Skip to main content
Вся фізика

Древній ядерний реактор

Під час проведення звичайного аналізу зразків уранової руди виявився дуже дивний факт — відсотковий вміст урану-235 був нижчим за норму. У природному урані міститься три ізотопи, що відрізняються атомними масами. Найпоширеніший — уран-238, найрідкісніший — уран-234, а найбільший інтерес становить уран-235, що підтримує ланцюгову ядерну реакцію. Всюди — і в земній корі, і на Місяці, і навіть у метеоритах — атоми урану-235 становлять 0,720% загальної кількості урану. Але у зразках з родовища Окло в Габоні вміст урану-235 становив лише 0,717%. Цієї крихітної невідповідності було достатньо, щоб насторожити французьких учених. Подальші дослідження показали, що в руді бракувало близько 200 кг — цілком достатньо для виготовлення півдюжини ядерних бомб. У відкритому кар'єрі для розробки покладів урану в Окло, в Габоні, виявлено понад дюжину зон, де колись відбувалися ядерні реакції Згідно з його розрахунками, розмір родовища має перевищувати середню довжину пробігу нейтронів, що спричиняють розщеплення (близько 2/3 метра). Тоді нейтрони, випущені одним розщепленим ядром, будуть поглинуті іншим ядром до того, як вони покинуть уранову жилу. Концентрація урану-235 має бути достатньо великою. Сьогодні навіть велике родовище не може стати ядерним реактором, оскільки містить менше 1% урану-235. Цей ізотоп розпадається приблизно у шість разів швидше, ніж уран-238, з чого випливає, що у віддаленому минулому, наприклад, 2 млрд. років тому, кількість урану-235 становила близько 3% — приблизно стільки, скільки в збагаченому урані, що використовується як паливо на більшості атомних електростанцій. Також необхідна наявність речовини, здатної сповільнювати нейтрони, випущені під час розщеплення ядер урану, так щоб вони ефективніше спричиняли розщеплення інших ядер урану. Нарешті, в масі руди не повинно бути помітних кількостей бору, літію чи інших так званих ядерних отрут, які активно поглинають нейтрони і спричинили б швидку зупинку будь-якої ядерної реакції. Природні реактори розщеплення були знайдені лише в серці Африки — у Габоні, в Окло і сусідніх уранових шахтах в Окелобондо та на ділянці Бангомбе, розташованій приблизно за 35 км.

Перевірка легкими елементами

Фахівці французької Комісії з атомної енергії були спантеличені. Відповіддю стала стаття 19-річної давності, у якій Джордж Ветрілл (George W. Wetherill) з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Марк Інгрем (Mark G. Inghram) з Чиказького університету висловили припущення про існування в далекому минулому природних ядерних реакторів. Незабаром Пол Курода (Paul К. Kuroda), хімік з Університету Арканзасу, визначив „необхідні і достатні“ умови для того, щоб у тілі уранового родовища спонтанно виник процес самопідтримуваного розщеплення. Дослідники встановили, що умови, які склалися 2 млрд. років тому в 16 окремих ділянках як у межах Окло, так і на сусідніх уранових шахтах в Окелобондо, були дуже близькі до того, що описав Курода (див. „Божественний реактор“, „У світі науки“, № 1, 2004 р.). Хоча всі ці зони були виявлені десятиліття тому, лише нещодавно нам нарешті вдалося з'ясувати, що ж відбувалося всередині одного з цих давніх реакторів. Незабаром фізики підтвердили припущення, що зниження вмісту урану-235 в Окло було спричинене реакціями розщеплення. Незаперечне доведення з'явилося при вивченні елементів, що виникають при розщепленні важкого ядра. Концентрація продуктів розпаду виявилася настільки високою, що подібний висновок був єдино правильним. 2 млрд. років тому тут відбувалася ланцюгова ядерна реакція, подібна до тієї, яку Енріко Фермі та його колеги блискуче продемонстрували в 1942 р. Фізики всього світу вивчали докази існування природних ядерних реакторів. Результати своїх робіт з „феномену Окло“ вчені представили на спеціальній конференції в столиці Габону Лібревілі в 1975 р. Наступного року Джордж Коуен (George A. Cowan), який представляв на цій зустрічі США, написав статтю для журналу Scientific American (див. „A Natural Fission Reactor“, by George A. Cowan, July 1976). Коуен узагальнив інформацію і описав уявлення про те, що відбувалося в цьому дивовижному місці: деякі з нейтронів, випущених при розщепленні урану-235, захоплюються ядрами більш поширеного урану-238, який перетворюється на уран-239, а після випускання двох електронів перетворюється на плутоній-239. Так в Окло утворилося понад дві тонни цього ізотопу. Потім частина плутонію зазнала розщеплення, про що свідчить наявність характерних продуктів його поділу, що й дозволило дослідникам зробити висновок, що ці реакції мали тривати сотні тисяч років. За кількістю використаного урану-235 вони обчислили кількість виділеної енергії — близько 15 тис. МВт-років. Згідно з цими та іншими свідченнями, середня потужність реактора виявилася меншою за 100 кВт, тобто її вистачило б для роботи кількох дюжин тостерів. Як виникли більше десятка природних реакторів? За рахунок чого забезпечувалася їхня постійна потужність протягом кількох сотень тисячоліть? Чому вони не самознищилися одразу після того, як почалися ланцюгові ядерні реакції? Який механізм забезпечив необхідне саморегулювання? Чи працювали реактори безперервно, чи періодично? Відповіді на ці питання з'явилися не одразу. А на останнє питання вдалося пролити світло зовсім нещодавно, коли мої колеги і я зайнялися дослідженням зразків загадкової африканської руди у Вашингтонському університеті в Сент-Луїсі.

Поділ у деталях

Зображення
Ланцюгові ядерні реакції починаються, коли окремий вільний нейтрон потрапляє в ядро атома, що розщеплюється, типу урану-235 (вгорі зліва). Ядро розщеплюється, даючи два менших атоми і випускаючи інші нейтрони, які відлітають з великою швидкістю і мають бути сповільнені перш ніж вони зможуть спричинити розщеплення інших ядер. У відкладенні в Окло так само, як у сучасних ядерних реакторах на легкій воді, сповільнювальним агентом була звичайна вода. Відмінність полягає в системі регулювання: на атомних електростанціях використовуються стрижні, що поглинають нейтрони, а реактори в Окло просто нагрівалися доти, доки вода не википала.

Що приховував інертний газ

Наша робота над одним із реакторів в Окло була присвячена аналізу ксенону — важкого інертного газу, який може залишатися ув'язненим у мінералах протягом мільярдів років. Ксенон має дев'ять стійких ізотопів, що виникають у різних кількостях залежно від характеру ядерних процесів. Будучи благородним газом, він не вступає в хімічні реакції з іншими елементами, і тому його легко очистити для ізотопного аналізу. Ксенон надзвичайно рідкісний, що дозволяє використовувати його для виявлення і відстеження ядерних реакцій, навіть якщо вони відбувалися ще до народження Сонячної системи.
Атоми урану-235 становлять близько 0,720% природного урану. Тому, коли робітники виявили, що уран з кар'єру Окло містив трохи більше 0,717%, вони були здивовані, Цей показник дійсно суттєво відрізняється від результатів аналізу інших зразків руди урану (вгорі). Очевидно, у минулому відношення урану-235 до урану-238 було набагато вищим, оскільки період напіврозпаду урану-235 набагато коротший. За подібних умов стає можливою реакція розщеплення. Коли 1,8 млрд, років тому сформувалися уранові поклади в Окло, природний вміст урану-235 становив близько 3%, як і в паливі для ядерних реакторів. Коли приблизно 4,6 млрд. років тому сформувалася Земля, співвідношення перевищувало 20%, тобто рівень, за якого уран сьогодні вважається „збройовим“. Ми обробили багато крихітних ділянок єдиного наявного у нас зразка гірської породи з Окло товщиною всього 1 мм і шириною 4 мм. Щоб точно націлити лазерний промінь, ми скористалися детальною рентгенівською картою об'єкта, побудованою Ольгою Прадівцевою, яка також ідентифікувала мінерали, що його складали. Після вилучення ми очищали ксенон, що виділився, і аналізували в мас-спектрометрі Хохенберга, який давав нам число атомів кожного ізотопу. Тут на нас чекало кілька сюрпризів: по-перше, у багатих ураном зернах мінералів газу не виявилося. Більша його частина була захоплена мінералами, що містять фосфат алюмінію, — у них була виявлена найвища концентрація ксенону, коли-небудь знайденого в природі. По-друге, вилучений газ суттєво відрізнявся за ізотопним складом від того, що зазвичай утворюється в ядерних реакторах. У ньому практично був відсутній ксенон-136 і ксенон-134, тоді як вміст легших ізотопів елемента залишився незмінним.
Зображення
Проаналізувавши умови утворення ксенону, ми звернули увагу, що жоден з його ізотопів не був прямим результатом розщеплення урану; всі вони були продуктами розпаду радіоактивних ізотопів йоду, які, у свою чергу, утворювалися з радіоактивного телуру і т. д., згідно з відомою послідовністю ядерних реакцій. При цьому різні ізотопи ксенону в нашому зразку з Окло виникали в різні моменти часу. Що довше живе конкретний радіоактивний попередник, то більше запізнюється утворення з нього ксенону. Наприклад, утворення ксенону-136 почалося лише через хвилину після початку самопідтримуваного розщеплення. Через годину з'являється наступний, легший стійкий ізотоп, ксенон-134. Потім, через кілька днів, на сцені з'являються ксенон-132 і ксенон-131. Нарешті, через мільйони років, і набагато пізніше припинення ланцюгових ядерних реакцій, утворюється ксенон-129. Якби поклади урану в Окло залишалися замкненою системою, ксенон, що накопичився у процесі роботи його природних реакторів, зберіг би нормальний ізотопний склад. Але система не була замкненою, підтвердженням чого можна вважати той факт, що реактори в Окло якимось чином регулювали самі себе. Найімовірніший механізм передбачає участь у цьому процесі ґрунтових вод, які википали після того, як температура досягала певного критичного рівня. При випаровуванні води, що діяла як сповільнювач нейтронів, ланцюгові ядерні реакції тимчасово припинялися, а після того, як усе охолоджувалося і в зону реакції знову проникала достатня кількість ґрунтових вод, розщеплення могло відновитися. Ця картина прояснює два важливих моменти: реактори могли працювати періодами (вмикаючись і вимикаючись); крізь цю гірську породу мали проходити великі кількості води, достатні, щоб вимити деяких з попередників ксенону, а саме телур і йод. Присутність води допомагає також пояснити, чому більша частина ксенону тепер міститься в зернах фосфату алюмінію, а не в багатих ураном породах. Зерна фосфату алюмінію, ймовірно, сформувалися під дією нагрітої ядерним реактором води, після того як вона охолола приблизно до 300°С. Під час кожного активного періоду дії реактора в Окло і протягом деякого часу після, поки температура залишалася високою, більша частина ксенону (включно з ксеноном-136 і -134, які генеруються відносно швидко) виводилася з реактора. Коли ж реактор охолоджувався, довгоживучі попередники ксенону (ті, які пізніше породять ксенон-132, -131 і -129, яких ми знайшли в більшій кількості) виявлялися включеними в зростаючі зерна фосфату алюмінію. Потім, коли дедалі більше води поверталося в зону реакції, нейтрони належною мірою сповільнювалися і знову починалася реакція розщеплення, змушуючи повторюватися цикл нагрівання і охолодження. Результатом і став специфічний розподіл ізотопів ксенону.

Не зовсім зрозуміло, які сили утримували цей ксенон у мінералах фосфату алюмінію протягом майже половини життя планети. Зокрема, чому ксенон, що виник у даному циклі роботи реактора, не виявився витісненим під час наступного циклу? Імовірно, структура фосфату алюмінію виявилася здатною утримувати ксенон, що утворився всередині неї, навіть за високих температур.
Зображення
Для аналізу ізотопного складу ксенону потрібен мас-спектрометр — прилад, який може сортувати атоми за їхньою вагою. Нам пощастило: ми отримали доступ до надзвичайно точного мас-спектрометра для ксенону, побудованого Чарльзом Хохенбергом (Charles М. Hohenberg). Але спочатку потрібно було вилучити ксенон з нашого зразка. Зазвичай мінерал, що містить ксенон, нагрівають вище точки плавлення, при цьому кристалічна структура руйнується і більше не може утримувати ув'язнений у ній газ. Але ми, щоб зібрати більше інформації, застосували тонший метод — лазерне вилучення, що дозволяє дістатися до ксенону в певних зернах і залишає прилеглі до них ділянки недоторканими. Ксенон, вилучений із зерен фосфату алюмінію в зразку з Окло, виявився цікавого ізотопного складу (зліва), що не відповідає тому, що отримується при розщепленні урану-235 (у центрі), і не схожий на ізотопний склад атмосферного ксенону (справа). Примітно, що кількості ксенону-131 і -132 вищі, а кількості -134 і -136 нижчі, ніж слід було очікувати від розщеплення урану-235. Хоча ці спостереження спочатку дуже спантеличили автора, пізніше він зрозумів, що вони містили ключ до розуміння роботи цього давнього ядерного реактора. У чому причина таких змін? Можливо, це результат ядерних реакцій? Ретельний аналіз дозволив моїм колегам і мені відхилити цю можливість. Ми розглянули також фізичне сортування різних ізотопів, яке іноді відбувається через те, що важчі атоми рухаються трохи повільніше, ніж їхні легші аналоги. Ця властивість використовується на заводах зі збагачення урану для виробництва реакторного палива. Але навіть якби природа могла реалізувати подібний процес у мікроскопічному масштабі, склад суміші ізотопів ксенону в зернах фосфату алюмінію відрізнявся б від того, що ми виявили. Наприклад, виміряне відносно кількості ксенону-132 зменшення вмісту ксенону-136 (важчого на 4 атомні одиниці маси) було б удвічі більшим, ніж для ксенону-134 (важчого на 2 атомні одиниці маси), якби працювало фізичне сортування. Однак ми не побачили нічого подібного. Спроби пояснити незвичність ізотопного складу ксенону в Окло вимагали розглянути також і інші елементи. Особливу увагу привернув йод, з якого ксенон утворюється при радіоактивному розпаді. Моделювання процесу виникнення продуктів розщеплення та їхнього радіоактивного розпаду показало, що специфічний ізотопний склад ксенону — наслідок циклічної дії реактора, Цей цикл зображений на трьох схемах вгорі.

Робочий графік природи

Після того як була вироблена теорія виникнення ксенону в зернах фосфату алюмінію, ми спробували реалізувати цей процес у математичній моделі. Наші викладки прояснили багато чого в роботі реактора, причому отримані дані про ізотопи ксенону привели до очікуваних результатів. Реактор в Окло „вмикався“ на 30 хвилин і „вимикався“ щонайменше на 2,5 години. Подібним чином функціонують деякі гейзери: повільно нагріваються, закипають, викидаючи порцію ґрунтових вод, повторюючи цей цикл день за днем, рік за роком. Так, ґрунтові води, що проходять крізь родовище в Окло, могли не тільки бути сповільнювачем нейтронів, а й „регулювати“ роботу реактора. Це був надзвичайно ефективний механізм, що не дозволяв структурі ні розплавитися, ні вибухнути протягом сотень тисяч років.

Інженерам, які працюють у галузі ядерної енергетики, є чому повчитися в Окло. Наприклад тому, як поводитися з ядерними відходами. Окло є зразком довгострокового геологічного сховища. Тому вчені детально досліджують процеси міграції з плином часу продуктів розщеплення з природних реакторів. Вони також ретельно вивчили таку саму зону давнього ядерного розщеплення на ділянці Бангомбе, приблизно за 35 км від Окло. Реактор у Бангомбе становить особливий інтерес, оскільки він знаходиться на меншій глибині, ніж в Окло і Окелобондо, і до недавнього часу крізь нього проходило більше води. Подібні дивовижні об'єкти підтверджують гіпотезу, що багато видів небезпечних ядерних відходів можна буде успішно ізолювати в підземних сховищах. Приклад Окло також демонструє спосіб зберігання деяких видів найнебезпечніших ядерних відходів. З початку промислового використання ядерної енергії в атмосферу були викинуті величезні кількості радіоактивних інертних газів, що утворюються в ядерних установках (ксенону-135, криптону-85 та ін.). У природних реакторах ці відходи виробництва захоплюються і утримуються протягом мільярдів років мінералами, що містять фосфат алюмінію.

Давні реактори типу Окло можуть вплинути і на розуміння фундаментальних фізичних величин, наприклад, фізичної сталої, що позначається буквою α (альфа), пов'язаної з такими універсальними величинами, як швидкість світла (див. „Непостійні сталі“, „У світі науки“, № 9, 2005 р.). Протягом трьох десятиліть феномен Окло (віком 2 млрд. років) використовувався як довід проти змін α. Але минулого року Стівен Ламоро (Steven К. Lamoreaux) і Джастин Торгерсон (Justin R. Torgerson) з Лос-Аламоської національної лабораторії встановили, що ця „стала“ значно змінювалася.

Чи є ці давні реактори в Габоні єдиними, що коли-небудь утворилися на Землі? Два мільярди років тому умови, необхідні для самопідтримуваного розщеплення, були не надто рідкісними, тож, можливо, одного дня будуть виявлені й інші природні реактори. А результати аналізу ксенону зі зразків могли б дуже допомогти в цьому пошуку. „Феномен Окло змушує згадати висловлювання Е. Фермі, який побудував перший ядерний реактор, і П.Л. Капіци, які незалежно один від одного стверджували, що лише людина здатна створити щось подібне. Однак давній природний реактор спростовує цю точку зору, підтверджуючи думку А. Ейнштейна про те, що Бог більш витончений…“
С.П. Капіца

Про автора:
Алекс Мешик (Alex P. Meshik) закінчив фізичний факультет Ленінградського державного університету. У 1988 р. захистив кандидатську дисертацію в Інституті геохімії та аналітичної хімії ім. В.І. Вернадського. Його дисертація була присвячена геохімії, геохронології та ядерній хімії благородних газів ксенону і криптону. У 1996 р. Мешик почав роботу в Лабораторії космічних досліджень у Вашингтонському університеті в Сент-Луїсі, де він у цей час вивчає благородні гази сонячного вітру, зібрані і доставлені на Землю космічним кораблем „Генезис“.