Работал около двух млрд лет назад, цепные реакции продолжались в течение ~500 тыс. лет. Этот естественный реактор работал по тем же законам что и привычные нам рукотворные реакторы современных АЭС.
«Научным детективом»[1] назвал открытие этого чуда природы Бертран Барре, бывший директором реакторного отдела CEA (Комиссариата ядерной энергии Франции)[2]. Действительно, все началось как детектив. В 1972 г. Франсис Перен (Francis Perrin) сотрудник завода по обогащению урана для военных нужд в Пьерлате (Pierrelatte), деп. Изер, обнаружил аномалию в одной партии урана: содержание 235U в смеси изотопов урана (а не в руде, как часто ошибаются сторонние авторы) составляло 0,7171% вместо константных для текущей эпохи 0,7202%.
Эта, на первый взгляд, незначительная разница весьма существенна, ибо во всех рудах и даже метеоритных осколках доля урана-235 составляет вторую supra указанную величину. Это связано с разницей периодов полураспада 235 и 238 изотопов — 235 распадается на порядок быстрее, % его содержания в уране убывает со временем, и одинаков во всех месторождениях, поскольку они образовались из общего источника. Если процент урана-235 ниже, значит он… выгорал естественным образом, путем цепной реакции. CEA начал расследование, проверяя разные партии руды, и проследив путь странного урана. В Пьерлат он попал из Мальвези, где получали тетрафторид урана из уранинита, который поставлял завод урановых концентратов в Геньоне, получавший руду от компании COMUF, с габонских рудников в Мунане и Окло, в районе Франсвиля. Мунана также проводила предварительную очистку руды.
Посланная туда комиссия нашла образцы с еще меньшим содержанием урана-235: вплоть до 0,5% от массы изотопов, в богатой руде (20—60% урана). В 700 т, поставленных в Мунану за 1970—1972 гг., дефицит 235-го изотопа составил 200 кг. При исследовании образцов установили закономерность: богатство руды ураном коррелирует с его обеднением изотопом 235. Иными словами, чем насыщенней руда ураном, тем меньше в нем 235-го (см. график корреляции).
По оси х — глубина залегания рудного пласта, исследованного бурением. На глубину 1,7—2,2 м. приходится максимум содержания урана, в корреляции с пиками обеднения изотопом-235. В горизонтальном срезе это т. н. глинистая линза в пористом песчанике, 10—20 м длиной. Таких линз с ураном в Окло обнаружили 16. В августе 1972 г. родилось предположение, что это — естественные ядерные реакторы деления, чем и объяснялся недостаток 235U, совпадавший с максимум насыщения породы ураном — реакция могла начаться только в богатых пластах. После ряда всесторонних кропотливых доскональных исследований оно блестяще подтвердилось.
Условия для запуска природного реактора сложились 2,2 млрд лет назад, когда сине-зеленые водоросли океана (единственная тогда органика на земле) «надышали» достаточно кислорода для реакций окисления. Оксиды урана сформировали руды, ныне поднятые тектоническим движениями к поверхности, а тогда уранинит Окло залегал на глубине 500 м. В раннем протерозое территория современного Габона находилась в центре суперконтинента Пангея, где сложились уникальные условия для запуска природного реактора. Геологические, геохимические и нейтронные анализы уточнили возраст реакторов Окло в 1,95 млрд лет. Как они запустились и работали?
В ту эпоху в уране доля изотопа-235 составляла 3,5%. Это позволяло идти цепным реакциям даже на простой воде в качестве замедлителя. Чтобы лучше понять подобные нюансы, следует вспомнить принцип работы реакторов деления.
Все изотопы урана — делимые. Это значит, что их ядра можно расщепить с извлечением энергии из этой реакции. Но 235U является делящимся нуклидом, а 238U неделящимся. Это значит, что 235U делится нейтронами любых энергий и способен поддерживать цепную реакцию, основанную на делении ядер нейтронами деления (то есть нейтронами, высвобожденными в предыдущих актах деления). Каждое делящееся ядро порождает 2—3 нейтрона, которые инициируют следующие деления. Это и есть цепная реакция.
238U делится только энергичными (быстрыми) нейтронами[3]. Лишь половина нейтронов деления имеет такие энергии, но и они зачастую не вызывают реакцию деления, а неупруго рассеиваются на ядрах изотопа-238, поскольку сечение этой реакции у него достаточно высоко. В результате цепная реакция затухает. Следовательно, поддерживать ее могут только ядра изотопа-235. Но его, в современную геологическую эпоху, всего 0,72% от массы изотопов урана. Тем не менее этого количества хватит для самоподдерживающейся цепной реакции в природной смеси изотопов, если не будет заметной потери нейтронов деления. Иными словами, если все нейтроны достанутся урану-235, а это невозможно, поскольку его в урановой массе менее процента. К тому же уран-238, не делясь медленными нейтронами, охотно их поглощает, прерывая цепную реакцию. Именно для этого требуется замедлитель — нейтроны тепловых энергий (менее 1 эВ) 238U не захватывает, и цепная реакция не затухает. Но здесь возникает еще одна проблема — ядра водорода тоже захватывают нейтроны. Чтобы уменьшить этот эффект, в реакторах используется тяжелая вода, где вместо атомов водорода — атомы дейтерия. Они уже нейтронизованы, и вероятность захвата нейтронов таким замедлителем резко уменьшается. Классический водяной реактор — «котел» с тяжелой водой, в котором растворены соли урана. По такому принципу выполнен знаменитый ZOE, запущенный Ф. Жольо-Кюри в форте Шатийон в 1948 г.
Резюмируя, сегодня на обычной (легкой) воде реактор без обогащения 235U работать не будет. Но 2 млрд лет назад, уран уже был «обогащен» — доля изотопа-235 составляла 3,5%. Удельного числа его ядер хватало для поддержки цепной реакции даже на легкой воде, что и произошло в Окло. Вода залила глинистые линзы, нейтроны, выделяемые при спонтанном делении, замедлились и инициировали цепную реакцию.
Реактор имел регулировку циклов, своего рода защиту от надкритичности. В современных реакторах для этого в активную зону вводятся поглотители нейтронов. В Окло основным регулятором коэффициента размножения служила температура: энергия деления повышала Т, с ней повышалась энергия нейтронов и снижалась замедляющая способность воды, с чем возрастал захват нейтронов ядрами 238U. Система опускалась в подкритическую зону, остывала, и реакции возобновлялись. Б. Барре предполагал, что при определенной Т система стабилизировалась, реакции постоянно шли на определенном уровне. Для технического реактора с его высочайшей плотностью энергии это невозможно, но природный выдавал в миллион раз меньшую мощность на единицу объема делимого вещества, и достигал большой абсолютной мощности за счет огромных, по сравнению с рукотворными, размеров.
Не все нейтроны успевают замедлиться до тепловых скоростей, избежав радиационного захвата ядрами 238U. Особенно вероятен перехват в зоне резонанса (пика сечения захвата) на энергиях 7—200 эВ. Но это не беда — каждый акт деления высвобождает больше нейтронов, чем требуется для поддержания цепной реакции. И захваченные нейтроны приносят определенную пользу: двойным β-распадом 239U превращается в делящийся плутоний-239. В техническом реакторе на 10 кг «сожженного» 235U, приходится 8 кг 239Pu, наработанного из 238U. В Окло плутоний давно распался (его период полураспада = 24 тыс. лет), но о его наработанной массе можно судить по стабильным изотопам продуктов распада плутония-239. Эти расчеты позволили определить время работы природных реакторов Окло в 150—850 тыс. лет.
Открытие протерозойских ядерных реакторов — сенсация, волнующая пытливые умы и поныне. В департаменте Дром, в городе Вьенне (Vienne) открыт Музей естественной истории, главная экспозиция которого посвящена реакторам Окло.
_______________________
[1] Un polar scientifique, слово polar — вошедший в литературный язык жаргонизм от (film/roman) policier — полицейский, т. е. детективный (фильм, роман). Автомат нередко «переводит» его как «триллер», что неверно (есть соотв. англицизм), и недопустимо в нашем случае.
[2] Первым Верховным комиссаром которого был великий физик Ф. Жольо-Кюри, первым получивший цепную реакцию.
[3] Подробней о делении см. нашу работу «Ядерная физика для пешеходов».
© φизика и лиρика, MMXXVI
Еще о ядерной физике: