Вернитесь в 1956 год, холодная война тихо бушует уже десять лет, а по радио звучит песня Элвиса Пресли "Blue Suede Shoes". Каждая крупная держава в мире хочет заполучить в свои руки драгоценный уран 235, чтобы вступить в ряды ядерных держав. К счастью для Франции, она контролировала африканскую страну Габон, где в районе Окло находились богатые урановые руды. Но добытый в Окло уран выглядел очень странно. Он выглядел так, словно побывал в реакторе! Неужели кто-то опередил их и использовал их уран?! Нет, на самом деле они обнаружили одну из самых уникальных геологических структур, когда-либо найденных, - природный ядерный реактор двухмиллиардной давности.
Существует несколько различных типов урана, также известных как изотопы, но для ядерных реакторов и бомб нам нужен уран 235 (²³⁵U). Этот изотоп имеет период полураспада 700 миллионов лет, что означает, что каждые 700 миллионов лет половина ²³⁵U будет естественным образом радиоактивно распадаться на торий 231. Но если пощекотать ²³⁵U медленно движущимся нейтроном, мы можем заставить его мгновенно распасться и вызвать цепную реакцию, также известную как реакция деления. Именно это делает ²³⁵U таким особенным.
К счастью, в природе существует множество нейтронных излучений для начала нашей реакции, но они движутся слишком быстро, чтобы взаимодействовать с атомом ²³⁵U, их нужно замедлить. Если поместить ²³⁵U в контрольный материал, например, в воду, эти нейтроны замедляются настолько, что поглощаются ²³⁵U. В результате он превращается в новый изотоп под названием ²³⁶U. Этот новый изотоп очень нестабилен и быстро распадается на барий 141 (¹⁴¹B), криптон 92 (⁹²Kr) и три нейтрона высокой энергии. Эти нейтроны, замедлившись, могут вызвать распад еще трех атомов ²³⁵U и так далее, что приводит к запуску экспоненциальной цепной реакции деления ядер.
Именно эта цепная реакция приводит в действие атомные электростанции и бомбы - простой эффект домино радиоактивности.
Но, как и в случае с углеродным датированием, вы можете оценить соотношение ²³⁵U в урановой руде, если знаете, как давно был получен уран. Например, если возраст руды составляет 700 миллионов лет, можно ожидать, что в ней будет вдвое меньше ²⁵U, чем когда она была получена.
Весь уран, который есть на Земле, образовался в одно и то же время, когда звезда, предшествовавшая нашему Солнцу, стала сверхновой, около шести миллиардов лет назад. Фактически, с помощью Урана можно оценить возраст галактики, используя этот метод. Но это означает, что все урановые руды на Земле в настоящее время должны иметь концентрацию ²⁵U 0,72%. Но на самом деле французские ученые обнаружили концентрацию 0,717%.
Это может показаться небольшой разницей в концентрации, но в Окло было много урана! Таким образом, эквивалент 200 кг ²³⁵U просто исчез прямо у них из-под носа. Этого достаточно для создания шести атомных бомб!
Как вы можете себе представить, брови были подняты. В то время глобальный политический климат зависел от ²³⁵U, поскольку Советский Союз и Соединенные Штаты наращивали свои ядерные запасы. Малые страны, такие как Франция и Великобритания, были вынуждены создавать собственное ядерное оружие, чтобы удержать хоть какую-то международную власть. Французы беспокоились, что кто-то украл их источник ²⁵U, что могло привести к огромным международным потрясениям, в зависимости от того, у кого он был.
Но при ближайшем рассмотрении в этой руде оказалось огромное количество побочных продуктов распада ²³⁵U, таких как ⁹²Kr, ¹⁴¹B и их дочерние частицы (и ⁹²Kr, и ¹⁴¹B сами по себе радиоактивны и распадаются). Это позволило предположить, что этот ²³⁵U уже побывал в реакторе, а затем был помещен обратно в землю...
Это было бессмысленно!
Но эта гипотеза была выдвинута за много лет до того, как начали копать шахту Окло. Геологическое образование, которое действует как ядерный реактор с естественным регулированием. После дополнительных исследований местности они обнаружили, что Окло соответствует всем критериям формации. Это первый обнаруженный природный ядерный реактор.
Как же работает природный реактор? И почему он не стал сверхкритическим и не взорвался?
Этот реактор был активен очень давно, около двух миллиардов лет назад, в палеопротерозойскую эру. Тогда многоклеточная жизнь была относительно новой. Это было так давно, что концентрация ²⁵U составляла около 3%, что соответствует концентрации ядерного материала в современных реакторах.
Есть только одна проблема. Без контроля, замедляющего нейтроны, невозможно достичь критичности, поэтому цепная реакция не происходит. Это происходит потому, что нейтроны от естественного распада ²³⁵U просто пролетают мимо других атомов ²³⁵U. Нам нужно что-то, чтобы замедлить нейтроны, чтобы они могли прикрепиться к ²³⁵U и начать цепную реакцию, в результате чего реактор станет критическим.
Но в Окло был такой нейтронный контроль в виде уровня воды. Урановая руда была погружена в подземный водоток, который постоянно протекал через реактор. Эта вода замедляла нейтроны, заставляя руду становиться критической и поддерживать непрерывную цепную реакцию.
Если бы вода оставалась на месте, реакция пошла бы по нарастающей и перешла бы в сверхкритическую! Именно здесь цепная реакция разгоняется, и все больше и больше ²⁵U расщепляется с экспоненциальной скоростью. Именно это происходит в ядерной бомбе!
Но Окло никогда не перейдет в сверхкритическое состояние, потому что вода не только запускает цепную реакцию, но и способна остановить ее, эффективно регулируя работу реактора.
На изображении выше вы можете видеть поперечное сечение реактора Окло. Когда вода проходит через реактор, она замедляет нейтроны, заставляя руду становиться критической и нагреваться. Затем, примерно через полчаса, вода становилась настолько горячей, что выкипала, оставляя реактор без возможности замедлить нейтроны и останавливая реакцию. Когда реактор остывал и вода начинала течь через него, реакция начиналась снова, и реактор Окло оставался в таком состоянии сотни тысяч лет, пока концентрация ²³⁵U не становилась слишком низкой, чтобы перейти в критическое состояние.
Таким образом, благодаря этому контролю воды, в Окло никогда не произойдет ядерного расплавления или взрыва. Но при этом выделилось удивительное количество энергии. В среднем реактор выделил 100 кВт тепловой энергии. Это такая же энергия, как у 1000 ламп накаливания, или чуть больше, чем мощность Delorean на полном ходу. Только на несколько сотен тысяч лет!
Это просто показывает, что природа гораздо более странная, чем кто-либо думал. Теперь, когда мы знаем, что они существуют, удивительно думать, что в других местах во Вселенной может быть такая сложная геология. Нет ничего удивительного в том, чтобы представить себе далекую планету с естественным ядерным реактором, питающим гидротермальные источники, подобные структурам. В таких структурах может обитать примитивная, устойчивая к радиации бактерия, которая живет за счет богатой минералами нагретой воды, извергающейся из реактора. Представьте себе, бактерии с ядерным питанием!