Природный ядерный реактор в Окло

Геологический разрез естественного ядерного реактора Окло
1. Зоны деления
2. Песчаник
3. Слой урановой руды
4. Гранит

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

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

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

Окло — единственный известный на Земле естественный ядерный реактор. Цепная реакция началась здесь около 2 млрд. лет назад и продолжалась в течение нескольких сотен тысяч лет. Средняя тепловая мощность реактора составляла около 100 кВт^[3][4].

История

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

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

Продукты ядерного деления

Неодим

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

Рутений

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

• 

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

• 

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

Механизм образования

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

При делении урана среди продуктов деления образуются пять изотопов ксенона. Все пять изотопов в варьирующихся концентрациях были обнаружены в породах природного реактора. Изотопный состав выделенного из пород ксенона позволяет рассчитать, что типичный цикл работы реактора составлял примерно 3 часа: около 30 минут критичности и 2 часа 30 минут охлаждения^[5].

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, используемым 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^[6].

Связь с постоянной тонкой структуры

Исследования природного реактора в Окло были использованы для проверки вариации фундаментальной физической константы — постоянной тонкой структуры α — в течение последних 2 млрд лет. Малое изменение α вызвало бы существенное изменение скорости некоторых ядерных реакций. В частности, резонансный захват теплового нейтрона ядром ¹⁴⁹Sm с образованием ¹⁵⁰Sm перестаёт быть возможным уже при небольшом изменении α. Измерение относительного содержания ¹⁴⁹Sm/¹⁵⁰Sm в минералах Окло позволило установить, что в пределах экспериментальной погрешности значение постоянной тонкой структуры было тем же, что и в наше время^[7][8].

Примечания

1. ↑ В различных источниках возраст реактора определён в диапазоне от 2 до 1,8 млрд лет назад.
2. ↑ Kuroda, P. K. (1956). «On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals». Journal of Chemical Physics 25: 781–782; 1295–1296. DOI:10.1063/1.1743058. Bibcode: 1956JChPh..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. Bibcode: 1996GeCoA..60.4831G.
5. ↑ 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. Bibcode: 2004PhRvL..93r2302M.
6. ↑ 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. Bibcode: 1980E&PSL..50..238D.
7. ↑ New Scientist: Oklo Reactor and fine-structure value. June 30, 2004.
8. ↑ 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. DOI:10.1103/PHYSREVC.74.064610. Bibcode: 2006PhRvC..74f4610P.

Ссылки

• Шуколюков, А. Ю. (1980). «Уран. Природный ядерный реактор». Химия и Жизнь (6): 20–24.

• Мешик, А. (2006). «Древний ядерный реактор». В мире науки (2): 40–45.

• 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. DOI:10.1103/PHYSREVC.74.064610. Bibcode: 2006PhRvC..74f4610P.
• The natural nuclear reactor at Oklo: A comparison with modern nuclear reactors, Radiation Information Network, April 2005
• Oklo Fossil Reactors
• A Natural Nuclear Reactor In Gabon  (англ.)
• Astronomy Picture of the Day  (англ.) (16 октября 2006). Проверено 21 декабря 2012.

Координаты: 1°23′40″ ю. ш. 13°09′39″ в. д. / 1.394444° ю. ш. 13.160833° в. д. ^(G) (O)-1.394444, 13.160833