mnohem vhodnější než verze „přírodní reaktor“. Ale zatímco uzavírá některé otázky, pokládá nové. Ostatně pokud tam bylo úložiště s vyhořelým jaderným palivem, tak tam byl reaktor, odkud se tento odpad přivážel. Kam šel? A kam se poděla samotná civilizace, která pohřebiště vybudovala?

Mnohé z toho, co nám příroda nabízí, je samo o sobě ještě dokonalejší a jednodušší než to, co člověk plánuje udělat, a tak vědci zkoumají především to, co nám příroda nabízí.

Ale v tom, o čem bude řeč v tomto článku, se stal pravý opak.

2. prosince 1942 vytvořil tým vědců z Chicagské univerzity pod vedením nositele Nobelovy ceny Enrica Fermiho první umělý jaderný reaktor. Tento úspěch byl držen v tajnosti během druhé světové války v rámci takzvaného Manhattanského projektu na vytvoření atomové bomby.

15 let poté, co člověk vytvořil štěpný reaktor, začali vědci přemýšlet o možnosti existence jaderného reaktoru vytvořeného samotnou přírodou. První oficiální publikací na toto téma byl japonský profesor Paul Kuroda (1956), který stanovil podrobné požadavky na všechny možné přírodní reaktory, pokud nějaké v přírodě existují.

Vědec tento jev podrobně popsal a jeho popis je dodnes považován za nejlepší (klasický) v jaderné fyzice:

Přibližné věkové rozmezí pro vznik přirozeného reaktoru
Požadovaná koncentrace uranu v něm
Požadovaný poměr izotopů uranu v něm je 235 U / 238 U

Navzdory pečlivému výzkumu nemohl Paul Kuroda najít příklad přírodního reaktoru pro svůj model mezi ložisky uranové rudy dostupnými na planetě.

Malý, ale kritický detail, který vědci přehlédl, je možnost účasti vody jako moderátoru řetězové reakce. Také si neuvědomil, že určité rudy mohou být tak porézní, že zadržují potřebné množství vody ke zpomalení rychlosti neutronů a podpoře reakce.

Vědci tvrdili, že pouze člověk je schopen vytvořit jaderný reaktor, ale příroda se ukázala být sofistikovanější.

Přírodní jaderný reaktor objevil 2. června 1972 francouzský analytik Bougiges na jihovýchodě Gabonu v západní Africe přímo v tělese uranového ložiska.

A takto došlo k objevu.

Během rutinních spektrometrických studií poměru obsahu izotopů 235 U/ 238 U v rudě z ložiska Oklo v laboratoři francouzského závodu na obohacování uranu Pierrelatte objevil chemický vědec malou odchylku (0,00717 oproti normě 0,00720).

Příroda se vyznačuje stabilitou izotopového složení různých prvků. Na celé planetě se nemění. V přírodě samozřejmě dochází k procesům rozpadu izotopů, ale to není pro těžké prvky typické, protože rozdíl v jejich hmotnostech není dostatečný k tomu, aby se tyto izotopy při jakýchkoli geochemických procesech rozdělily. Ale v ložisku Oklo bylo izotopové složení uranu necharakteristické. Tento malý rozdíl stačil k tomu, aby vědce zaujal.

O příčinách podivného jevu se okamžitě objevily různé hypotézy. Někteří tvrdili, že pole bylo kontaminováno vyhořelým palivem z mimozemských kosmických lodí, jiní je považovali za pohřebiště jaderného odpadu, který jsme „zdědili“ od starověkých vysoce rozvinutých civilizací. Podrobné studie však ukázaly, že tento neobvyklý poměr izotopů uranu vznikl přirozeně.

Toto je simulovaná historie tohoto „zázraku přírody“.

Reaktor začal fungovat asi před dvěma miliardami let během prvohor. Proterozoikum je štědré na objevy. Právě v proterozoiku byly vyvinuty základní principy existence živé hmoty a vývoje života na Zemi. Objevily se první mnohobuněčné organismy a začaly kolonizovat pobřežní vody, množství volného kyslíku v zemské atmosféře dosáhlo 1% a objevily se předpoklady pro rychlý rozkvět života, nastal přechod od prostého dělení k pohlavnímu rozmnožování.

A nyní, v tak důležité době pro Zemi, se objevuje náš „jaderný přírodní fenomén“.

Přesto je překvapivé, že žádný jiný podobný reaktor na světě nebyl nalezen. Podle některých zpráv však byly stopy podobného reaktoru nalezeny v Austrálii. To lze vysvětlit pouze tím, že ve vzdáleném kambriu byly Afrika a Austrálie jediným celkem. Další zóna zkamenělých reaktorů byla objevena také v Gabonu, ale v jiném uranovém ložisku – v Bang'ombe, 35 kilometrů jihovýchodně od Okla.

Na Zemi jsou známá ložiska uranu stejného stáří, ve kterých se však nic podobného nestalo. Zde jsou jen ty nejznámější z nich: Devils Hole a Rainier Meisa v Nevadě, Pena Blanca v Mexiku, Box Canyon v Idahu, Kaymakli v Turecku, Chauvet Cove ve Francii, Cigar Lake v Kanadě a Owens Lake v Kalifornii.

Zřejmě v proterozoiku v Africe vznikla řada unikátních podmínek nutných pro spuštění přírodního reaktoru.

Jaký je mechanismus takového úžasného procesu?

Pravděpodobně nejprve v nějaké proláklině, snad v deltě dávné řeky, vznikla vrstva pískovce bohatá na uranovou rudu, která spočívala na silném čedičovém loži. Po dalším zemětřesení, běžném v té době, se čedičový základ budoucího reaktoru potopil několik kilometrů a vytáhl s sebou uranovou žílu. Žíla praskla a do puklin pronikla spodní voda. V tomto případě uran snadno migruje s vodou obsahující velké množství kyslíku, tedy v oxidačním prostředí.

Voda nasycená kyslíkem si razí cestu tloušťkou horniny, vyplavuje z ní uran, nese ho s sebou a postupně spotřebovává v ní obsažený kyslík na oxidaci organické hmoty a dvojmocného železa. Po vyčerpání zásob kyslíku se chemická situace v hlubinách země změní z oxidační na redukční. „Cesta“ uranu pak končí: ukládá se v horninách a hromadí se po mnoho tisíciletí. Pak další kataklyzma povýšila základy na moderní úroveň. Toto schéma následuje mnoho vědců, včetně těch, kteří jej navrhli.

Jakmile hmotnost a tloušťka vrstev obohacených uranem dosáhla kritické velikosti, došlo v nich k řetězové reakci a „jednotka“ začala pracovat.

Je třeba říci několik slov o samotné řetězové reakci, která je důsledkem složitých chemických procesů probíhajících v „přírodním reaktoru“. Nejsnáze se štěpí jádra 235 U, která se po pohlcení neutronu rozdělí na dva fragmenty štěpení a emitují dva nebo tři neutrony. Vyvržené neutrony mohou být zase absorbovány jinými jádry uranu, což vyvolává nárůst rozpadu.

Taková samoudržující reakce je ovladatelná, čehož využili lidé, kteří vytvořili jaderný štěpný reaktor. V něm se regulace provádí pomocí regulačních tyčí (vyrobených z materiálů, které dobře absorbují neutrony, například kadmium), spuštěných do „horké zóny“. Enrico Fermi ve svém reaktoru použil přesně tyto kadmiové desky k regulaci jaderné reakce. Reaktor Oklo neřídil nikdo v obvyklém slova smyslu.

Řetězová reakce je doprovázena uvolňováním velkého množství tepla, takže až dosud nebylo jasné, proč přírodní reaktory v Gabonu nevybuchly, a reakce se samy regulovaly.

Nyní jsou vědci přesvědčeni, že znají odpověď. Vědci z Washingtonské univerzity se domnívají, že k výbuchům nedošlo kvůli přítomnosti horských zdrojů vody. V různých reaktorech vytvořených člověkem se jako moderátor používá grafit, nezbytný k pohlcování emitovaných neutronů a udržování řetězové reakce, a v Oklo roli moderátora reakce hrála voda. Když voda vstoupila do přírodního reaktoru, vařila a odpařovala se, v důsledku čehož byla řetězová reakce dočasně pozastavena. Chlazení reaktoru a akumulace vody trvalo asi dvě a půl hodiny a aktivní období trvalo asi 30 minut, uvádí Nature.

Když se skála ochladila, voda znovu prosákla a spustila jadernou reakci. A tak, vzplanutí a vyhasnutí reaktoru, jehož výkon byl asi 25 kW (což je 200krát méně než výkon úplně první jaderné elektrárny), fungoval přibližně 500 tisíc let.

V Oklo, stejně jako na zbytku Země a ve sluneční soustavě jako celku, bylo před dvěma miliardami let relativní množství izotopu 235 U v uranové rudě 3000 na milion atomů. V současné době již není vznik jaderného reaktoru na Zemi přirozeně možný, protože v přírodním uranu je nedostatek 235 U.

Existuje také řada podmínek, které musí být splněny, aby se spustila přirozená štěpící reakce:

Vysoká celková koncentrace uranu
Nízká koncentrace absorbérů neutronů
Vysoká koncentrace retardéru
Minimální nebo kritická hmotnost pro zahájení štěpné reakce

Kromě toho, že sama příroda spustila mechanismus přírodního reaktoru, nelze se starat o další, možná „nejnaléhavější“ otázku pro světovou ekologii: co se stalo s odpadem přírodní jaderné „energetické stanice“?

V důsledku provozu přírodního reaktoru vzniklo asi šest tun štěpných produktů a 2,5 tuny plutonia. Převážná část radioaktivního odpadu je „pohřbena“ uvnitř krystalické struktury uranitového minerálu, který byl objeven v rudním tělese Oklo.

Prvky nevhodných velikostí iontového poloměru, které nemohou proniknout uranitovou mřížkou, se buď vzájemně pronikají, nebo jsou vyluhovány.

Reaktor Oklinsky „řekl“ lidstvu, jak lze jaderný odpad pohřbít tak, aby pohřebiště bylo neškodné pro životní prostředí. Existují důkazy, že v hloubce přes sto metrů, při absenci nevázaného kyslíku, téměř všechny produkty jaderných pohřbů nepřesáhly hranice rudných těles. Byly zaznamenány pouze pohyby prvků, jako je jód nebo cesium. To umožňuje nakreslit analogii mezi přírodními procesy a technologickými.

Největší pozornost ekologů přitahuje problém migrace plutonia. Je známo, že plutonium se rozpadá téměř celé na 235 U, takže jeho konstantní množství může naznačovat, že není přebytek uranu nejen mimo reaktor, ale ani mimo uranitové granule, kde plutonium vzniklo během činnosti reaktoru.

Plutonium je pro biosféru dosti cizí prvek a nachází se v nepatrných koncentracích. Spolu s některými v rudách uranových ložisek, kde se následně rozkládá, vzniká z uranu při interakci s neutrony kosmického původu i plutonium. V malém množství se uran v přírodě vyskytuje v různých koncentracích ve zcela odlišných přírodních prostředích – v granitech, fosforitech, apatitech, mořské vodě, půdě atd.

V současné době je Oklo aktivním ložiskem uranu. Ta rudní tělesa, která se nacházejí blízko povrchu, se těží lomem a ta hlubinná se těží těžbou.

Ze sedmnácti v současnosti známých fosilních reaktorů je devět zcela pohřbeno (nepřístupných).
Oblast reaktoru 15 je jediný reaktor, který je přístupný tunelem v šachtě reaktoru. Pozůstatky fosilního reaktoru 15 jsou jasně viditelné jako světle šedožlutá barevná hornina, která se skládá převážně z oxidu uranu.

Světlé pruhy v horninách nad reaktorem jsou křemeny, které vykrystalizovaly z horkých podzemních vodních pramenů, které cirkulovaly během činnosti reaktoru a po jeho zániku.

Jako alternativní hodnocení událostí oné vzdálené doby však můžeme uvést i následující názor související s důsledky provozu přírodního reaktoru. Předpokládá se, že přirozený jaderný reaktor by mohl vést k četným mutacím živých organismů v této oblasti, z nichž velká většina vyhynula jako neživotaschopná. Někteří paleoantropologové se domnívají, že právě vysoká radiace způsobila nečekané mutace u afrických předků lidí, kteří se potulovali poblíž a udělali z nich lidi (!).

Lom na těžbu uranové rudy v Gabonu u města Oklo

Přesně před 40 lety se konala první mezinárodní konference věnovaná výsledkům studia unikátního přírodního jaderného reaktoru na jihozápadě rovníkové Afriky. Tento geologický úkaz byl objeven v Gabonu poblíž hornického města Oklo 2. června 1972 přímo v tělese uranového ložiska.

Životnost: 500 000 let

Jednou při zkoumání uranového dolu v Gabonu expedice francouzských geologů s úžasem zjistila, že zhruba před dvěma miliardami let zde fungoval skutečný přírodní jaderný reaktor. Tak se o geologickém zázraku ukrytém ve starém dole Oklo dozvěděl celý svět.

Jak byly vytvořeny přirozené podmínky pro vznik jaderné řetězové reakce? Kdysi to všechno začalo tím, že v deltě řeky se na pevném loži čedičových hornin uložila vrstva pískovce bohatého na uranovou rudu. V důsledku nekonečné série zemětřesení se čedičový základ propadl hluboko do země. Tam v hloubce kilometru uranonosný pískovec popraskal a do puklin začala proudit spodní voda. Uplynuly stovky milionů let a vrstva písku opět vystoupila na povrch.

Jaderní inženýři vysvětlili geologům, že voda sloužila jako přirozený regulátor řetězové reakce. Když vstoupil do reaktoru, okamžitě se uvařil a odpařil, v důsledku čehož „atomový oheň“ na chvíli zhasl.

Chlazení reaktoru a akumulace vody trvalo přibližně 2,5 hodiny a trvání aktivní periody bylo přibližně půl hodiny. Když se skála ochladila, voda znovu prosákla a spustila jadernou reakci. A tak reaktor, jehož výkon byl 200krát menší než výkon první jaderné elektrárny v Obninsku, se rozhořel a vyhasl, pracoval asi půl milionu let.

Chicago Woodpile, první jaderný reaktor na světě, byl spuštěn v roce 1942

Přes značnou dobu výzkumu afrického geologického fenoménu stále zůstávají některé nevyřešené otázky. A hlavní věc: jak přírodní reaktor přežil zemětřesení a zvedání a snižování zemské kůry po dobu půl milionu let? Je přece zřejmé, že jakýkoli pohyb zemských vrstev by okamžitě změnil „objem pracovní zóny“. V tomto případě by se buď okamžitě zastavila jaderná reakce, nebo by došlo k atomovému výbuchu, který geologický jev beze zbytku zničí...

Mezitím je Oklo v současnosti aktivním ložiskem uranu. Ta rudní tělesa, která se nacházejí blízko povrchu, se těží lomem a ta hlubinná se těží těžbou.

"Chicago Woodpile"

2. prosince 1942 spustil tým fyziků z Chicagské univerzity pod vedením nositele Nobelovy ceny Enrica Fermiho první jaderný reaktor na světě nazvaný Chicago Woodpile. O 15 let později se objevily první myšlenky o možnosti existence jaderného reaktoru vytvořeného samotnou přírodou. Jedním z prvních, kdo vyvinul hypotézu o přírodních reaktorech, byl japonský fyzik Paul Kuroda. Dlouho neúspěšně pátral po známkách přirozených jaderných reakcí v ložiskách uranových dolů.

Když byl objeven reaktor Oklo, vyvstaly různé hypotézy o příčinách tohoto podivného jevu. Někteří tvrdili, že pole bylo kontaminováno vyhořelým palivem z mimozemských kosmických lodí, jiní je považovali za pohřebiště jaderného odpadu, který jsme zdědili od starověkých vysoce rozvinutých civilizací.

Kromě úžasných detailů fungování přírodního jaderného reaktoru by bylo velmi zajímavé znát i osud jeho „radioaktivního odpadu“. Radiochemici odhadují, že reaktor Oklo vyprodukoval asi 6 tun štěpných produktů a 2,5 tuny plutonia. Zároveň byla převážná část radioaktivního odpadu obsažena v krystalické struktuře uranitového minerálu v rudních tělesech dolu Oklo.

Přírodní reaktor jasně demonstroval, jak lze stavět ekologicky šetrná jaderná úložiště. Hlavním vlivem přirozeného záření na flóru a faunu naší planety jsou však nejrůznější mutace.

Od opice k člověku

Přírodní reaktor v Oklo začal fungovat v době, kdy se na Zemi objevily první mnohobuněčné organismy, které okamžitě začaly kolonizovat teplé nádrže a pobřežní zóny Světového oceánu. Evoluční doktrína, založená na základní teorii velkého Darwina, předpokládá hladký přechod od mořských rostlin a živočichů k pozemským. Některé paleontologické nálezy však neodpovídají tradičním názorům a potvrzují hypotézy o evolučních „skocích“ a „skocích“. Někteří paleontologové tvrdošíjně trvají na tom, že v různých historických obdobích se najednou jakoby z ničeho nic objevily zcela nové druhy živých organismů.

Jako alternativní hodnocení událostí oné vzdálené doby lze uvést následující názor související s důsledky provozu přírodního reaktoru. Předpokládá se, že přirozený jaderný reaktor by mohl vést k četným mutacím živých organismů, z nichž naprostá většina vyhynula jako neživotaschopná. Někteří paleontologové se domnívají, že právě vysoká radiace způsobila neočekávané mutace u afrických lidoopů potulujících se poblíž a posunula jejich evoluci směrem k modernímu člověku.

Mrtvé místo a radiační mutanti

Je docela možné, že v těch vzdálených dobách se přírodní zdroje řetězových reakcí vyskytovaly poměrně často, takže občas došlo nejen k zapnutí přírodních reaktorů, ale i k atomovým výbuchům. Takový radiační dopad by se samozřejmě měl nějak projevit ve vznikající biosféře naší planety. Vysoká radiace je destruktivní pro jakýkoli život, ale v případě přírodních reaktorů je situace mnohem složitější. Poblíž reaktoru a ještě více nad reaktorem by se totiž mělo vytvořit mrtvé místo (vzpomeňte si na tajemné „geopatogenní“ zóny), kde by byla jakákoliv flóra a fauna zničena ionizujícím zářením zóny reaktoru. Ale na okrajích nebezpečné zóny by úrovně radiace mohly zvrátit situaci – radiace zde nezabije, ale způsobí sérii genových mutací.

Uranová ruda těžená z dolu Oklo

Mezi radiačními mutanty mohli být velmi neobvyklí tvorové, kteří vnesli do okolní přírody velkou rozmanitost a urychlili evoluční vývoj. Ukazuje se, že nedaleko přírodních zdrojů záření měla být pozorována nebývalá rozmanitost života.

Navíc toky radiace z přírodních reaktorů a výbuchů by mohly objasnit, jak vznikl život na Zemi. Evoluční biologové, biofyzici a biochemici již dlouho vyjadřovali opatrné odhady, že ke spuštění životních procesů v první buňce je potřeba nějaký poměrně silný energetický impuls. Tento tok vnější energie by mohl přerušit chemické vazby prvků, jako je uhlík, dusík, vodík a kyslík. Tyto prvky by pak mohly vzájemně reagovat za vzniku prvních komplexních organických molekul. Dříve se předpokládalo, že takový výboj může vyvolat puls elektromagnetické energie, řekněme ve formě silného výboje blesku. V posledních letech se však stále častěji objevují myšlenky, že silné přírodní zdroje záření si s organizováním takového energetického pulsu poradí mnohem lépe než blesk.

Acidální fenomén

Nedávno učinilo vozítko Curiosity nečekaný objev. Všechno to začalo, když během rutinního výzkumu marťanský rover našel na povrchu rudé planety stopy... jaderného popela.

Tato záhadná skutečnost okamžitě dala vzniknout hypotéze, že před několika stovkami milionů let došlo na Marsu k rozsáhlé jaderné katastrofě. Nějakým způsobem explodoval přírodní reaktor a pokryl rozsáhlé oblasti planety radioaktivním prachem a úlomky. V tomto případě je hlavním argumentem skutečnost realizace takového „jaderného scénáře“ na Zemi, v Oklo.

Asi před miliardou let vznikl a fungoval obří jaderný reaktor v severní části marťanského Acidaliského moře. Pravděpodobně marťanský reaktor neměl dostatečně účinný regulátor a jednoho dne explodoval a uvolnil značné množství radioaktivních látek.

Nejpravděpodobněji ležel „acidalský fenomén“ ve značné hloubce, nejméně kilometr, kde bylo rozsáhlé rudné těleso koncentrovaného uranu, thoria a draslíku. Starověký Mars byl zjevně tektonicky docela klidnou planetou s extrémně nevýznamným pohybem litosférických desek. Proto bylo radioaktivní rudní těleso velmi dlouho v klidu a probíhaly v něm jaderné reakce.

Rover Curiosity našel na Marsu stopy jaderného popela

Výpočty ukazují, že atomový výbuch na Marsu je srovnatelný s 30kilometrovým asteroidem dopadajícím na povrch planety. Na rozdíl od dopadu asteroidu byl však zdroj exploze blíže k povrchu a prohlubeň jím vytvořená byla mnohem mělčí hloubky než impaktní krátery.

Oblast s vysokou koncentrací thoria leží na severozápadě Acidaliského moře v široké a mělké prohlubni. Obsah stop thoria a radioaktivních izotopů draslíku naznačuje, že k jaderné katastrofě došlo před několika stovkami milionů let, uprostřed nebo na konci Amazonské éry. Tato katastrofa je také indikována přítomností izotopů argonu-40 a xenonu-129 v atmosféře planety, které jsou výsledkem jaderných reakcí.

Mnoho planetárních vědců vyjadřuje velké pochybnosti o realitě jaderné katastrofy na Marsu. Poznamenávají tedy, že současné geologické podmínky na Marsu i na Zemi nezaznamenaly po tisíciletí dramatické změny. Podle geofyziků a geochemiků mohou rysy povrchu Marsu objevené během mise NASA souviset s nejběžnějšími geologickými procesy, které nemají jaderný základ.

Při rutinním rozboru vzorků uranové rudy byla odhalena velmi zvláštní skutečnost - procento uranu-235 bylo pod normálem. Přírodní uran obsahuje tři izotopy s různou atomovou hmotností. Nejběžnější je uran-238, nejvzácnější je uran-234 a nejzajímavější je uran-235, který podporuje jadernou řetězovou reakci. Všude – v zemské kůře, na Měsíci a dokonce i v meteoritech – tvoří atomy uranu-235 0,720 % z celkového množství uranu. Ale vzorky z ložiska Oklo v Gabonu obsahovaly pouze 0,717 % uranu-235. Tato nepatrná nesrovnalost stačila k tomu, aby upozornila francouzské vědce. Další výzkum ukázal, že rudy chybělo asi 200 kg – dost na výrobu půl tuctu jaderných bomb.

V povrchovém uranovém dole v Oklo v Gabonu bylo objeveno více než tucet zón, kde kdysi probíhaly jaderné reakce.
Odborníci z francouzské Komise pro atomovou energii byli zmateni. Odpovědí byl 19 let starý článek, ve kterém George W. Wetherill z Kalifornské univerzity v Los Angeles a Mark G. Inghram z Chicagské univerzity navrhli existenci přírodních jaderných reaktorů v dávné minulosti. Paul K. Kuroda, chemik z University of Arkansas, brzy identifikoval „nezbytné a postačující“ podmínky pro samoudržovací proces štěpení, který se spontánně objeví v těle uranového ložiska.

Podle jeho výpočtů by velikost ložiska měla přesáhnout průměrnou délku dráhy neutronů způsobujících štěpení (asi 2/3 metru). Pak budou neutrony emitované jedním štěpeným jádrem absorbovány jiným jádrem, než opustí uranovou žílu.

Koncentrace uranu-235 musí být poměrně vysoká. Dnes se ani velké ložisko nemůže stát jaderným reaktorem, protože obsahuje méně než 1 % uranu-235. Tento izotop se rozkládá přibližně šestkrát rychleji než uran-238, což naznačuje, že v dávné minulosti, například před 2 miliardami let, bylo množství uranu-235 asi 3 % – přibližně stejně jako v obohaceném uranu používaném jako palivo ve většině jaderné elektrárny. Musí existovat také látka, která dokáže zpomalit neutrony emitované štěpením jader uranu tak, aby účinněji způsobovaly štěpení jiných jader uranu. Rudná hmota by konečně neměla obsahovat znatelné množství boru, lithia nebo jiných tzv. jaderných jedů, které aktivně pohlcují neutrony a způsobily by rychlé zastavení jakékoli jaderné reakce.

Přírodní štěpné reaktory byly nalezeny pouze v srdci Afriky – v Gabonu, v Oklo a sousedních uranových dolech v Okelobondu a v lokalitě Bungombe, která se nachází asi 35 km odtud.

Výzkumníci zjistili, že podmínky vytvořené před 2 miliardami let na 16 samostatných místech v Oklo i v sousedních uranových dolech v Okelobondu byly velmi blízké tomu, co popsal Kuroda (viz „The Divine Reactor“, „World of Science“, č. 1 , 2004). Ačkoli všechny tyto zóny byly objeveny před desítkami let, teprve nedávno jsme byli schopni konečně nahlédnout do toho, co se dělo uvnitř jednoho z těchto starověkých reaktorů.

Kontrola pomocí světelných prvků

Fyzici brzy potvrdili předpoklad, že pokles obsahu uranu-235 v Oklo byl způsoben štěpnými reakcemi. Nezpochybnitelný důkaz se objevil ze studia prvků vzniklých při štěpení těžkého jádra. Koncentrace produktů rozkladu se ukázala být tak vysoká, že takový závěr byl jediný správný. Před 2 miliardami let zde proběhla jaderná řetězová reakce podobná té, kterou v roce 1942 brilantně předvedl Enrico Fermi a jeho kolegové.

Fyzici po celém světě studovali důkazy o existenci přírodních jaderných reaktorů. Vědci prezentovali výsledky své práce na „fenoménu Oklo“ na zvláštní konferenci v hlavním městě Gabonu, Libreville, v roce 1975. Následující rok George A. Cowan, zastupující Spojené státy na tomto setkání, napsal článek pro Scientific Americký časopis (viz „A Natural Fission Reactor“, George A. Cowan, červenec 1976).

Cowan shrnul informace a popsal, co se na tomto úžasném místě dělo: některé neutrony uvolněné štěpením uranu-235 jsou zachyceny jádry hojnějšího uranu-238, který se mění na uran-239, a po vypuštění dvou elektrony se změní na plutonium-239. V Oklo tedy vznikly více než dvě tuny tohoto izotopu. Část plutonia se poté štěpila, o čemž svědčí přítomnost charakteristických štěpných produktů, což vedlo výzkumníky k závěru, že tyto reakce musely pokračovat stovky tisíc let. Z množství použitého uranu-235 vypočítali množství uvolněné energie - asi 15 tisíc MW-let. Podle tohoto a dalších důkazů se ukázal průměrný výkon reaktoru menší než 100 kW, to znamená, že by stačilo na provoz několika desítek toustovačů.

Jak vzniklo více než tucet přírodních reaktorů? Jak byla zajištěna jejich stálá moc po několik set tisíciletí? Proč se nezničily hned po zahájení řetězových jaderných reakcí? Jaký mechanismus zajistil potřebnou samoregulaci? Pracovaly reaktory nepřetržitě nebo přerušovaně? Odpovědi na tyto otázky se neobjevily okamžitě. A poslední otázka padla na světlo docela nedávno, když jsme s kolegy začali studovat vzorky záhadné africké rudy na Washingtonské univerzitě v St.

Rozdělení do detailu

Jaderné řetězové reakce začínají, když jediný volný neutron zasáhne jádro štěpícího se atomu, jako je uran-235 (vlevo nahoře). Jádro se štěpí, vznikají dva menší atomy a emitují další neutrony, které odlétají vysokou rychlostí a musí být zpomaleny, než mohou způsobit štěpení ostatních jader. V ložisku Oklo, stejně jako v moderních lehkovodních jaderných reaktorech, byla moderačním činidlem obyčejná voda. Rozdíl je v řídicím systému: jaderné elektrárny používají tyče pohlcující neutrony, zatímco reaktory Oklo byly jednoduše zahřívány, dokud se voda nevyvařila.

Co ukrýval vzácný plyn?

Naše práce v jednom z reaktorů v Oklo byla věnována analýze xenonu, těžkého inertního plynu, který může zůstat uvězněn v minerálech po miliardy let. Xenon má devět stabilních izotopů, které se objevují v různých množstvích v závislosti na povaze jaderných procesů. Jako vzácný plyn nereaguje chemicky s jinými prvky, a proto se snadno čistí pro izotopovou analýzu. Xenon je extrémně vzácný, což umožňuje jeho použití k detekci a sledování jaderných reakcí, i když k nim došlo před zrodem sluneční soustavy.

Atomy uranu-235 tvoří asi 0,720 % přírodního uranu. Když tedy pracovníci zjistili, že uran z lomu Oklo obsahuje něco málo přes 0,717 % uranu, byli překvapeni.Tento údaj se výrazně liší od výsledků analýzy jiných vzorků uranové rudy (výše). Zdá se, že v minulosti byl poměr uranu-235 k uranu-238 mnohem vyšší, protože poločas rozpadu uranu-235 je mnohem kratší. Za takových podmínek je možná štěpící reakce. Když se před 1,8 miliardami let vytvořila ložiska uranu v Oklo, přirozený obsah uranu-235 byl asi 3 %, stejně jako v palivu jaderných reaktorů. Když se Země formovala přibližně před 4,6 miliardami let, byl tento poměr vyšší než 20 %, což je úroveň, při které je dnes uran považován za „kvalitní zbraně“.

Analýza izotopového složení xenonu vyžaduje hmotnostní spektrometr, nástroj, který dokáže třídit atomy podle jejich hmotnosti. Měli jsme štěstí, že jsme měli přístup k extrémně přesnému xenonovému hmotnostnímu spektrometru, který postavil Charles M. Hohenberg. Nejprve jsme ale museli z našeho vzorku extrahovat xenon. Minerál obsahující xenon se typicky zahřeje nad jeho bod tání, což způsobí kolaps krystalické struktury a již není schopna zadržovat plyn obsažený uvnitř. Abychom ale nasbírali více informací, použili jsme jemnější metodu – laserovou extrakci, která nám umožňuje dostat se ke xenonu v určitých zrnech a ponechat oblasti sousedící s nimi nedotčené.

Zpracovali jsme mnoho malých úryvků jediného vzorku horniny, který jsme měli z Okla a který byl pouze 1 mm silný a 4 mm široký. K přesnému zacílení laserového paprsku jsme použili podrobnou rentgenovou mapu místa Olgy Pradivcevy, která také identifikovala minerály, z nichž se skládá. Po extrakci jsme vyčistili uvolněný xenon a analyzovali jej v Hohenbergově hmotnostním spektrometru, který nám dal počet atomů každého izotopu.

Zde nás čekalo několik překvapení: za prvé, v minerálních zrnech bohatých na uran nebyl žádný plyn. Velká část byla zachycena v minerálech obsahujících fosforečnan hlinitý, který obsahoval nejvyšší koncentraci xenonu, jaká se kdy v přírodě nacházela. Za druhé, extrahovaný plyn se významně lišil izotopovým složením od toho, které se obvykle tvoří v jaderných reaktorech. Xenon-136 a xenon-134 v něm prakticky nebyl, přičemž obsah lehčích izotopů prvku zůstal stejný.

Xenon extrahovaný ze zrn fosforečnanu hlinitého ve vzorku Oklo měl zvláštní izotopové složení (vlevo), nekonzistentní s tím, které vzniká štěpením uranu-235 (uprostřed), a na rozdíl od izotopového složení atmosférického xenonu (vpravo). Je pozoruhodné, že množství xenonu-131 a -132 jsou vyšší a množství -134 a -136 nižší, než by se dalo očekávat od štěpení uranu-235. Ačkoli tato pozorování zpočátku autora mátla, později si uvědomil, že právě v nich je klíč k pochopení fungování tohoto starověkého jaderného reaktoru.

Jaký je důvod takových změn? Možná je to výsledek jaderných reakcí? Pečlivá analýza umožnila mým kolegům a mně tuto možnost odmítnout. Podívali jsme se také na fyzikální třídění různých izotopů, ke kterému někdy dochází, protože těžší atomy se pohybují o něco pomaleji než jejich lehčí protějšky. Tato vlastnost se využívá v závodech na obohacování uranu k výrobě reaktorového paliva. Ale i kdyby příroda dokázala realizovat podobný proces v mikroskopickém měřítku, složení směsi izotopů xenonu v zrnech fosforečnanu hlinitého by bylo jiné, než jsme našli. Například pokles xenonu-136 (4 atomové hmotnostní jednotky těžší) měřený vzhledem k množství xenonu-132 by byl dvakrát větší než u xenonu-134 (2 atomové hmotnostní jednotky těžší), pokud by fungovalo fyzické třídění. Nic takového jsme však neviděli.

Po analýze podmínek pro vznik xenonu jsme si všimli, že žádný z jeho izotopů nebyl přímým výsledkem štěpení uranu; všechny byly produkty rozpadu radioaktivních izotopů jódu, které zase vznikly z radioaktivního teluru atd. podle známého sledu jaderných reakcí. Současně se různé izotopy xenonu v našem vzorku z Oklo objevily v různých časových okamžicích. Čím déle konkrétní radioaktivní prekurzor žije, tím více se zpožďuje tvorba xenonu z něj. Například tvorba xenonu-136 začala jen minutu po začátku samoudržujícího štěpení. O hodinu později se objeví další stabilní izotop zapalovače, xenon-134. O pár dní později se na scéně objevují xenon-132 a xenon-131. Nakonec, po milionech let a dlouho po zastavení jaderných řetězových reakcí, vzniká xenon-129.

Pokud by uranová ložiska v Oklo zůstala uzavřeným systémem, xenon nahromaděný během provozu jeho přírodních reaktorů by si zachoval své normální izotopové složení. Systém ale nebyl uzavřen, což může potvrdit i fakt, že reaktory v Oklo se nějak samy regulovaly. Nejpravděpodobnějším mechanismem je účast podzemní vody na tomto procesu, která se vyvařila poté, co teplota dosáhla určité kritické úrovně. Když se voda, která fungovala jako moderátor neutronů, odpařila, jaderné řetězové reakce se dočasně zastavily a poté, co vše vychladlo a do reakční zóny opět proniklo dostatečné množství podzemní vody, mohlo se štěpení obnovit.

Tento obrázek objasňuje dva důležité body: reaktory mohou fungovat přerušovaně (zapínání a vypínání); Touto horninou muselo projít velké množství vody, dostatečné k odplavení některých xenonových prekurzorů, jmenovitě teluru a jódu. Přítomnost vody také pomáhá vysvětlit, proč se většina xenonu nyní nachází v zrnech fosforečnanu hlinitého spíše než v horninách bohatých na uran. Zrna fosforečnanu hlinitého byla pravděpodobně vytvořena vodou zahřátou jaderným reaktorem poté, co se ochladí na přibližně 300 °C.

Během každé aktivní periody reaktoru Oklo a ještě nějakou dobu poté, zatímco teplota zůstávala vysoká, byla z reaktoru odstraněna většina xenonu (včetně xenonu-136 a -134, které vznikají relativně rychle). Jak se reaktor ochlazoval, prekurzory xenonu s delší životností (ty, které později produkovaly xenon-132, -131 a -129, které jsme našli ve větším množství) se začlenily do rostoucích zrn fosforečnanu hlinitého. Poté, jak se do reakční zóny vracelo více vody, neutrony se zpomalily na požadovaný stupeň a štěpná reakce začala znovu, což způsobilo opakování cyklu zahřívání a chlazení. Výsledkem byla specifická distribuce izotopů xenonu.
Není zcela jasné, jaké síly udržely tento xenon v minerálech fosforečnanu hlinitého po téměř polovinu života planety. Konkrétně, proč nebyl xenon, který se objevil v daném cyklu provozu reaktoru, vytlačen během dalšího cyklu? Struktura fosforečnanu hlinitého byla pravděpodobně schopna udržet xenon vytvořený uvnitř, a to i při vysokých teplotách.

Pokusy vysvětlit neobvyklé izotopové složení xenonu v Oklo také vyžadovaly zvážení dalších prvků. Pozornost byla věnována zejména jódu, z něhož se při radioaktivním rozpadu tvoří xenon. Simulace procesu vzniku štěpných produktů a jejich radioaktivního rozpadu ukázala, že specifické izotopové složení xenonu je důsledkem cyklického působení reaktoru.Tento cyklus je znázorněn ve třech výše uvedených diagramech.

Harmonogram prací v přírodě

Po vypracování teorie výskytu xenonu v zrnech fosforečnanu hlinitého jsme se pokusili tento proces implementovat do matematického modelu. Naše výpočty mnohé o provozu reaktoru objasnily a získaná data o izotopech xenonu vedla k očekávaným výsledkům. Reaktor Oklo byl „zapnut“ po dobu 30 minut a „vypnut“ po dobu nejméně 2,5 hodiny. Některé gejzíry fungují podobným způsobem: pomalu se zahřívají, vaří, uvolňují část podzemní vody a tento cyklus opakují den za dnem, rok za rokem. Podzemní voda procházející ložiskem Oklo tak mohla fungovat nejen jako moderátor neutronů, ale také „regulovat“ provoz reaktoru. Byl to extrémně účinný mechanismus, který zabránil roztavení nebo explozi struktury po stovky tisíc let.
Jaderní inženýři se mají od společnosti Oklo hodně co učit. Například jak nakládat s jaderným odpadem. Oklo je příkladem dlouhodobého geologického úložiště. Vědci proto podrobně studují migrační procesy štěpných produktů z přírodních reaktorů v průběhu času. Pečlivě také studovali stejnou zónu starověkého jaderného štěpení v lokalitě Bangombe, asi 35 km od Okla. Reaktor v Bungombe je zvláště zajímavý, protože se nachází v mělčích hloubkách než v Oklo a Okelobondo a donedávna jím protékalo více vody. Takové úžasné objekty podporují hypotézu, že mnoho typů nebezpečného jaderného odpadu lze úspěšně izolovat v podzemních skladovacích zařízeních.

Příklad Oklo také demonstruje způsob skladování některých nejnebezpečnějších typů jaderného odpadu. Od počátku průmyslového využití jaderné energie se do atmosféry uvolnilo obrovské množství inertních radioaktivních plynů (xenon-135, krypton-85 atd.), které vznikají v jaderných zařízeních. V přírodních reaktorech jsou tyto odpadní produkty zachycovány a zadržovány po miliardy let minerály obsahujícími fosforečnan hlinitý.
Starověké reaktory typu Oklo mohou také ovlivnit chápání základních fyzikálních veličin, například fyzikální konstanty, označované písmenem α (alfa), spojené s takovými univerzálními veličinami, jako je rychlost světla (viz „Nekonstantní konstanty“, „V svět vědy“, č. 9, 2005). Již tři desetiletí je fenomén Oklo (starý 2 miliardy let) používán jako argument proti změnám α. Ale minulý rok Steven K. Lamoreaux a Justin R. Torgerson z Los Alamos National Laboratory zjistili, že tato „konstanta“ se výrazně mění.

Jsou tyto prastaré reaktory v Gabonu jediné, které kdy na Zemi vznikly? Před dvěma miliardami let nebyly podmínky nutné pro samoudržitelné štěpení příliš vzácné, a tak snad budou jednou objeveny další přírodní reaktory. A výsledky analýzy xenonu ze vzorků by v tomto hledání mohly výrazně pomoci.

„Fenomén Oklo připomíná výrok E. Fermiho, který postavil první jaderný reaktor, a P.L. Kapitsa, který nezávisle tvrdil, že něco takového je schopen vytvořit pouze člověk. Starověký přírodní reaktor však tento názor vyvrací a potvrzuje myšlenku A. Einsteina, že Bůh je sofistikovanější...“

S.P. Kapitsa

V povrchovém uranovém dole v Oklo v Gabonu bylo objeveno více než tucet zón, kde kdysi probíhaly jaderné reakce.

Odborníci z francouzské Komise pro atomovou energii byli zmateni. Odpovědí byl 19 let starý článek, ve kterém George W. Wetherill z Kalifornské univerzity v Los Angeles a Mark G. Inghram z Chicagské univerzity navrhli existenci přírodních jaderných reaktorů v dávné minulosti. Paul K. Kuroda, chemik z University of Arkansas, brzy identifikoval „nezbytné a postačující“ podmínky pro samoudržovací proces štěpení, který se spontánně objeví v těle uranového ložiska.

Přírodní štěpné reaktory byly nalezeny pouze v srdci Afriky – v Gabonu, v Oklo a sousedních uranových dolech v Okelobondu a v lokalitě Bungombe, která se nachází asi 35 km odtud.

Kontrola pomocí světelných prvků

Rozdělení do detailu

Co ukrýval vzácný plyn?

Naše práce v jednom z reaktorů Oklo se zaměřila na analýzu xenonu, těžkého inertního plynu, který může zůstat uvězněn v minerálech po miliardy let. Xenon má devět stabilních izotopů, které se objevují v různých množstvích v závislosti na povaze jaderných procesů. Jako vzácný plyn nereaguje chemicky s jinými prvky, a proto se snadno čistí pro izotopovou analýzu. Xenon je extrémně vzácný, což umožňuje jeho použití k detekci a sledování jaderných reakcí, i když k nim došlo před zrodem sluneční soustavy.

Není zcela jasné, jaké síly udržely tento xenon v minerálech fosforečnanu hlinitého po téměř polovinu života planety. Konkrétně, proč nebyl xenon, který se objevil v daném cyklu provozu reaktoru, vytlačen během dalšího cyklu? Struktura fosforečnanu hlinitého byla pravděpodobně schopna udržet xenon vytvořený uvnitř, a to i při vysokých teplotách.

Pokusy vysvětlit neobvyklé izotopové složení xenonu v Oklo také vyžadovaly zvážení dalších prvků. Pozornost byla věnována zejména jódu, z něhož se při radioaktivním rozpadu tvoří xenon. Simulace procesu tvorby štěpných produktů a jejich radioaktivního rozpadu ukázala, že specifické izotopové složení xenonu je důsledkem cyklického působení reaktoru.Tento cyklus je znázorněn ve třech výše uvedených diagramech.

Harmonogram prací v přírodě

Jaderní inženýři se mají od společnosti Oklo hodně co učit. Například jak nakládat s jaderným odpadem. Oklo je příkladem dlouhodobého geologického úložiště. Vědci proto podrobně studují migrační procesy štěpných produktů z přírodních reaktorů v průběhu času. Pečlivě také studovali stejnou zónu starověkého jaderného štěpení v lokalitě Bangombe, asi 35 km od Okla. Reaktor v Bungombe je zvláště zajímavý, protože se nachází v mělčích hloubkách než v Oklo a Okelobondo a donedávna jím protékalo více vody. Takové úžasné objekty podporují hypotézu, že mnoho typů nebezpečného jaderného odpadu lze úspěšně izolovat v podzemních skladovacích zařízeních.

Starověké reaktory typu Oklo mohou také ovlivnit chápání základních fyzikálních veličin, například fyzikální konstanty, označované písmenem α (alfa), spojené s takovými univerzálními veličinami, jako je rychlost světla (viz „Nekonstantní konstanty“, „V svět vědy“, č. 9, 2005). Již tři desetiletí je fenomén Oklo (starý 2 miliardy let) používán jako argument proti změnám α. Ale minulý rok Steven K. Lamoreaux a Justin R. Torgerson z Los Alamos National Laboratory zjistili, že tato „konstanta“ se výrazně mění.

O autorovi:
Alex Meshik(Alex P. Meshik) vystudoval Fyzikální fakultu Leningradské státní univerzity. V roce 1988 obhájil disertační práci na Ústavu geochemie a analytické chemie pojmenovaný po. V A. Vernadského. Jeho disertační práce byla o geochemii, geochronologii a jaderné chemii vzácných plynů xenonu a kryptonu. V roce 1996 nastoupil Meshik do Space Science Laboratory na Washingtonské univerzitě v St. Louis, kde v současnosti studuje ušlechtilé plyny slunečního větru shromážděné a vrácené na Zemi kosmickou lodí Genesis.

Článek převzatý z webu