Древний ядерный реактор

Древний ядерный реактор

Во время проведения обычного анализа образцов урановой руды выявился очень странный факт — процентное содержание урана-235 было ниже нормы. В природном уране содержится три изотопа, отличающихся атомными массами. Самый распространённый — уран-238, самый редкий — уран-234, и представляющий наибольший интерес — уран-235, поддерживающий цепную ядерную реакцию. Повсюду — и в земной коре, и на Луне, и даже в метеоритах — атомы урана-235 составляют 0,720% общего количества урана. Но в образцах из месторождения Окло в Габоне содержание урана-235 составляло всего 0,717%. Этого крошечного несоответствия было достаточно, чтобы насторожить французских учёных. Дальнейшие исследования показали, что в руде недоставало около 200 кг — вполне достаточно для изготовления полдюжины ядерных бомб.

В открытом карьере для разработки залежей урана в Окло, в Габоне, обнаружено более дюжины зон, где когда-то происходили ядерные реакции

Специалисты французской Комиссии по атомной энергии были озадачены. Ответом послужила статья 19-летней давности, в которой Джордж Ветрилл (George W. Wetherill) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Марк Ингрэм (Mark G. Inghram) из Чикагского университета высказали предположение о существовании в далёком прошлом природных ядерных реакторов. Вскоре Пол Курода (Paul К. Kuroda), химик из Университета Арканзаса, определил „необходимые и достаточные“ условия для того, чтобы в теле уранового месторождения спонтанно возник процесс самоподдерживающегося расщепления.

Согласно его расчётам, размер месторождения должен превышать среднюю длину пробега нейтронов, вызывающих расщепление (около 2/3 метра). Тогда нейтроны, испущенные одним расщепившимся ядром, будут поглощены другим ядром до того, как они покинут урановую жилу.

Концентрация урана-235 должна быть достаточно велика. Сегодня даже большое месторождение не может стать ядерным реактором, так как содержит меньше 1% урана-235. Этот изотоп распадается приблизительно в шесть раз быстрее, чем уран-238, из чего следует, что в отдалённом прошлом, например, 2 млрд. лет назад, количество урана-235 составляло около 3% — примерно столько, сколько в обогащённом уране, используемом как топливо на большинстве атомных электростанций. Также необходимо наличие вещества, способного замедлять нейтроны, испущенные при расщеплении ядер урана так, чтобы они более эффективно вызывали расщепление других ядер урана. Наконец, в массе руды не должно быть заметных количеств бора, лития или других так называемых ядерных ядов, которые активно поглощают нейтроны и вызвали бы быструю остановку любой ядерной реакции.

Естественные реакторы расщепления были найдены только в сердце Африки — в Габоне, в Окло и соседних урановых шахтах в Окелобондо и на участке Бангомбе, расположенном примерно в 35 км.

Исследователи установили, что условия, создавшиеся 2 млрд. лет назад на 16 отдельных участках как в пределах Окло, так и на соседних урановых шахтах в Окелобондо, были очень близки к тому, что описал Курода (см. „Божественный реактор“, „Вмире науки“, № 1, 2004 г.). Хотя все эти зоны были обнаружены десятилетия назад, только недавно нам наконец удалось прояснить, что же происходило внутри одного из этих древних реакторов.

Проверка лёгкими элементами

Вскоре физики подтвердили предположение, что снижение содержания урана-235 в Окло было вызвано реакциями расщепления. Бесспорное доказательство появилось при изучении элементов, возникающих при расщеплении тяжелого ядра. Концентрация продуктов распада оказалась настолько высокой, что подобное заключение было единственно верным. 2 млрд. лет назад здесь происходила цепная ядерная реакция, подобная той, которую Энрико Ферми и его коллеги блестяще продемонстрировали в 1942 г.

Физики всего мира изучали доказательства существования естественных ядерных реакторов. Результаты своих работ по „феномену Окло“ учёные представили на специальной конференции в столице Габона Либревилле в 1975 г. В следующем году Джордж Коуэн (George A. Cowan), представлявший на этой встрече США, написал статью для журнала Scientific American (см. „A Natural Fission Reactor“, by George A. Cowan, July 1976).

Коуэн обобщил информацию и описал представления о происходившем в этом удивительном месте: некоторые из нейтронов, испущенных при расщеплении урана-235, захватываются ядрами более распространённого урана-238, который превращается в уран-239, и после испускания двух электронов превращается в плутоний-239. Так в Окло образовалось более двух тонн этого изотопа. Затем часть плутония подверглась расщеплению, о чём свидетельствует наличие характерных продуктов его деления, что и позволило исследователям заключить, что эти реакции должны были продолжаться сотни тысяч лет. По количеству использованного урана-235 они вычислили количество выделенной энергии — около 15 тыс. МВт-лет. Согласно этим и другим свидетельствам, средняя мощность реактора оказалась меньше 100 кВт, то есть её хватило бы для работы нескольких дюжин тостеров.

Как возникли больше десятка естественных реакторов? За счёт чего обеспечивалась их постоянная мощность в течение нескольких сотен тысячелетий? Почему они не самоуничтожились сразу после того, как начались цепные ядерные реакции? Какой механизм обеспечил необходимое саморегулирование? Работали ли реакторы непрерывно или периодически? Ответы на эти вопросы появились не сразу. А на последний вопрос удалось пролить свет совсем недавно, когда мои коллеги и я занялись исследованием образцов загадочной африканской руды в Вашингтонском университете в Сент-Луисе.

Расщепление в деталях

Цепные ядерные реакции начинаются, когда отдельный свободный нейтрон попадает в ядро расщепляющегося атома, типа урана-235 (вверху слева). Ядро расщепляется, давая два меньших атома и испуская другие нейтроны, которые отлетают с большой скоростью и должны быть замедлены прежде, чем они смогут вызвать расщепление других ядер. В отложении в Окло так же, как в современных ядерных реакторах на лёгкой воде, замедляющим агентом была обычная вода. Отличие состоит в системе регулирования: на атомных электростанциях используются поглощающие нейтроны стержни, а реакторы в Окло просто нагревались до тех пор, пока вода не выкипала.

Что скрывал благородный газ

Наша работа по одному из реакторов в Окло была посвящена анализу ксенона — тяжёлого инертного газа, который может оставаться заключённым в минералах в течение миллиардов лет. Ксенон имеет девять устойчивых изотопов, возникающих в различных количествах в зависимости от характера ядерных процессов. Будучи благородным газом, он не вступает в химические реакции с другими элементами, и поэтому его легко очистить для изотопного анализа. Ксенон чрезвычайно редок, что позволяет использовать его для обнаружения и отслеживания ядерных реакций, даже если они происходили ещё до рождения Солнечной системы.

Атомы урана-235 составляют около 0,720% естественного урана. Поэтому, когда рабочие обнаружили, что уран из карьера Окло содержал чуть больше 0,717%, они были удивлены, Этот показатель действительно существенно отличается от результатов анализа других образцов руды урана (вверху). Видимо, в прошлом отношение урана-235 к урану-238 было намного выше, так как период полураспада урана-235 намного короче. В подобных условиях становится возможной реакция расщепления. Когда 1,8 млрд, лет назад сформировались урановые залежи в Окло, естественное содержание урана-235 составляло около 3%, как и в топливе для ядерных реакторов. Когда примерно 4,6 млрд. лет назад сформировалась Земля, соотношение превышало 20%, то есть уровень, при котором уран сегодня считается „оружейным“.

Для анализа изотопного состава ксенона требуется масс-спектрометр — прибор, который может сортировать атомы по их весу. Нам повезло: мы получили доступ к чрезвычайно точному масс-спектрометру для ксенона, построенному Чарльзом Хохенбергом (Charles М. Hohenberg). Но сначала нужно было извлечь ксенон из нашего образца. Обычно минерал, содержащий ксенон, нагревают выше точки плавления, при этом кристаллическая структура разрушается и больше не может удерживать заключённый в ней газ. Но мы, чтобы собрать больше информации, применили более тонкий метод — лазерное извлечение, позволяющий добраться до ксенона в определённых зёрнах и оставляющий прилегающие к ним области нетронутыми.

Мы обработали много крошечных участков единственного имеющегося у нас образца горной породы из Окло толщиной всего 1 мм и шириной 4 мм. Чтобы точно нацелить лазерный луч, мы воспользовались подробной рентгеновской картой объекта, построенной Ольгой Прадивцевой, которая также идентифицировала составлявшие его минералы. После извлечения мы очищали выделившийся ксенон и анализировали в масс-спектрометре Хохенберга, который давал нам число атомов каждого изотопа.

Здесь нас ожидало несколько сюрпризов: во-первых, в богатых ураном зёрнах минералов газа не оказалось. Большая его часть была захвачена минералами, содержащими фосфат алюминия, — в них была обнаружена самая высокая концентрация ксенона, когда-либо найденного в природе. Во-вторых, извлечённый газ существенно отличался по изотопному составу от обычно образующегося в ядерных реакторах. В нём практически отсутствовал ксенон-136 и ксенон-134, тогда как содержание более лёгких изотопов элемента осталось прежним.

Ксенон, извлечённый из зёрен фосфата алюминия в образце из Окло, оказался любопытного изотопного состава (слева), не соответствующего тому, что получается при расщеплении урана-235 (в центре), и не похож на изотопный состав атмосферного ксенона (справа). Примечательно, что количества ксенона-131 и -132 выше, а количества -134 и -136 ниже, чем следовало ожидать от расщепления урана-235. Хотя эти наблюдения вначале весьма озадачили автора, позже он понял, что они содержали ключ к пониманию работы этого древнего ядерного реактора.

В чём причина таких изменений? Возможно, это результат ядерных реакций? Тщательный анализ позволил моим коллегам и мне отклонить эту возможность. Мы рассмотрели также физическую сортировку различных изотопов, которая иногда происходит из-за того, что более тяжёлые атомы движутся немного медленней, чем их более лёгкие аналоги. Это свойство используется на заводах по обогащению урана для производства реакторного топлива. Но даже если бы природа могла реализовать подобный процесс в микроскопическом масштабе, состав смеси изотопов ксенона в зёрнах фосфата алюминия отличался бы от того, что мы обнаружили. Например, измеренное относительно количества ксенона-132 уменьшение содержания ксенона-136 (более тяжёлого на 4 атомные единицы массы) было бы вдвое больше, чем для ксенона-134 (более тяжёлого на 2 атомные единицы массы), если бы работала физическая сортировка. Однако мы не увидели ничего подобного.

Проанализировав условия образования ксенона, мы обратили внимание, что ни один из его изотопов не был прямым результатом расщепления урана; все они были продуктами распада радиоактивных изотопов йода, которые, в свою очередь, образовывались из радиоактивного теллура и т. д., согласно известной последовательности ядерных реакций. При этом различные изотопы ксенона в нашем образце из Окло возникали в разные моменты времени. Чем дольше живёт конкретный радиоактивный предшественник, тем больше запаздывает образование из него ксенона. Например, образование ксенона-136 началось только спустя минуту после начала самоподдерживающегося расщепления. Спустя час появляется следующий более легкий устойчивый изотоп, ксенон-134. Затем, спустя несколько дней, на сцене появляются ксенон-132 и ксенон-131. Наконец, через миллионы лет, и много позже прекращения цепных ядерных реакций, образуется ксенон-129.

Если бы залежи урана в Окло оставались замкнутой системой, ксенон, накопившийся в процессе работы его естественных реакторов, сохранил нормальный изотопный состав. Но система не была замкнутой, подтверждением чего можно считать тот факт, что реакторы в Окло каким-то образом регулировали сами себя. Наиболее вероятный механизм предполагает участие в этом процессе грунтовых вод, которые выкипали после того, как температура достигала некоторого критического уровня. При испарении воды, действовавшей как замедлитель нейтронов, цепные ядерные реакции временно прекращались, а после того, как всё остывало и в зону реакции снова проникало достаточное количество грунтовых вод, расщепление могло возобновиться.

Эта картина проясняет два важных момента: реакторы могли работать периодами (включаясь и выключаясь); через эту горную породу должны были проходить большие количества воды, достаточные, чтобы вымыть некоторые из предшественников ксенона, а именно теллур и йод. Присутствие воды помогает также объяснить, почему большая часть ксенона теперь содержится в зёрнах фосфата алюминия, а не в богатых ураном породах. Зёрна фосфата алюминия, вероятно, сформировались под действием нагретой ядерным реактором воды, после того как она охладилась приблизительно до 300°С.

Во время каждого активного периода действия реактора в Окло и в течение некоторого времени после, пока температура оставалась высокой, большая часть ксенона (включая ксенон-136 и -134, которые генерируются относительно быстро) удалялась из реактора. Когда же реактор остывал, более долгоживущие предшественники ксенона (те, которые позже породят ксенон-132, -131 и -129, которые мы нашли в большем количестве) оказывались включёнными в растущие зёрна фосфата алюминия. Затем, когда всё больше воды возвращалось в зону реакции, нейтроны в нужной степени замедлялись и снова начиналась реакция расщепления, заставляя повториться цикл нагревания и охлаждения. Результатом и стало специфическое распределение изотопов ксенона.

Не вполне ясно, какие силы удерживали этот ксенон в минералах фосфата алюминия в течение почти половины жизни планеты. В частности, почему ксенон, возникший в данном цикле работы реактора, не оказался изгнанным во время следующего цикла? Предположительно структура фосфата алюминия оказалась способной удерживать ксенон, образовавшийся внутри неё, даже при высоких температурах.

Попытки объяснить необычность изотопного состава ксенона в Окло потребовали рассмотреть также и другие элементы. Особое внимание привлек йод, из которого ксенон образуется при радиоактивном распаде. Моделирование процесса возникновения продуктов расщепления и их радиоактивного распада показало, что специфический изотопный состав ксенона — следствие циклического действия реактора, Этот цикл изображён на трёх схемах сверху.

Рабочий график природы

После того как была выработана теория возникновения ксенона в зёрнах фосфата алюминия, мы попытались реализовать этот процесс в математической модели. Наши выкладки прояснили многое в работе реактора, причём полученные данные об изотопах ксенона привели к ожидаемым результатам. Реактор в Окло „включался“ на 30 минут и „отключался“ по крайней мере на 2,5 часа. Подобным образом функционируют некоторые гейзеры: медленно нагреваются, вскипают, выбрасывая порцию грунтовых вод, повторяя этот цикл день за днём, год за годом. Так, грунтовые воды, проходящие через месторождение в Окло, могли не только быть замедлителем нейтронов, но и „регулировать“ работу реактора. Это был чрезвычайно эффективный механизм, не позволяющий структуре ни расплавиться, ни взорваться на протяжении сотен тысяч лет.

Инженерам, работающим в области ядерной энергетики, есть чему поучиться у Окло. Например тому, как обращаться с ядерными отходами. Окло представляет собой образец долгосрочного геологического хранилища. Поэтому учёные подробно исследуют процессы миграции с течением времени продуктов расщепления из естественных реакторов. Они также тщательно изучили такую же зону древнего ядерного расщепления на участке Бангомбе, примерно в 35 км от Окло. Реактор в Бангомбе представляет особый интерес, так как он находится на меньшей глубине, чем в Окло и Окелобондо, и до недавнего времени через него проходило больше воды. Подобные удивительные объекты подтверждают гипотезу, что многие виды опасных ядерных отходов можно будет успешно изолировать в подземных хранилищах.

Пример Окло также демонстрирует способ хранения некоторых видов наиболее опасных ядерных отходов. С начала промышленного использования ядерной энергии в атмосферу были выброшены огромные количества образующихся в ядерных установках радиоактивных инертных газов (ксенона-135, криптона-85 и др.). В природных реакторах эти отходы производства захватываются и удерживаются в течение миллиардов лет минералами, содержащими фосфат алюминия.

Древние реакторы типа Окло могут оказать влияние и на понимание фундаментальных физических величин, например, физической постоянной, обозначаемой буквой α (альфа), связанной с такими универсальными величинами, как скорость света (см. „Непостоянные постоянные“, „В мире науки“, № 9, 2005 г.). В течение трёх десятилетий феномен Окло (возрастом 2 млрд. лет) использовался как довод против изменений α. Но в прошлом году Стивен Ламоро (Steven К. Lamoreaux) и Джастин Торгерсон (Justin R. Torgerson) из Лос-Аламосской национальной лаборатории установили, что эта „постоянная“ значительно изменялась.

Являются ли эти древние реакторы в Габоне единственными, когда-либо образовавшимися на Земле? Два миллиарда лет назад условия, необходимые для самоподдерживающегося расщепления, были не слишком редкими, так что, возможно, однажды будут обнаружены и другие естественные реакторы. А результаты анализа ксенона из образцов могли бы очень помочь в этом поиске.

„Феномен Окло заставляет вспомнить высказывание Э. Ферми, построившего первый ядерный реактор, и П.Л. Капицы, которые независимо друг от друга утверждали, что только человек способен создать нечто подобное. Однако древний природный реактор опровергает эту точку зрения, подтверждая мысль А. Эйнштейна о том, что Бог более изощрён…“
С.П. Капица

Источник