Природные ядерные реакторы
Природный ядерный реактор в Окло
Окло — единственный известный на Земле естественный ядерный реактор. Цепная реакция началась здесь около 2 млрд лет назад и продолжалась в течение нескольких сотен тысяч лет. Средняя тепловая мощность реактора составляла около 100 кВт. И хотя природные цепные реакции в настоящее время невозможны из-за низкого изотопного содержания урана-235 в природном уране вследствие естественного радиоактивного распада, естественные ядерные реакторы могли существовать более миллиарда лет назад, когда содержание урана-235 было выше (например, два миллиарда лет назад концентрация урана-235 составляла 3,7 %, 3 млрд лет — 8,4 %, а 4 млрд лет — 19,2 %)
Это явление было обнаружено в 1972 году аналитиками завода по обогащению урана в Пьерлатте, Франция. Естественные условия, при которых возможна самоподдерживающаяся реакция деления ядер, были предсказаны Полом Кадзуо Куродой в 1956 году и оказались близки к реальности.
Окло — единственный известный на Земле естественный ядерный реактор. Цепная реакция началась здесь около 2 млрд лет назад и продолжалась в течение нескольких сотен тысяч лет. Средняя тепловая мощность реактора составляла около 100 кВт. И хотя природные цепные реакции в настоящее время невозможны из-за низкого изотопного содержания урана-235 в природном уране вследствие естественного радиоактивного распада, естественные ядерные реакторы могли существовать более миллиарда лет назад, когда содержание урана-235 было выше (например, два миллиарда лет назад концентрация урана-235 составляла 3,7 %, 3 млрд лет — 8,4 %, а 4 млрд лет — 19,2 %)
Это явление было обнаружено в 1972 году аналитиками завода по обогащению урана в Пьерлатте, Франция. Естественные условия, при которых возможна самоподдерживающаяся реакция деления ядер, были предсказаны Полом Кадзуо Куродой в 1956 году и оказались близки к реальности.
Геологический разрез естественного ядерного реактора Окло
1. Зоны деления
2. Песчаник
3. Слой урановой руды
4. Гранит
1. Зоны деления
2. Песчаник
3. Слой урановой руды
4. Гранит
Изотопные содержания некоторых элементов из середины таблицы Менделеева в рудах Окло демонстрируют существование здесь в прошлом очага деления урана-235.
Изотопный состав неодима в естественной среде (синий) и в продуктах деления 235U (красный)
Неодим
является одним из элементов, изотопный состав которого в Окло аномален по сравнению с другими территориями. Например, естественный неодим содержит 27 % изотопа 142Nd, тогда как в Окло он составляет всего 6 %.
В то же время руды Окло содержали больше изотопа 143Nd. Если из измеренного в Окло изотопного содержания неодима вычесть фоновое (природное, существующее в интактных частях земной коры) содержание, полученный изотопный состав неодима характерен для продуктов деления 235U.
является одним из элементов, изотопный состав которого в Окло аномален по сравнению с другими территориями. Например, естественный неодим содержит 27 % изотопа 142Nd, тогда как в Окло он составляет всего 6 %.
В то же время руды Окло содержали больше изотопа 143Nd. Если из измеренного в Окло изотопного содержания неодима вычесть фоновое (природное, существующее в интактных частях земной коры) содержание, полученный изотопный состав неодима характерен для продуктов деления 235U.
Изотопный состав рутения в естественной среде (синий) и в продуктах деления 235U (красный)
Рутений
Похожие аномалии изотопного состава в Окло наблюдаются и для рутения. Изотоп 99Ru обнаруживается в бо́льших количествах, чем в естественных условиях (27—30 % вместо 12,7 %). Аномалию можно объяснить распадом 99Tc → 99Ru, так как технеций-99 является относительно короткоживущим (T1/2 = 212 тыс. лет) продуктом деления 235U. Изотоп 100Ru обнаруживается в значительно меньших количествах, обусловленных лишь его природной распространённостью, так как он не возникает при делении урана-235. Его изобар 100Mo, который является продуктом деления и распадается (посредством двойного бета-распада) в 100Ru, имеет слишком длинное время жизни (~1019 лет), чтобы внести какой-либо измеримый вклад в содержание рутения-100 в минералах Окло.
Похожие аномалии изотопного состава в Окло наблюдаются и для рутения. Изотоп 99Ru обнаруживается в бо́льших количествах, чем в естественных условиях (27—30 % вместо 12,7 %). Аномалию можно объяснить распадом 99Tc → 99Ru, так как технеций-99 является относительно короткоживущим (T1/2 = 212 тыс. лет) продуктом деления 235U. Изотоп 100Ru обнаруживается в значительно меньших количествах, обусловленных лишь его природной распространённостью, так как он не возникает при делении урана-235. Его изобар 100Mo, который является продуктом деления и распадается (посредством двойного бета-распада) в 100Ru, имеет слишком длинное время жизни (~1019 лет), чтобы внести какой-либо измеримый вклад в содержание рутения-100 в минералах Окло.
Механизм образования
Реактор возник в результате затопления пористых богатых ураном пород грунтовыми водами, которые выступили в качестве замедлителей нейтронов. Тепло, выделявшееся в результате реакции, вызывало кипение и испарение воды, что замедляло или останавливало цепную реакцию. После того, как порода охлаждалась и распадались короткоживущие продукты распада (нейтронные яды), вода конденсировалась, и реакция возобновлялась. Этот циклический процесс продолжался несколько сотен тысяч лет.
При делении урана среди продуктов деления образуются пять изотопов ксенона. Все пять изотопов в варьирующихся концентрациях были обнаружены в породах природного реактора. Изотопный состав выделенного из пород ксенона позволяет рассчитать, что типичный цикл работы реактора составлял примерно 3 часа: около 30 минут критичности и 2 часа 30 минут охлаждения.
Ключевой фактор, сделавший возможной работу реактора, — это примерно 3,7 % изотопное содержание 235U в природном уране в те времена. Это изотопное содержание сравнимо с содержанием урана в низкообогащённом ядерном топливе, используемом в большинстве современных энергетических ядерных реакторов. (Оставшиеся 96 % составляет 238U, не подходящий для реакторов на тепловых нейтронах). Поскольку уран-235 имеет период полураспада лишь 0,7 млрд лет (значительно короче, чем уран-238), современная распространённость урана-235 составляет лишь 0,72 %, чего недостаточно для работы реактора с легководным замедлителем без предварительного изотопного обогащения. Таким образом, в настоящее время образование природного ядерного реактора на Земле невозможно.
Урановое месторождение Окло — единственное известное место, где существовал природный ядерный реактор. Другие богатые урановые рудные тела тоже имели достаточное количество урана для самоподдерживающейся цепной реакции деления в то время, но комбинация физических условий в Окло (в частности, наличие воды как замедлителя нейтронов, и пр.) была уникальной.
Ещё одним фактором, который, вероятно, способствовал началу реакции в Окло именно 2 млрд лет назад, а не ранее, был рост содержания кислорода в атмосфере Земли. Уран хорошо растворяется в воде лишь в присутствии кислорода, поэтому в земной коре перенос и концентрация урана подземными водами, формирующими богатые рудные тела, стали возможными только после достижения достаточного содержания свободного кислорода.
По оценке, в реакциях деления, проходивших в урановых минеральных образованиях размером от сантиметров до метров, выгорело около 5 тонн урана-235. Температуры в реакторе поднимались до нескольких сотен градусов Цельсия. Большинство нелетучих продуктов деления и актиноидов за прошедшие 2 млрд лет диффундировали лишь на сантиметры. Это позволяет исследовать перенос радиоактивных изотопов в земной коре, важный для прогноза их долгосрочного поведения в местах захоронения радиоактивных отходов.
Реактор возник в результате затопления пористых богатых ураном пород грунтовыми водами, которые выступили в качестве замедлителей нейтронов. Тепло, выделявшееся в результате реакции, вызывало кипение и испарение воды, что замедляло или останавливало цепную реакцию. После того, как порода охлаждалась и распадались короткоживущие продукты распада (нейтронные яды), вода конденсировалась, и реакция возобновлялась. Этот циклический процесс продолжался несколько сотен тысяч лет.
При делении урана среди продуктов деления образуются пять изотопов ксенона. Все пять изотопов в варьирующихся концентрациях были обнаружены в породах природного реактора. Изотопный состав выделенного из пород ксенона позволяет рассчитать, что типичный цикл работы реактора составлял примерно 3 часа: около 30 минут критичности и 2 часа 30 минут охлаждения.
Ключевой фактор, сделавший возможной работу реактора, — это примерно 3,7 % изотопное содержание 235U в природном уране в те времена. Это изотопное содержание сравнимо с содержанием урана в низкообогащённом ядерном топливе, используемом в большинстве современных энергетических ядерных реакторов. (Оставшиеся 96 % составляет 238U, не подходящий для реакторов на тепловых нейтронах). Поскольку уран-235 имеет период полураспада лишь 0,7 млрд лет (значительно короче, чем уран-238), современная распространённость урана-235 составляет лишь 0,72 %, чего недостаточно для работы реактора с легководным замедлителем без предварительного изотопного обогащения. Таким образом, в настоящее время образование природного ядерного реактора на Земле невозможно.
Урановое месторождение Окло — единственное известное место, где существовал природный ядерный реактор. Другие богатые урановые рудные тела тоже имели достаточное количество урана для самоподдерживающейся цепной реакции деления в то время, но комбинация физических условий в Окло (в частности, наличие воды как замедлителя нейтронов, и пр.) была уникальной.
Ещё одним фактором, который, вероятно, способствовал началу реакции в Окло именно 2 млрд лет назад, а не ранее, был рост содержания кислорода в атмосфере Земли. Уран хорошо растворяется в воде лишь в присутствии кислорода, поэтому в земной коре перенос и концентрация урана подземными водами, формирующими богатые рудные тела, стали возможными только после достижения достаточного содержания свободного кислорода.
По оценке, в реакциях деления, проходивших в урановых минеральных образованиях размером от сантиметров до метров, выгорело около 5 тонн урана-235. Температуры в реакторе поднимались до нескольких сотен градусов Цельсия. Большинство нелетучих продуктов деления и актиноидов за прошедшие 2 млрд лет диффундировали лишь на сантиметры. Это позволяет исследовать перенос радиоактивных изотопов в земной коре, важный для прогноза их долгосрочного поведения в местах захоронения радиоактивных отходов.
Источник - Wikipedia
Лекция профессора МГУ Старостина В.И. о природных ядерных реакторах
Источники:
- https://ru.wikipedia.org
- открытые видео на youtube
