В мае 1972 года французские ученые в одной из лабораторий Комиссариата по атомной энергетике проводили обычный анализ образцов урановой руды. Тогда еще никто из них не знал, что незначительное отклонение в содержании одного из изотопов, обнаруженное в ходе этого исследования, приведет к открытию едва ли не самого фантастического феномена за всю историю реакторной физики – природного ядерного реактора.
Чтобы как следует во всем разобраться, вспомним, что нам известно о ядерных реакциях. Как следует из школьного курса физики, ядерные реакции – это превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с альфа- и гамма-частицами, нейтронами или другими ядрами.
Разновидностей ядерных реакций существует великое множество, но в данном контексте мы будем рассматривать только тот процесс, который происходит в ядерных реакторах, использующих в качестве топлива уран-235 – тот самый изотоп, которого недоставало в образцах руды. Такую ядерную реакцию можно упрощенно представить следующим образом: медленный нейтрон приближается к ядру на расстояние, при котором начинают действовать ядерные силы. Ядро захватывает нейтрон, образуя более тяжелый, нестабильный изотоп, который сразу же распадается на несколько меньших ядер и свободные быстрые нейтроны.
Цепными называются последовательности единичных ядерных реакций, в которых каждая последующая реакция вызывается частицей, появившейся в результате предыдущей. А так как каждый новый цикл порождает следующий, ядерная реакция становится самоподдерживающейся. Если в каждом акте реакции появляется более одного нейтрона, то возникает ее разветвление, в результате которого один из вторичных нейтронов продолжает начатую цепь, а другие дают новые, которые в свою очередь снова ветвятся. Но такое ветвление не может длиться бесконечно: в противовес ему происходят и процессы, приводящие к обрывам цепей. Чем больше обрывов, тем вероятнее затухание цепной реакции. Если же число новых цепей превосходит количество обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объему вещества. Реакция становится самоподдерживающейся только тогда, когда число образующихся цепей равно числу обрывов. Такой баланс называется критическим состоянием.
Если количество ядер в цепной реакции лавинообразно нарастает, она называется неуправляемой и в ее результате случается ядерный взрыв. В том случае, если количество ядер возможно поддерживать в неизменном состоянии (к примеру, с помощью графита, который является замедлителем нейтронов), происходит управляемая цепная ядерная реакция (именно такой тип и используется в ядерной энергетике).
А теперь вернемся во Францию, где во время обычного масс-спектрометрического анализа соединений урана в месторождении Окло (Габон, Западная Африка) был обнаружен дефицит одного из изотопов – урана-235, который представляет для науки наибольший интерес, потому что поддерживает цепную ядерную реакцию.
И в земной коре, и в природных водах, и даже в лунных образцах атомы урана-235 составляют 0,720%. А в урановой руде из Окло его оказалось всего 0,717%. Казалось бы, столь небольшое отклонение от нормы не должно вызвать беспокойства, но ученые насторожились. Как известно, все ядерные объекты в целях безопасности находятся под контролем государства, и любое несоответствие влечет за собой проверки. Власти подозревали хищение делящихся материалов в военных целях, поэтому французский Комиссариат атомной энергетики (Commissariat à l'énergie atomique, CEA) предпринял тщательное расследование. В результате серии измерений были обнаружены значительные отклонения в еще нескольких шахтах из соседних месторождений. В одной из шахт содержание урана-235 составило 0,440%. Также оказалось, что существуют аномалии в распределении радиоактивных изотопов неодима и рутения.
Дальнейшие исследования показали, что за полтора года с рудника из Окло поступило 700 тонн обеднённого урана, и общая недостача урана-235 в сырье составила около 200 килограмм. Этого количества хватило бы на изготовление нескольких атомных бомб!
Загадка состояла в том, что уменьшение концентрации изотопа урана-235– характерная черта отработанного ядерного топлива, так как именно этот изотоп является основным расщепляющимся материалом уранового ядерного реактора. Ученые долгое время отвергали возможность возникновения в природе самопроизвольных ядерных реакций, но исследования, проведенные в Окло, свели на нет все их возражения. Расчёты показали, что если массовая доля грунтовых вод в пласте составляет около 6%, а содержание урана-235 – 3%, то при таких условиях действительно мог начать работать природный ядерный реактор.
И вот, 25 сентября 1972 года французский Комиссариат атомной энергетики наконец объявил об открытии естественной самоподдерживающейся реакции ядерного деления. Следы протекания таких реакций были обнаружены в общей сложности в 16 точках.
"Звено" цепной ядерной реакции
Предполагается, что более 2 млрд лет назад на месте будущего месторождения существовал большой массив магматических пород с гидротермальными жилами, в которых скапливалась урановая руда. Под воздействием землетрясений массив растрескался и опустился на несколько километров, потянув за собой места концентрации урана, а грунтовые воды попали в образовавшиеся трещины. Постепенно много тысяч тонн урана осело в виде рудных «линз» размером в десятки метров. Ученые предполагают, что эти глыбы образовались в результате деятельности фильтрационных вод, которые уносили глину и тем самым сплачивали уран в единую массу. Таким образом, содержание различных изотопов урана в руде выросло до 30% и продолжало увеличиваться. Как только масса и толщина слоев, обогащенных ураном, достигла критических размеров, в них возникла цепная реакция, и реактор начал работать.
Природный реактор в Окло был саморегулирующимся. В ядерных топках АЭС топливо располагается компактными массами внутри замедлителя – так же, только естественным образом, получилось и в Окло, а замедлителем нейтронов послужила вода. Выделявшееся тепло вызывало кипение и испарение жидкости, что замедляло или останавливало цепную реакцию. После того как порода охлаждалась, вода конденсировалась и реакция возобновлялась. Этот циклический процесс продолжался сотни тысяч лет.
В результате работы реактора образовалось около 6 тонн продуктов деления и 2,5 тонны плутония. Большинство радиоактивных отходов осталось внутри кристаллической структуры минерала уранинита, который обнаружен в рудах из Окло. Те элементы, которые не смогли проникнуть сквозь решетку уранинита из-за слишком большого или слишком маленького ионного радиуса, вымывались грунтовыми водами. В итоге в течение примерно 1,9 млрд лет, прошедших со времен работы реактора в Окло, почти половина из более чем тридцати продуктов деления оказалась связанной в руде, несмотря на обилие грунтовых вод в этом месторождении. Связанные продукты деления включают в себя лантан, церей, празеодим, ниодим, европий, самарий, гадолиний, иттрий, цирконий, рутений, родий, палладий, никель, серебро. Также исследователями была обнаружена некоторая частичная миграция свинца и плутония (последняя была ограничена расстоянием менее 10 метров).
Известно, что в результате деления урана образуются в том числе и пять изотопов ксенона. Все они в варьирующихся концентрациях также были обнаружены в породах природного реактора. Изотопный состав выделенного из пород ксенона позволил рассчитать, что типичный цикл работы реактора составлял примерно 3 часа: около 30 минут критичности и 2,5 часа охлаждения.
Ученые утверждают, что ключевой фактор, сделавший возможной функционирование реактора, – это примерно 3,7-процентное изотопное содержание урана-235 в руде в те времена. Это сравнимо с его концентрацией в низкообогащенном ядерном топливе, используемом в большинстве современных энергетических ядерных реакторов (оставшиеся 96% составляет уран-238, не подходящий для реакторов на тепловых нейтронах).
Урановое месторождение Окло – единственное известное место, где существовал природный ядерный реактор. Комбинация физических условий в этом месторождении (в частности, наличие воды как замедлителя нейтронов) была уникальной. Побочные продукты реактора Окло используются для исследования стабильности фундаментальных постоянных в те отдаленные времена, а также для развития более эффективных методов утилизации ядерных отходов – продуктов деятельности человека.
Сегодня естественных реакторов не существует, так как относительная плотность способного распадаться урана уменьшилась ниже предела, необходимого для поддержания ядерной реакции. Поскольку уран-235 имеет период полураспада лишь 0,7 млрд лет (значительно короче, чем уран-238), его современная распространенность составляет всего 0,72%, а этого недостаточно для работы реактора с грунтовыми водами в роли замедлителя нейтронов.
Можно предположить, что помимо месторождения в Окло существовали и другие природные ядерные реакторы, однако ни один из них пока не был обнаружен. Вероятно, все они были погружены на значительную глубину, расплавлены или полностью размыты эрозией при тектоническом поднятии соответствующих слоев. Подобные ситуации могли возникать на юге Африки, в Средней Азии и в Центральной Европе – там, где создавались условия для проникновения грунтовых вод к высококонцентрированным ураноносным отложениям.
Удивительно, что природному реактору в Окло, – единственному из известных на данный момент, – удалось уцелеть до нашего времени, как удивительно и то, что одно из важнейших изобретений XX века, которым заслуженно гордится человечество, уже было создано самой природой много миллионов лет назад.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.