Впервые открыли это явление физики из Франции в 1972 году прошлого века при работе на урановых рудниках Западной Африки. И весь мир узнал об этом уникальном месте на планете. Расположен этот природный ядерный реактор в Африке, в Габоне, недалеко от города Франсвиль в регионе Окло. И этому ядерному реактору около 2 млрд. лет. И что самое удивительное, ядерная реакция ещё продолжается.
Путешествие до региона Окло заняло немало время. Отправляясь в Габон - мы прилетели сначала в город Либревиль. Оттуда на автомобиле мы до ехали до города Франсфиль, и уже оттуда доехали до региона Окло, который полностью окружен урановыми рудниками. Раньше тут велась добыча урана для Франции и велись серьезные геолого-минералогические работы по изучению этого уникального места Западной Африки.
Наша дорога вела через экваториальную параллель. Мы проехали из Либревиля через Ламбрене, Макоуке до Франсвиля, где нас ожидали урановые рудники Окло.
От Москвы мы в общей сложности преодолели расстояние - 7,6 тысяч километров.
Природный ядерный реактор в Окло — это уникальное явление, которое произошло около 1,8 миллиарда лет назад в урановом месторождении Западной Африки в Окло, расположенном в Габоне. В то время, ещё в палеопротерозойскую эру, в этом месте происходила самопроизвольная цепная реакция деления ядер урана.
Реакция прекратилась из-за истощения запасов изотопа 235U подходящей концентрации. Это явление было обнаружено в 1972 году и стало предметом изучения учёных.
И в Габон полетели физики со всего мира, изучать природу уникальной ядерной реакции, произошедшей в этих местах.
Рудные тела, в которых происходила цепная реакция, представляют собой залегающие в пористом песчанике линзовидные образования из уранинита (UO2). Диаметр образований составлял около 10 метров, а толщина — от 20 до 90 сантиметров. Содержание урана в них было от 20 до 80 процентов.
Всего было определено 16 одиночных реакторов в трёх различных частях месторождения - в Окло, в Окелобондо и в Бангомбе. Все 16 рудных тел объединили под общим названием - Природный ядерный реактор Окло.
По сути, это 16 отдельных ядерных реакторов, созданных природой без вмешательства человека, расположенных в Африке.
Окло — это единственный известный на Земле естественный ядерный реактор. Цепная реакция здесь началась около 2 миллиардов лет назад и продолжалась в течение нескольких сотен тысяч лет. Средняя тепловая мощность реактора составляла около 100 киловатт.
Хотя природные цепные реакции в настоящее время невозможны из-за низкого содержания урана-235 в природном уране, 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 процента, три миллиарда лет — 8,4 процента, а четыре миллиарда лет — 19,2 процента. Реакция ядерная продолжается и остановить её может сама природа.
Феномен Окло был обнаружен в 1972 году в лаборатории завода по обогащению урана в Пьерлатте, Франция. При проведении обычных анализов образца природного урана был выявлен незначительный, но аномальный дефицит урана-235 (235U). Нормальное содержание 235U составляет 0,7202%, тогда как в данном образце было всего 0,7171 %.
Поскольку количество делящихся изотопов точно известно, эта разница должна была иметь объяснение. Поэтому CEA начало расследование, в котором участвовали образцы со всех рудников, эксплуатируемых CEA во Франции, Габоне и Нигере, на всех этапах переработки руды и очистки урана.
Для анализа содержания урана и 235U производственный отдел CEA использует аналитические лаборатории на заводе Pierrelatte и в центральной лаборатории анализа и контроля CEA в центре CEA Cadarache. Масс-спектрометрические анализы в этих лабораториях проводятся под руководством Жана Франсуа Дозоля.
Анализы, проведённые в Пьерлатте и Кадараше, показали, что магниевые уранаты из Габона имели переменный, но постоянный дефицит 235U. 7 июля 1972 года исследователи из CEA Cadarache обнаружили аномалию в урановой руде из Окло, Габон. Содержание 235U в этой руде было гораздо ниже, чем обычно наблюдается.
Изотопные анализы позволили установить источник обеднения 235U: обеднённый уран поступал из руды Окло, добываемой компанией COMUF. Затем в лабораториях Кадараш и Пьерлатт была проведена кампания систематических анализов (измерение содержания урана, измерение изотопного содержания).
Аналитики Cadarache обнаружили недостаток 235U в магнезитовом уранате с завода Mounana (235U = 0,625%) и ещё больший недостаток в магнезитовом уранате Oklo M (235U = 0,440%): в рудах Oklo 310 и 311 содержание урана составляет 12% и 46% соответственно, а содержание 235U — 0,592% и 0,625%.
В связи с этим Дж. Ф. Дозол выступил с инициативой проанализировать образцы ураната магния и руды из Окло на масс-спектрометре AEI MS 702 с искровым источником (SSMS). Преимуществом SSMS является его способность производить значительные количества ионов всех элементов, присутствующих в электродах. Между электродами генерируется искра, для чего образцы Окло были смешаны с высокочистым серебром. Все изотопы в образце, от лития до урана, наносятся на фотопластинку (см. фото пластинки ниже).
Изучив пластину, Ж. Ф. Дозоль отметил, в частности, для руды Окло 311 с очень высоким содержанием урана:
1. Элементы, присутствующие в значительных количествах в районе масс 85-105 и 130-150, которые соответствуют двум скачкам в выходах деления 235U (массовое распределение продуктов деления следует кривой "верблюжий горб" с двумя максимумами);
2. Последние лантаниды (от гольмия до лютеция) не обнаруживаются (выше массы 166). В природе встречаются все 14 лантанидов; в ядерном топливе, подвергшемся реакциям деления, изотопы последних лантанидов не обнаруживаются.
Следующий шаг — нужно было провести изотопный анализ некоторых элементов на термоионизационном масс-спектрометре после того, как мы химически разделим неодим и самарий.
Первые анализы ураната Окло и руды Окло 311 показали, что изотопный состав неодима и самария гораздо ближе к составу облученного топлива, чем к составу природного элемента.
Обнаружение изотопов 142Nd и 144Sm, которые не образуются при делении, указывает на то, что эти элементы присутствуют и в естественном состоянии. Из этого можно вычесть их вклад.
Эти результаты были переданы Жану Клоду Нималю, нейтроноведу из CEA Saclay. Он оценил поток нейтронов, полученный анализируемым образцом, на основе его дефицита 235U. Это позволило оценить захват нейтронов изотопами 143Nd и 145Nd, что привело к дополнительному образованию 144Nd и 146Nd соответственно. Этот избыток необходимо вычесть, чтобы получить выход деления урана 235.
Видно (см. таблицу ниже), что существует согласие между выходами деления (M) и результатами, скорректированными (C) с учётом присутствия природного неодима и захвата нейтронов.
Неодим
В естественной среде изотопный состав неодима отличается от состава неодима в продуктах деления 235U.
Неодим — один из элементов, изотопный состав которого в районе Окло аномален по сравнению с другими территориями. В частности, естественный неодим содержит 27% изотопа 142Nd, тогда как в Окло его всего 6%. В то же время в рудах Окло было больше изотопа 143Nd.
Если из измеренного в Окло содержания неодима вычесть фоновое (характерное для нетронутых участков земной коры), то полученный изотопный состав этого элемента будет соответствовать составу продуктов деления 235U.
Рутений
В естественной среде изотопный состав рутения выглядит как обычная руда, а в продуктах деления 235U - рутений другой, он меняется.
Такие же аномалии в изотопном составе рутения наблюдаются в Окло. Изотопа 99Ru здесь больше, чем обычно (27–30% вместо 12,7%). Это можно объяснить распадом 99Tc → 99Ru. Технеций-99 — продукт деления 235U, он относительно короткоживущий (T1/2 = 212 тысяч лет).
Изотопа 100Ru в Окло меньше, чем обычно. Это потому, что он не возникает при делении урана-235. А его изобар 100Mo, который тоже возникает при делении и распадается (посредством двойного бета-распада) в 100Ru, имеет слишком долгое время жизни (~1019 лет). Из-за этого он не вносит заметного вклада в содержание рутения-100 в минералах Окло.
Механизм образования реактора — затопление пористых урановых пород грунтовыми водами, которые выступали в роли замедлителей нейтронов. В результате реакции выделялось тепло, вызывавшее кипение и испарение воды, что замедляло или останавливало цепную реакцию. После охлаждения породы и распада короткоживущих продуктов реакции вода конденсировалась, и реакция возобновлялась. Этот процесс длился несколько сотен тысяч лет.
При делении урана среди продуктов деления образуются пять изотопов ксенона. Их концентрация в породах природного реактора позволяет рассчитать, что типичный цикл его работы составлял около трех часов.
Ключевым фактором, обеспечившим работу реактора, было примерно 3,7% содержание изотопа 235U в природном уране в те времена, что сравнимо с его содержанием в ядерном топливе современных энергетических реакторов. Так как уран-235 имеет короткий период полураспада, современное содержание урана-235 недостаточно для работы реактора без предварительного изотопного обогащения, что делает образование природного реактора в настоящее время невозможным.
Урановое месторождение Окло является единственным известным местом, где существовал природный ядерный реактор. Комбинация физических условий в Окло была уникальной. Ещё одним фактором, способствовавшим началу реакции, было увеличение содержания кислорода в атмосфере 2 млрд лет назад. Это позволило урану растворяться в воде и образовывать богатые рудные тела. В реакциях деления в урановых минеральных образованиях размером от сантиметров до метров выгорело около 5 тонн урана-235. Большинство продуктов деления и актиноидов за прошедшие 2 млрд лет диффундировали лишь на сантиметры. Это позволяет исследовать перенос радиоактивных изотопов в земной коре.
Вообще Габон сам по себе достаточно уникальное место для физиков. Тут помимо природных ядерных реакторов расположено побережье Гвинейского залива - рай для физиков всего мира, которые в природных условиях преломления солнечных лучей и глади океана, обнаруживают радиоактивный изотоп водорода - тритий, сверхтяжёлый водород, 3H или T, радиоактивный изотоп водорода, ядро которого "тритон" содержит 1 протон и 2 нейтрона, массовое число 3, атомная масса 3,016049.
После открытия природного реактора в габонском Окло в 1972 году изотопные соотношения в его породах были использованы для проверки, изменялись ли фундаментальные физические константы в течение последних двух миллиардов лет. Это измерение относительного содержания 149Sm/150Sm позволило установить, что с момента работы реактора в Окло значение констант не изменилось.
На 2015 год проведены ещё более чувствительные измерения, и считается установленным, что относительное отличие |Δα/α| постоянной тонкой структуры от современного значения не превосходило 1,1х10−8 с доверительной вероятностью 95%. Что доказывает существование природной ядерной реакции, произошедшей на нашей планете 1,8 млрд. лет назад.
Ну что, дорогие мои любители физики, вы хотите теперь в Габон? И если вы не радиофоб и в состоянии преодолеть 7600 км, то посетите обязательно рудники Окло.
ВОТ ЕЩЁ:
Максим Новиковский / Габон
МОЙ ВК ТУТ
МОЙ ТЕЛЕТАЙП ТУТ
МОЙ ТЕЛЕГРАМ КАНАЛ ТУТ
МОЙ КАНАЛ ЯНДЕКС ДЗЕН ТУТ
НА МОЙ ЖЖ ТУТ
МОЙ ОК ТУТ
МОЙ ПРОЕКТ ДЛЯ ТЕХ, КТО ХОЧЕТ ПОХУДЕТЬ, КАК Я НА 46 КГ - ТУТ
Все предоставленные материалы являются собственностью автора. При использовании любых материалов ссылка на этот сайт обязательна.
#уран #ядерныйреактор #физика #окло #габон #франсвиль #африкановиковского #урановыйрудник #гвинейскийзалив #природа #экология #африка #геология #редкоземельныеметаллы #редкоземелье #репортаж #фотограф #максимновиковский #путешествие #наука #химия #путешествиесновиковским #карьер #рудники #горы #яндекс