В 1972 году на заводе по переработке урана во французском Пьерлатте что-то пошло не так. Рутинный анализ партии руды из Габона показал: урана-235 в образцах меньше, чем должно быть. Намного меньше!
Где-то потерялось столько делящегося материала, что хватило бы на несколько десятков ядерных зарядов!
Началось расследование, потому что всё, что касается ядерной энергии может представлять угрозу мировой безопасности.
Но оказалось, природа просто сама использовала это топливо два миллиарда лет назад. И сделала это куда элегантнее, чем люди.
Аномалия, от которой пахнет ядерной физикой
Содержание урана-235 в любой природной породе на Земле — будь то скала в Сибири, метеорит или лунный грунт — всегда одинаково: 0,7202%. Это фундаментальный факт, не допускающий исключений.
Руда из габонского месторождения Окло давала 0,7171%, а в некоторых пробах — и вовсе 0,3655%. Это как прийти в банк за своим вкладом и обнаружить, что кто-то уже снял треть.
Первая гипотеза была логичной и тревожной: кто-то подмешал в руду отработанное топливо из современного реактора. Международные инспекторы взволновались.
Но геологи быстро разнесли версию в пух и прах: руда лежала нетронутой под землёй сотни миллионов лет. Никакого постороннего вмешательства. Весь процесс контролировался четко на всех этапах.
В сентябре 1972 года Французская академия наук констатировала: в Габоне обнаружен природный ядерный реактор. Потом нашли ещё один. Потом ещё. В итоге насчитали 17 отдельных реакторных зон в трёх месторождениях.
Перед тем, как рассказать о работе этого реактора нужно пояснить несколько фактов из ядерной физики. Обещаю быть предельно простым и понятным.
Два изотопа урана распадаются с разной скоростью: уран-235 — быстро (период полураспада около 704 миллионов лет), уран-238 — медленно, почти как весь возраст Земли (4,54 миллиарда лет).
Поэтому чем глубже в прошлое, тем больше было «быстрого» делящегося изотопа. Два миллиарда лет назад его доля составляла около 3–3,7%. Это критически важная цифра — именно столько нужно для цепной реакции.
Сегодня этого же показателя инженеры добиваются дорогостоящим центрифугированием, разгоняя природные 0,72% до нужных 3–5%.
Природа в Габоне получила нужное «обогащение» даром — просто потому что время ещё не успело съесть уран-235.
Оставалось только собрать его в одном месте. Этим и занялись бактерии.
Реактор построили...бактерии
До появления кислорода в атмосфере Земли уран сидел в граните мёртвым грузом — нерастворимый, никуда не двигался.
Всё изменили цианобактерии: первые микроорганизмы, научившиеся фотосинтезировать с выделением O₂. Поначалу весь кислород уходил на окисление железа в океанах и метана в атмосфере.
Когда эти «буферы» истощились — около 2,4 миллиарда лет назад — кислород начал накапливаться в атмосфере и растворяться в грунтовых водах. Добравшись до урановых минералов, он перевёл нерастворимый уран в растворимую форму. Дожди и реки потащили его вниз по течению — в осадочный бассейн на месте нынешнего Габона.
А там уран встретил останки тех же самых бактерий. Их отмершие маты за миллионы лет погрузились на два километра вглубь и превратились в нефтяные ловушки.
Когда богатые ураном воды добирались до этих карманов, нефть поглощала кислород, уран терял растворимость и осаждался на месте — компактными линзами с концентрацией до 70% по массе. Бактерии сначала растворили уран, потом собственными трупами собрали его в кучу.
Как это вообще заработало
Для цепной реакции нужен замедлитель нейтронов. При делении ядра урана-235 вылетают «быстрые» нейтроны со скоростью больше 10 000 км/с. Вероятность того, что такой нейтрон попадёт в следующее ядро и вызовет ещё одно деление, ничтожно мала — он просто пролетает мимо. Нейтроны нужно затормозить до тепловых скоростей, примерно 2 км/с.
Лучший замедлитель — вода. Песчаники бассейна Франсвиль были пористыми и насыщенными грунтовыми водами.
Последнее условие: отсутствие нейтронных «ядов» — элементов, которые поглощают нейтроны и глушат реакцию. Бор, кадмий, литий — попади они в руду в значительных количествах, и никакого реактора не было бы.
В 2004 году физик Александр Мешик расшифровал, почему реактор не взорвался и не расплавил породу.
Механизм оказался до смешного простым: вода запускала реакцию, кипячение её останавливало. Грунтовые воды затекали в урановую линзу, замедляли нейтроны — цепная реакция шла. Через 30 минут температура поднималась до кипения, вода превращалась в пар, а пар нейтроны почти не тормозит. Реакция гасла сама собой.
Потом порода остывала два с половиной часа, пар конденсировался, вода снова заполняла поры — и всё начиналось заново. Тридцать минут работы, два с половиной часа покоя, и так сотни тысяч лет. Никаких операторов, никаких аварийных кнопок — только физика кипящей воды.
Реакторы Окло заглохли сами — примерно 1,7 миллиарда лет назад — по двум причинам сразу. Уран-235 постепенно выгорал: каждый цикл реакции уменьшал его долю, и через сотни тысяч лет топлива просто не осталось в нужном количестве.
Параллельно в породе накапливались продукты деления — самарий, гадолиний и другие элементы, жадно поглощающие нейтроны. Чем дольше работал реактор, тем больше этих «ядов» отравляло цепную реакцию. Реактор угас тихо и без драмы — так же спокойно, как и работал.
Природный ядерный реактор Окло проработал сотни тысяч лет без единого инженера, без пульта управления и без какой-либо аварии. Запустили его бактерии, топливо ему предоставили звёзды-сверхновые, замедлителем служила обычная грунтовая вода, а автоматом аварийной защиты — её же кипение.
Два миллиарда лет спустя люди всё ещё учатся у этой конструкции. И, судя по всему, будут учиться ещё долго.