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 изощрен...
С.П. Капица
В 1945 г. японский физик П.К. Курода, потрясенный увиденным в Хиросиме, впервые предположил возможность самопроизвольного процесса деления ядер в природе. В 1956 г. в журнале «Nature» он опубликовал маленькую, всего на страницу, заметку. В ней коротко излагалась теория природного ядерного реактора.
Для инициирования деления тяжелых ядер необходимы три условия будущей цепной реакции:
- 1) горючее - 23э и;
- 2) замедлители нейтронов - вода, окислы кремния и металлов, графит (сталкиваясь с молекулами этих веществ, нейтроны растрачивают свой запас кинетической энергии и из быстрых превращаются в медленные);
- 3) поглотители нейтронов, среди которых - осколочные элементы и сам уран.
Преобладающий в природе изотоп 238 U может делиться под действием быстрых нейтронов, но нейтроны средней энергии (с большей энергией, чем медленные, и с меньшей, чем быстрые) его ядра захватывают и при этом не распадаются, не делятся.
При каждом делении ядра 235 U, вызванном столкновением с медленным нейтроном, образуются два-три новых быстрых нейтрона. Чтобы вызвать новое деление 23э и, они должны стать медленными. Часть быстрых нейтронов замедляется соответствующими материалами, другая часть выбывает из системы. Замедленные нейтроны частично поглощаются редкоземельными элементами, всегда присутствующими в урановых месторождениях и образующимися при делении ядер урана - вынужденном и спонтанном. Например, гадолиний и самарий относятся к числу самых сильных поглотителей тепловых нейтронов.
Для осуществления устойчивого протекания цепной реакции деления 235 U необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов не опускался меньше 1. Коэффициент размножения (Кр) это отношение остатка нейтронов к их первоначальному числу. Если Кр = 1, в урановом месторождении устойчиво протекает цепная реакция, если Кр > 1, месторождение должно самоуничтожиться, рассеяться, может даже взорваться. При Кр
Для выполнения трех условий необходимо: во-первых, чтобы месторождение было древним. В настоящее время в природной смеси изотопов урана концентрация 23э и составляет всего 0,72%. Не многим больше она была и 500 млн, и 1 млрд лет назад. Поэтому ни в одном месторождении моложе 1 млрд лет не могла начаться цепная реакция, независимо от общей концентрации урана или воды-замедлителя. Период полураспада 235 и около 700 млн лет. Концентрация этого изотопа урана в природных объектах 2 млрд лет назад составляла 3,7%, 3 млрд лет - 8,4%, 4 млрд лет -19,2%. Именно миллиарды лет назад горючего для природного ядерного реактора было достаточно.
Древность месторождения - необходимое, но недостаточное условие действия природных реакторов. Другое, также необходимое условие - присутствие здесь же воды в больших количествах. Вода, особенно тяжелая, - лучший замедлитель нейтронов. Неслучайно же критическая масса урана (93,5% 235 Г1) в водном растворе - меньше одного килограмма, а в твердом состоянии, в виде шара со специальным отражателем нейтронов - от 18 до 23 кг. Не меньше 15-20% воды должно было быть в составе урановой древней руды, чтобы в ней началась цепная реакция деления урана.
В июне 1972 г. в одной из лабораторий Комиссариата по атомной энергии Франции при приготовлении эталонного раствора природного урана, выделенного из руды уранового месторождения Окло, Габон (рис. 4.4), обнаружили отклонение изотопного состава урана от обычного: 235 и оказалось 0,7171% вместо 0,7202%. На протяжении следующих шести недель экстренно проанализировали еще 350 образцов и выявили, что из этого африканского месторождения во Францию доставляется урановая руда, обедненная изотопом 235 Г1. Оказалось, что за полтора года из рудника поступило 700 т обедненного урана, и общая недостача 23:> и в сырье, поступившем на атомные заводы Франции, составила 200 кг.
Французские исследователи (Р. Бодю, М. Нелли и др.) срочно опубликовали сообщение, что ими обнаружен природный ядерный реактор. Затем во многих журналах были приведены результаты всестороннего изучения необычного месторождения Окло.
Приблизительно 2 млрд 600 млн лет назад (Архейская эра) на территории нынешнего Габона и сопредельных с ним африканских государств образовалась огромная гранитная плита протяженностью во много десятков километров. Эту дату определили с помощью радиоактивных часов - по накоплению аргона из калия, стронция - из рубидия, свинца - из урана.
В течение последующих 500 млн лет эта глыба разрушалась, превращаясь в песок и глину. Они смывались реками и в виде осадков, насыщенных органическим веществом, слоями оседали в дельте древней громадной реки. За десятки миллионов лет толщи осадков настолько увеличились, что нижние слои оказались на глубине в несколько километров. Сквозь них просачивались подземные воды, в которых были растворены соли, в том числе немного солей уранила (ион иОу +). В слоях, насыщенных органическим веществом, были условия для восстановления шестивалентного урана в четырехвалентный, который и выпадал в осадок. Постепенно много тысяч тонн урана отложилось в виде рудных «линз» размером в десятки метров. Содержание урана в руде достигло 30, 40, 50% и продолжало расти.
В какой-то момент сложились все условия, необходимые для начала цепной реакции, о которых рассказано выше, и природный реактор заработал. Концентрация изотопа 235 и составляла в то время 4,1%. В сотни миллионов раз вырос поток нейтронов. Это привело не только к выгоранию 23э и, месторождение Окло оказалось скопищем многих изотопных аномалий. В результате работы природного
Рис. 4.4.
реактора образовалось около 6 т продуктов деления и 2,5 т плутония. Основная масса радиоактивных отходов «захоронена» внутри кристаллической структуры минерала уранита, который обнаружен в теле руд Окло.
Оказалось, что природный реактор работал приблизительно 500 тыс. лет. По выгоранию изотопов была рассчитана и энергия, вырабатываемая природным реактором, - 13000000 кВт, в среднем всего 25 кВт/ч: в 200 раз меньше, чем у первой в мире АЭС, давшей в 1954 г. электроэнергию подмосковному городу Обнинску. Этой энергии, однако, хватило, чтобы температура месторождения Окло достигла 400-600 °С. Ядерных взрывов в месторождении не было. Это, вероятно, объясняется тем, что природный реактор Окло был саморегулирующимся. Когда Кр нейтронов приближался к единице, температура повышалась, и вода - замедлитель нейтронов - уходила из зоны реакции. Реактор останавливался, остывал, и вода снова насыщала руду - опять возобновлялась цепная реакция. Время периодической работы реактора до остановки - около 30 мин, время остывания реактора - 2,5 ч.
В настоящее время образование природного ядерного реактора на Земле невозможно, но ведутся поиски остатков других природных ядерных реакторов.
Король А.Ю. - студент 121 класса СНИЯЭиП
(Севастопольский национальный институт ядерной энергии и промышленности.)
Руководитель - к.т.н. , доцент кафедры ЯППУ СНИЯЭиП Вах И.В., ул. Репина
14 кв. 50
В Окло (урановый рудник в государстве Габон, вблизи экватора, западная Африка) 1900 миллионов лет назад работал природный ядерный реактор. Было выделено шесть "реакторных" зон, в каждой из которых обнаружены признаки протекания реакции деления. Остатки распадов актиноидов указывают на то, что реактор работал в режиме медленного кипения на протяжении сотен тысяч лет.
В мае - июне 1972 года при рядовых измерениях
физических параметров партии природного урана поступившего на обогатительную
фабрику французского города Пьерлате из африканского месторождения Окло
(урановый рудник в Габоне, государстве, расположенном вблизи экватора
в Западной Африке) обнаружилось, что изотопа U - 235 в поступившем природном
уране меньше стандартного. Было обнаружено, что в уране содержится 0,7171%
U - 235. Нормальное значение для природного урана 0,7202%
U - 235. Во всех урановых минералах, во всех горных породах и природных
водах Земли, а также в лунных образцах это соотношение выполняется. Месторождение
в Окло пока единственный, зарегистрированный в природе случай, когда это
постоянство было нарушено. Разница была незначительная - всего лишь 0,003%,
но тем не менее она привлекла внимание технологов. Возникло подозрение,
что имела место диверсия или похищение делящегося материала, т.е. U -
235. Однако оказалось, что отклонение в содержание U-235 прослеживалось
вплоть до источника урановой руды. Там в некоторых пробах было обнаружено
менее 0,44% U-235.пробы брали повсюду по руднику и показали систематическое
уменьшение содержания U-235 поперёк некоторых жил. Эти рудные жилы имели
толщину более 0,5 метров.
Предположение, что U-235 "выгорел", как это бывает в топках
ядерных электростанций, поначалу прозвучало как шутка, хотя для того имелись
серьёзные основания. Расчёты показали, что если массовая доля грунтовых
вод в пласте составляет около 6% и если природный уран обогащён до 3%
U-235, то при этих условиях может начать работать природный ядерный реактор.
Поскольку рудник находится в тропической зоне и довольно близко к поверхности,
то существование достаточного количества грунтовых вод весьма вероятно.
Соотношение изотопов урана в руде было не обычным. U-235 и U-238 - радиоактивные
изотопы с различными периодами полураспада. U-235 имеет период полураспада
700 млн. лет, а U-238 распадается с периодом полураспада в 4,5 млрд. Изотопное
содержание U-235 находится в природе в процессе медленного изменения.
Например, 400 млн. лет назад в природном уране должен был быть 1% U-235,
1900 млн. лет назад его было 3%, т.е. необходимое количество для "критичности"
жилы урановой руды. Считается, что именно тогда реактор Окло находился
в состоянии работы. Было выделено шесть "реакторных" зон, в
каждой из которых обнаружены признаки протекания реакции деления. Например,
торий от распада U-236 и висмут от распада U-237 были обнаружены только
в реакторных зонах в месторождении Окло. Остатки от распада актиноидов
указывают на то, что реактор работал в режиме медленного кипения на протяжении
сотен тысяч лет. Реакторы были саморегулирующимися, так как чересчур большая
мощность привела бы к полному выкипанию воды и к остановке реактора.
Как же природе удалось создать условия для цепной ядерной реакции? Сначала
в дельте древней реки образовался богатый урановый рудой слой песчаника,
который покоился на крепком базальтовом ложе. После очередного землетрясения
обычного в то буйное время базальтовый фундамент будущего реактора опустился
на несколько километров, потянув за собой урановую жилу. Жила растрескалась,
в трещины проникла грунтовая вода. Затем очередной катаклизм поднял всю
"установку" до современного уровня. В ядерных топках АЭС топливо
располагается компактными массами внутри замедлителя гетерогенный реактор.
Так получилось и в Окло. Замедлителем служила вода. В руде появились глинистые
"линзы", где концентрация от природного урана от обычных 0,5%
повысилась до 40%. Как образовались эти компактные глыбы урана, точно
не установлено. Возможно их создали фильтрационные воды, которые уносили
глину и сплачивали уран в единую массу. Как только масса и толщина слоёв,
обогащённых ураном, достигла критических размеров, в них возникла цепная
реакция, и установка начала работать. В результате работы реактора образовалось
около 6 тонн продуктов деления и 2,5 тонны плутония. Большинство радиоактивных
отходов осталось внутри кристаллической структуры минерала уранита, который
обнаружен в теле руд Окло. Элементы, которые не смогли проникнуть сквозь
решётку уранита из-за слишком большого или слишком маленького ионного
радиуса, диффундируют или выщелачиваются. В течении 1900 млн. лет, прошедших
со времён работы реакторов в Окло, по крайней мере половина из более чем
тридцати продуктов деления оказались связанные в руде, несмотря на обилие
грунтовых вод в этом месторождении. Связанные продукты деления включают
в себя элементы: La, Ce, Pr, Nd, Eu, Sm, Gd, Y, Zr, Ru, Rh, Pd, Ni, Ag.
Была обнаружена некоторая частичная миграция Pb, а миграция Pu была ограничена
расстоянием меньше 10 метров. Только металлы с валентностью 1 или 2, т.е.
те, которые обладают высокой растворимостью в воде, были унесены. Как
и предполагалось, на месте почти не осталось Pb, Cs, Ba и Cd. Изотопы
этих элементов имеют относительно короткие периоды полураспада десятки
лет или меньше, так что они распадаются до нерадиоактивного состояния
прежде, чем смогут далеко мигрировать в почве. Наибольший интерес с точки
зрения долговременных проблем защиты окружающей среды представляют вопросы
миграции плутония. Этот нуклид эффективно связан на срок почти 2 млн.
лет. Так как плутоний к настоящему времени почти полностью распадается
до U-235, то о его стабильности свидетельствует отсутствие избытка U-235
не только снаружи реакторной зоны, но также вне зёрен уранита, где образовывался
плутоний во время работы реактора.
Существовал этот уникум природы около 600 тысяч лет и выработал примерно
13000000 кВт. час энергии. Его средняя мощность всего 25 кВт: в 200 раз
меньше, чем у первой в мире АЭС, давшей в 1954 году электроэнергию подмосковному
городу Обнинску. Но энергия природного реактора не расходовалась впустую:
по некоторым гипотезам именно распад радиоактивных элементов снабжал энергией
разогревающуюся Землю.
Возможно, сюда приплюсовывалась и энергия аналогичных ядерных реакторов.
Сколько их скрыто под землёй? И реактор в то Окло в то стародавнее время,
безусловно, был не исключением. Существуют гипотезы, что работа таких
реакторов "подстегнула" развитие на земле живых существ, что
зарождение жизни связано с влиянием радиоактивности. Данные свидетельствуют
о более высокой степени эволюции органической материи по мере приближения
к реактору Окло. Он вполне мог оказывать влияние на частоту мутаций одноклеточных,
попадавших в зону повышенного уровня радиации, что и привело к появлению
предков человека. Во всяком случае жизнь на Земле возникла и прошла долгий
путь эволюции на уровне естественного фона радиации, которая стала необходимым
элементом развития биологических систем.
Создание атомного реактора - новшество, которым гордится человек. Оказывается
его создание давно записано в патентах природы. Сконструировав ядерный
реактор, шедевр научно - технической мысли, человек, по сути дела, оказался
имитатором природы, много миллионов лет тому назад создавшей установки
подобного рода.
Многое предложенное нам природой само по себе пока совершеннее и проще того, что планирует изготовить человек, поэтому исследователи изучают, в первую очередь, то, что предлагает нам природа.
Но в том, о чем пойдет разговор в этой статье, произошло все ровным счетом наоборот.
2 декабря 1942 года команда ученых Чикагского университета под руководством нобелевского лауреата Энрико Ферми создала первый рукотворный ядерный реактор. Это достижение держалось в секрете в период Второй мировой войны, как часть так называемого "Манхэттенского проекта" по созданию атомной бомбы.
Спустя 15 лет после создания человеком реактора расщепления учёные задумались о возможности существования атомного реактора, созданного самой природой. Первая официальная публикация на тему принадлежит перу японского профессора Пола Куроды (1956 год), который установил подробные требования для любых вероятных естественных реакторов, если таковые существуют в природе.
Ученый в деталях обрисовал это явление, и его описание до сих пор считается лучшим (классическим) в ядерной физике:
- Приближенный возрастной диапазон образования естественного реактора
- Необходимая концентрация урана в нем
- Требуемое соотношение в нем изотопов урана - 235 U/ 238 U
Несмотря на тщательно проведенное исследование, Пол Курода не смог подыскать для своей модели пример естественного реактора среди имеющихся на планете месторождений урановой руды.
Маленькая, но критическая деталь, которую упустил из вида ученый - это возможность участия воды в качестве замедлителя цепной реакции. Он также не догадался о том, что определенные руды могут быть настолько пористы, что удерживают в себе необходимое количество воды, чтобы замедлить скорость нейтронов и поддержать реакцию.
Ученые утверждали, что только человек способен создать ядерный реактор, однако природа оказалась изощреннее.
Естественный ядерный реактор был обнаружен 2 июня 1972 года французским аналитиком Бужигесом на юго-востоке Габона в западной Африке, прямо в теле уранового месторождения.
А произошло открытие так.
Во время проведения рутинных спектрометрических исследований коэффициента содержания изотопов 235 U/ 238 U в руде с месторождения Окло в лаборатории французского уранообогатительного завода Пьеррлатт ученый-химик обнаружил небольшое отклонение (в 0,00717, по сравнению с нормой в 0,00720).
Для природы характерна стабильность изотопного состава различных элементов. Он неизменен на всей планете. В природе, конечно, протекают процессы распада изотопов, но тяжелым элементам это не свойственно, потому что разница в их массах недостаточна, для того чтобы данные изотопы делились в ходе каких-либо геохимических процессов. Но в месторождении Окло изотопный состав урана был нехарактерным. Этого маленького различия было достаточно, для того чтобы заинтересовать ученых.
Сразу появились различные гипотезы о причинах странного явления. Одни утверждали, что месторождение было заражено отработанным топливом инопланетных космических аппаратов, другие считали его местом захоронения ядерных отходов, доставшихся нам в "наследство" от древних высокоразвитых цивилизаций. Тем не менее, детальные исследования показали, что столь необычное соотношение изотопов урана образовалось естественным путем.
Вот какова смоделированная история этого "чуда природы".
Заработал реактор около двух миллиардов лет назад во времена протерозоя. Протерозой щедр на открытия. Именно в протерозое были разработаны основные принципы существования живой материи и развития жизни на Земле. Появились первые многоклеточные организмы и начали осваивать прибрежные воды, количество свободного кислорода в атмосфере Земли достигло 1%, и появились препосылки для бурного расцвета жизни, произошел переход от простого деления к половому размножению.
И вот, в столь важное для Земли время появляется и наш "ядерный природный феномен".
Все-таки удивительно, что в мире не найдено больше ни одного аналогичного реактора. Правда, по некоторым сведениям, следы похожего реактора найдены в Австралии. Объяснить это можно только тем, что в далекий кембрийский период Африка и Австралия представляли собой единое целое. Еще одна окаменелая реакторная зона также была обнаружена в Габоне, но в другом месторождении урана - в Бангомбе, в 35 километрах к юго-востоку от Окло.
На Земле известны урановые месторождения того же возраста, в которых, однако, ничего похожего не происходило. Вот только самые известные из них: Девилз-Хоул и Рэйниер-Мейса в штате Невада, Пенья-Бланка в Мексике, Бокс-Кэньон в Айдахо, Каймакли в Турции, Шове-Кав во Франции, Сигар-Лейк в Канаде и Оуэнс-Лейк в Калифорнии.
По-видимому, в протерозое в Африке возникли ряд уникальных условий, необходимых для запуска естественного реактора.
Каков же механизм столь удивительного процесса?
Вероятно, сначала в некой впадине, возможно, в дельте древней реки, образовался богатый урановый рудой слой песчаника, который покоился на крепком базальтовом ложе. После очередного землетрясения, обычного в ту эпоху, базальтовый фундамент будущего реактора опустился на несколько километров, потянув за собой урановую жилу. Жила растрескалась, в трещины проникла грунтовая вода. При этом уран охотно мигрирует с водой, содержащей большое количество кислорода, то есть в окислительной обстановке.
Насыщенная кислородом вода пробирается сквозь толщу горной породы, вымывает из нее уран, увлекает его за собой и постепенно расходует содержащийся в ней кислород на окисление органики и двухвалентного железа. Когда запас кислорода исчерпан, химическая обстановка в земных глубинах из окислительной становится восстановительной. "Странствие" урана после этого завершается: он отлагается в горных породах, накапливаясь на протяжении многих тысячелетий. Затем очередной катаклизм поднял фундамент до современного уровня. Такой схемы придерживаются многие ученые, в том числе и предложившие ее.
Как только масса и толщина слоев, обогащённых ураном, достигла критических размеров, в них возникла цепная реакция, и "агрегат" заработал.
Несколько слов следует сказать и о самой цепной реакции, которая является следствием сложных химических процессов, проходящих в "природном реакторе". Легче всего расщепляются ядра 235 U, которые, поглощая нейтрон, делятся на два фрагмента расщепления и испускают при этом два-три нейтрона. Изгнанные нейтроны могут, в свою очередь, быть поглощены другими урановыми ядрами, провоцируя нарастание распада.
Такая самоподдерживающаяся реакция управляема, чем и воспользовались люди, создавшие ядерный реактор расщепления. В нем контроль осуществляется при помощи управляющих стержней (произведенных из хорошо поглощающих нейтроны материалов, например, из кадмия), спускаемых в "горячую зону". В своем реакторе Энрико Ферми использовал именно такие кадмиевые пластины для регуляции ядерной реакции. Реактор же в Окло никем не управлялся в обычном понимании этого термина.
Цепная реакция сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому до сих пор было неясно, почему природные реакторы в Габоне не взрывались, а реакции саморегулировались.
Ныне ученые уверены, что знают ответ. Исследователи из Вашингтонского университета считают, что взрывов не случалось благодаря присутствию горных водных источников. В различных реакторах, созданных человеком, в качестве замедлителя используется графит, необходимый для поглощения испускаемых нейтронов и поддержания цепной реакции, а в Окло роль замедлителя реакции исполняла вода. Когда в природный реактор попадала вода, она закипала и испарялась, в результате чего цепная реакция на время приостанавливалась. На охлаждение реактора и накопление воды требовались примерно два с половиной часа, а длительность активного периода составляла порядка 30 минут, сообщаетNature .
Когда порода остывала, вода вновь просачивалась и запускала ядерную реакцию. И так, то вспыхивая, то угасая, реактор, мощность которого составляла порядка 25 кВт (что в 200 раз меньше, чем у самой первой атомной электростанции), проработал приблизительно 500 тысяч лет.
В Окло, как и на всей остальной Земле и в Солнечной системе в целом, два миллиарда лет назад относительное содержание изотопа 235 U в урановой руде составляло 3000 на миллион атомов. В настоящее же время образование на Земле ядерного реактора естественным путём уже невозможно, поскольку в природном уране ощущается нехватка 235 U.
Есть и еще целый ряд условий, выполнение которых обязательно для запуска природной реакции расщепления:
- Высокая общая концентрация урана
- Низкая концентрация поглотителей нейтронов
- Высокая концентрация замедлителя
- Минимальная или критическая масса для запуска реакции расщепления
Кроме того, что природой был запущен сам механизм естественного реактора, не может не волновать и следующий, пожалуй, самый "насущный" для мировой экологии вопрос: что же произошло с отходами естественной ядерной "энергостанции"?
В результате работы природного реактора образовалось около шести тонн продуктов деления и 2,5 тонны плутония. Основная масса радиоактивных отходов "захоронена" внутри кристаллической структуры минерала уранита, который обнаружен в теле руд Окло.
Неподходящие по размерам ионного радиуса элементы, которые не могут проникнуть сквозь решетку уранита, либо взаимопроникают, либо выщелачиваются.
Оклинский реактор "поведал" человечеству о том, как можно захоронить ядерные отходы так, чтобы это могильник был безвреден для окружающей среды. Есть свидетельства того, что на глубине свыше ста метров при отсутствии несвязанного кислорода практически все продукты ядерных захоронений не вышли за границы рудных тел. Зарегистрированы перемещения только таких элементов, как йод или цезий. Это дает возможность провести аналогию между природными процессами и технологическими.
Самое пристальное внимание защитников окружающей среды привлекает проблема миграции плутония. Известно, что плутоний практически целиком распадается до 235 U, поэтому его неизменное количество может говорить о том, что избытка урана нет не только вне реактора, но также и вне гранул уранита, где образовывался плутоний во время активности реактора.
Плутоний - достаточно чужеродный элемент для биосферы, и встречается он в мизерной концентрации. Наряду с некоторым количеством в руде урановых месторождений, где он впоследствии распадается, немного плутония образуется из урана при взаимодействии с нейтронами космического происхождения. В малых количествах уран может встречаться в природе в различных концентрациях в абсолютно различных естественных средах - в гранитах, фосфоритах, апатитах, морской воде, почве и др.
В данный момент Окло - действующее урановое месторождение. Те рудные тела, которые располагаются у поверхности, добывают карьерным методом, а те, что на глубине, горными выработками.
Из семнадцати известных ныне ископаемых реакторов девять полностью засыпаны (недоступны).
Реакторная зона 15 - единственный реактор, который доступен через тоннель в шахте реактора. Остатки ископаемого реактора 15 ясно различимы как легкая серо-желтая цветастая скала, которая сложена, главным образом, из окиси урана.
Светлые цветные полоски в скалах выше реактора - это кварц, который выкристализовался из горячих подземных водных источников, циркулировавших в период активности реактора и после его угасания.
Однако как об альтернативной оценке событий того далекого времени можно упомянуть и о следующем мнении, связанном с последствиями работы природного реактора. Предполагается, что природный ядерный реактор мог привести к многочисленным мутациям живых организмов в том регионе, подавляющее большинство которых вымерли как нежизнеспособные. Некоторые палеоантропологи считают, что именно высокая радиация вызвала неожиданные мутации у бродивших как раз неподалеку африканских предков человека и сделала их людьми (!).
Два миллиарда лет назад в одном из мест на нашей планете геологические условия сложились удивительным образом, случайно и спонтанно образовав термоядерный реактор. Он стабильно работал в течение миллиона лет, а его радиоактивные отходы, опять-таки естественным образом, никому не угрожая, хранились в природе всё то время, что прошло с момента его остановки. Было бы неплохо понять, как у него это получилось, не правда ли?
Реакция ядерного деления (краткая справка)
Прежде чем начать рассказ о том, как это случилось, давайте быстренько вспомним, что такое реакция деления. Она происходит, когда тяжёлое ядерное ядро распадается на более лёгкие элементы и свободные осколки, испуская огромное количество энергии. Упомянутые осколки – это небольшие и лёгкие атомные ядра. Они нестабильны, а потому чрезвычайно радиоактивны. Именно они составляют основную массу опасных отходов в атомной энергетике.
Помимо этого, высвобождаются рассеянные нейтроны, которые способны возбуждать соседние тяжёлые ядра до состояния деления. Так, собственно, и происходит цепная реакция, которую можно контролировать на тех же атомных электростанциях, обеспечивая энергией потребности населения и экономики. Неуправляемая реакция может быть катастрофически разрушительной. Поэтому, когда люди строят атомный реактор, им приходится потрудиться и соблюсти массу предосторожностей, чтобы запустить термоядерную реакцию.
Прежде всего, нужно заставить делиться тяжёлый элемент – обычно для этой цели используется уран. В природе он в основном встречается в виде трёх изотопов. Самым распространённым из них является уран-238. Его можно найти во многих местах планеты – на суше и даже в океанах. Однако сам по себе он не способен к делению, так как достаточно стабилен. С другой стороны, уран-235 обладает нужной нам нестабильностью, но его доля в природе составляет всего около 1 процента. Поэтому после добычи уран обогащается – доля урана-235 в общей массе доводится до 3%.
Но это далеко не всё – термоядерному реактору в целях безопасности требуется замедлитель для нейтронов, чтобы они оставались в узде и не вызывали неконтролируемую реакцию. В большинстве реакторов для этой цели используется вода. Кроме того, регулирующие стержни этих сооружений изготавливаются из материалов, также поглощающих нейтроны, вроде серебра. Вода, помимо основной функции, охлаждает реактор. Это упрощённое описание технологии, но даже по нему понятно, насколько она сложна. Лучшие умы человечества потратили десятилетия, чтобы довести её до ума. А потом мы узнали, что ровно то же самое создала природа, причём случайно. Есть в этом что-то невероятное, не правда ли?
Габон – родина ядерных реакторов
Однако тут надо вспомнить о том, что два миллиарда лет назад урана-235 было гораздо больше. По той причине, что он распадается гораздо быстрее урана-238. В Габоне, в местности, которая называется Окло, его концентрация оказалась достаточной для того чтобы запустить спонтанную термоядерную реакцию. Предположительно, в этом месте оказалось нужное количество замедлителя – скорее всего, воды, благодаря чему всё это не закончилось грандиозным взрывом. Также в этой среде не было поглощающих нейтроны материалов, в результате чего реакция деления поддерживала себя длительное время.
Это единственный известный науке природный ядерный реактор. Но это не значит, что он был таким уникальным всегда. Другие могли сместиться вглубь земной коры в результате движения тектонических плит или исчезнуть из-за эрозии. Также возможно, что их ещё просто не нашли. Кстати, этот природный габонский феномен также не сохранился до наших дней – он полностью выработан шахтёрами. Именно благодаря этому о нём и узнали – углубились в землю в поисках урана для обогащения, а затем вернулись на поверхность, озадаченно почёсывая затылок и пытаясь решить дилемму – “Либо кто-то украл отсюда почти 200 килограмм урана-235, либо это природный ядерный реактор, который уже полностью сжёг его”. Правильный ответ после второго “либо”, если кто-то не следил за нитью изложения.
Почему габонский реактор так важен для науки?
Тем не менее, это очень важный для науки объект. По той причине, что он без вреда для экологии работал порядка миллиона лет. Ни один грамм отходов не просочился в природу, ничто в ней не подверглось воздействию! Это крайне необычно, ведь побочные продукты деления урана крайне опасны. Мы до сих пор не знаем, что с ними делать. Одним из них является цезий. Есть и другие элементы, способные непосредственно навредить здоровью человека, но именно из-за цезия ещё долго будут представлять опасность развалины Чернобыля и Фукусимы.
Габонский природный ядерный реактор
Учёные, обследовавшие не так давно шахты в Окло, выяснили, что цезий в этом природном реакторе поглощался и связывался другим элементом – рутением. Он очень редко встречается в природе, и мы не можем использовать его в промышленных масштабах для нейтрализации ядерных отходов. Но понимание механизма работы реактора может дать нам надежду, что мы сможем найти нечто похожее и избавиться от этой давно стоящей перед человечеством проблемы.
Загадка, которая наводит на интересные мысли!
Ядерный могильник – место, где хранится отработанное ядерное топливо ОЯТ, по всей Земле разбросано множество таких мест. Все они были построены в последние десятилетия, чтобы надежно спрятать представляющие огромную опасность побочные продукты деятельности атомных электростанций.
Но к одному из могильников человечество не имеет никакого отношения: неизвестно, кто его и построил и даже когда – ученые осторожно определяют его возраст в 1,8 млрд. лет.
Феномен Окло
В 1972 году на разрабатываемом месторождении урана в Окло (Африка, Габон) любознательный лаборант обратил внимание, что процентное содержание U-235 в руде ниже норматива на 0,003%. Несмотря на кажущуюся незначительность отклонения, для ученых это было ЧП. Во всех земных урановых рудах и даже в образцах, доставленных с Луны, показатель содержания урана в руде всегда 0,7202%, по какой же причине из шахт в Окло поднимали руду, содержащую 0,7171%, а то и менее?
Более всего ученых пугает непонятное, поэтому в 1975 году в столице Габона Либревиле состоялась научная конференция, на которой ученые-атомщики искали объяснение феномену.
После долгих дебатов решили считать месторождение в Окло единственным на Земле природным ядерным реактором. Возникший 1,8 млрд. лет назад и горевший на протяжении 500 тыс. лет природный реактор выгорел, руда – продукт распада. Все облегченно вздохнул — одной загадкой на Земле стало меньше.
Альтернативная точка зрения
Но не все участники конференции приняли такое решение. Ряд ученых назвал его надуманным, не выдерживающим никакой критики. Опирались они на мнение великого Энрико Ферми, создателя первого в мире ядерного реактора, всегда утверждавшего, что цепная реакция может иметь только искусственный характер – слишком много факторов должны случайно совпасть. Любой математик скажет, что вероятность такого настолько мала, что ее можно однозначно приравнять к нулю.
Но если такое вдруг и случилось и звезды что называется сошлись, то самоуправляемая ядерная реакция на протяжении 500 тыс. лет… На АЭС несколько человек круглосуточно наблюдают за работой реактора, постоянно меняя режимы его работы, не давая реактору остановиться или взорваться. Малейшая ошибка – и получите Чернобыль или Фукусиму. А в Окло полмиллиона лет работало все само?
Наиболее устойчивая версия
Несогласные с версией природного ядерного реактора в габонском руднике выдвинули свою теорию, согласно которой реактор в Окло – творение разума. Однако рудник в Габоне менее похож на ядерный реактор, построенный высокотехнологической цивилизацией. Впрочем, альтернативщики на этом и не настаивают. По их мнению рудник в Габоне был местом захоронения ОЯТ.
Для этой цели место выбрано и подготовлено идеально: за полмиллиона лет из базальтового «саркофага» ни грамма радиоактивного вещества не проникло в окружающую среду.
Теория, что рудник в Окло – ядерный могильник с технической точки зрения куда более подходящая, чем версия «естественного реактора». Но закрывая одни вопросы, она задает новые. Ведь если был могильник с ОЯТ, значит был и реактор, откуда привезли эти отходы. Куда же он делся? И куда пропала сама цивилизация, построившая могильник?
