У природы был свой ядерный реактор

АрхивНаука

Естественный ядерный реактор был обнаружен 2 июня 1972 года французским аналитиком Бужигесом на юго-востоке Габона в западной Африке, прямо в теле уранового месторождения.

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:

1. Приближенный возрастной диапазон образования естественного реактора
2. Необходимая концентрация урана в нем
3. Требуемое соотношение в нем изотопов урана - ²³⁵U/²³⁸U

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 ²³⁵U/²³⁸U 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 ²³⁵U, 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, сообщает Nature.

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 ²³⁵U 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 ²³⁵U.

Есть и еще целый ряд условий, выполнение которых обязательно для запуска природной реакции расщепления:

1. Высокая общая концентрация урана
2. Низкая концентрация поглотителей нейтронов
3. Высокая концентрация замедлителя
4. 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 ²³⁵U, 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 (!).