Природные ядерные реакторы. Природный ядерный реактор на Земле. Окло
Карьер для добычи урановой руды в Габоне близ города Окло
Ровно 40 лет назад состоялась первая международная конференция, посвященная итогам изучения уникального природного ядерного реактора на юго-западе Экваториальной Африки. Этот геологический феномен открыли в Габоне, неподалеку от шахтерского городка Окло, 2 июня 1972 года прямо в теле уранового месторождения.
Срок работы − 500 000 лет
Как-то раз при обследовании уранового рудника в Габоне экспедиция французских геологов с изумлением выяснила, что около двух миллиардов лет назад здесь работал самый настоящий естественный ядерный реактор. Так на весь мир стал известно геологическое чудо, спрятанное в старом руднике Окло.
Каким же образом создались естественные условия для протекания цепной ядерной реакции? Когда-то все началось с того, что в речной дельте на прочном ложе из базальтовых пород отложился слой песчаника, богатого урановой рудой. В результате бесконечной череды землетрясений базальтовый фундамент погрузился глубоко в землю. Там на километровой глубине ураноносный песчаник растрескался, и в трещины стала поступать грунтовая вода. Прошли сотни миллионов лет, и песчаный пласт снова поднялся к поверхности.
Инженеры-атомщики объяснили геологам, что естественным регулятором цепной реакции служила вода. Когда она попадала в реактор, то тут же закипала и испарялась, в результате чего «атомный огонь» на время потухал.
На охлаждение реактора и накопление воды требовалось примерно 2,5 часа, а длительность активного периода составляла порядка получаса. Когда порода остывала, вода вновь просачивалась и запускала ядерную реакцию. И так, то вспыхивая, то угасая, реактор, мощность которого была в 200 раз меньше, чем у первой атомной электростанции в Обнинске, проработал около полумиллиона лет.
«Чикагская поленница», первый в мире ядерный реактор, запущенный в 1942 году
Несмотря на солидный срок исследования африканского геологического феномена, до сих пор остаются некоторые нерешенные вопросы. И главный: каким образом на протяжении полумиллиона лет природный реактор пережил землетрясения и поднятия-опускания земной коры? Ведь очевидно, что любое движение земных пластов тут же изменило бы «объем рабочей зоны». При этом либо ядерная реакция сразу же прекратилась бы, либо произошел бы атомный взрыв, бесследно уничтоживший геологический феномен…
Между тем и в данный момент Окло представляет собой действующее урановое месторождение. Те рудные тела, которые располагаются у поверхности, добывают карьерным методом, а те, что на глубине, - горными выработками.
«Чикагская поленница»
2 декабря 1942 года команда физиков из Чикагского университета во главе с лауреатом Нобелевской премии Энрико Ферми запустила первый в мире ядерный реактор, названный «Чикагской поленницей». Спустя 15 лет появились первые идеи возможности существования атомного реактора, созданного самой природой. Одним из первых разработкой гипотезы об природных реакторах занялся японский физик Пол Курода. Он долго безуспешно искал признаки естественных ядерных реакций в рудниковых залежах урана.
Когда открыли реактор Окло, возникли различные гипотезы о причинах этого странного явления. Одни утверждали, что месторождение было заражено отработанным топливом инопланетных космических аппаратов, другие считали его местом захоронения ядерных отходов, доставшихся нам в наследство от древних высокоразвитых цивилизаций.
Кроме поразительных деталей функционирования природного ядерного реактора весьма любопытно было бы узнать и судьбу его «радиоактивных отходов». Специалисты-радиохимики подсчитали, что реактор в Окло выработал около 6 тонн продуктов деления и 2,5 тонны плутония. При этом основная часть радиоактивных отходов оказалась заключена внутри кристаллической структуры минерала уранита, в рудных телах шахты Окло.
Естественный реактор наглядно продемонстрировал, как можно было бы строить ядерные могильники, безвредные для окружающей среды. Однако главным во влиянии естественной радиации на флору и фауну нашей планеты являются всяческие мутации.
От обезьяны - к человеку
Естественный реактор в Окло начал действовать во времена, когда на Земле появились первые многоклеточные организмы, которые тут же стали осваивать теплые водоемы и прибрежные зоны Мирового океана. Эволюционное учение, основанное на фундаментальной теории великого Дарвина, предполагает плавный переход от морских растений и животных к наземным. Однако некоторые палеонтологические находки плохо укладываются в традиционные воззрения, подтверждая гипотезы об эволюционных «скачках» и «прыжках». Некоторые палеонтологи упорно настаивают, что в разные исторические периоды как бы ниоткуда неожиданно возникали совершенно новые виды живых организмов.
Как об альтернативной оценке событий того далекого времени можно упомянуть и о следующем мнении, связанном с последствиями работы природного реактора. Предполагается, что природный ядерный реактор мог привести к многочисленным мутациям живых организмов, подавляющее большинство которых вымерли как нежизнеспособные. Некоторые палеонтологи считают, что именно высокая радиация вызвала неожиданные мутации у бродивших неподалеку африканских человекообразных обезьян и подтолкнула их эволюцию в сторону современного человека.
Мертвое пятно и радиационные мутанты
Вполне возможно, что в те далекие времена естественные очаги цепных реакций встречались довольно часто, поэтому изредка не только включались природные реакторы, но и происходили атомные взрывы. Конечно, такое радиационное воздействие должно было как-то отражаться на формирующейся биосфере нашей планеты. Высокая радиация губительна для любой жизни, однако в случае с природными реакторами дело обстоит гораздо сложнее. Действительно, вблизи, а тем более над реактором, должно было образоваться мертвое пятно (вспомним загадочные «геопатогенные» зоны), где любая флора и фауна будет уничтожена ионизирующим излучением реакторной зоны. Но по краям опасной зоны уровни радиации могли бы изменить ситуацию на противоположную - излучение здесь не будет убивать, а вызовет череду генных мутаций.
Урановая руда, добытая из шахты Окло
Среди радиационных мутантов могли быть очень необычные существа, вносившие большое разнообразие в окружающую природу и ускоряющие эволюционное развитие. Получается, что недалеко от природных источников радиации должно было наблюдаться невиданное разнообразие жизни.
Более того, потоки радиации от естественных реакторов и взрывов могли бы прояснить, как начиналась жизнь на Земле. Биологи-эволюционисты, биофизики и биохимики давно уже высказывают осторожные догадки, что для запуска жизненных процессов в первоклетке нужен был какой-то достаточно мощный энергетический импульс. Этот поток внешней энергии мог бы разорвать химические связи таких элементов, как углерод, азот, водород и кислород. Затем эти элементы могли бы вступить в реакции друг с другом и образовать первые сложные органические молекулы. Раньше считалось, что такой толчок мог бы дать импульс электромагнитной энергии, скажем, в виде сильного молниевого разряда. Однако в последние годы все чаще встречаются идеи о том, что куда лучше молнии с организацией подобного энергоимпульса могли бы справиться мощные природные источники радиации.
Ацидалийский феномен
Недавно марсоход «Кьюриосити» сделал неожиданное открытие. Все началось с того, что в ходе плановых исследований марсианский ровер нашел на поверхности Красной планеты следы… ядерного пепла.
Этот загадочный факт тут же породил гипотезу, что несколько сотен миллионов лет назад на Марсе произошла крупномасштабная ядерная катастрофа. Некоторым образом взорвался природный реактор, засыпавший обширные просторы планеты радиоактивной пылью и обломками. При этом основным аргументом выступает факт реализации подобного «ядерного сценария» на Земле, в Окло.
Может быть, около миллиарда лет назад гигантский ядерный реактор сформировался и действовал в северной части марсианского Ацидалийского моря. Вероятно, марсианский реактор не имел достаточно эффективного регулятора и однажды взорвался, выбросив значительное количество радиоактивных веществ.
Скорее всего, «Ацидалийский феномен» залегал на значительной глубине, не менее километра, где и находилось обширное рудное тело из концентрированного урана, тория и калия. Судя по всему, древний Марс был в тектоническом плане довольно спокойной планетой с крайне незначительным движением литосферных плит. Поэтому радиоактивное рудное тело очень долго находилось в покое и в нем протекали ядерные реакции.
Марсоход «Кьюриосити» нашел на Марсе следы ядерного пепла
Расчеты показывают, что марсианский атомный взрыв сопоставим с падением на поверхность планеты 30-километрового астероида. Однако, в отличие от астероидного удара, очаг взрыва находился ближе к поверхности, и впадина, образованная им, была значительно меньше по глубине, чем ударные кратеры.
Регион с повышенной концентрацией тория залегает на северо-западе Ацидалийского моря в широкой и мелкой впадине. Содержание следов тория и радиоактивных изотопов калия указывает, что ядерная катастрофа произошла несколько сотен миллионов лет назад, в середине или конце Амазонийской эры. На эту катастрофу указывает также присутствие в атмосфере планеты изотопов аргон-40 и ксенон-129, возникающих в результате ядерных реакций.
Многие планетологи выражают большое сомнение в реальности марсианской атомной катастрофы. Так, они отмечают, что нынешние геологические условия как на Марсе, так и на Земле не испытывали резких изменений в течение тысячелетий. По мнению геофизиков и геохимиков, особенности марсианской 0поверхности, открытые в ходе миссии NASA, могут быть связаны с самыми обычными геологическими процессами, не имеющими ядерной основы.
Загадка, которая наводит на интересные мысли!
Ядерный могильник – место, где хранится отработанное ядерное топливо ОЯТ, по всей Земле разбросано множество таких мест. Все они были построены в последние десятилетия, чтобы надежно спрятать представляющие огромную опасность побочные продукты деятельности атомных электростанций.
Но к одному из могильников человечество не имеет никакого отношения: неизвестно, кто его и построил и даже когда – ученые осторожно определяют его возраст в 1,8 млрд. лет.
Феномен Окло
В 1972 году на разрабатываемом месторождении урана в Окло (Африка, Габон) любознательный лаборант обратил внимание, что процентное содержание U-235 в руде ниже норматива на 0,003%. Несмотря на кажущуюся незначительность отклонения, для ученых это было ЧП. Во всех земных урановых рудах и даже в образцах, доставленных с Луны, показатель содержания урана в руде всегда 0,7202%, по какой же причине из шахт в Окло поднимали руду, содержащую 0,7171%, а то и менее?
Более всего ученых пугает непонятное, поэтому в 1975 году в столице Габона Либревиле состоялась научная конференция, на которой ученые-атомщики искали объяснение феномену.
После долгих дебатов решили считать месторождение в Окло единственным на Земле природным ядерным реактором. Возникший 1,8 млрд. лет назад и горевший на протяжении 500 тыс. лет природный реактор выгорел, руда – продукт распада. Все облегченно вздохнул — одной загадкой на Земле стало меньше.
Альтернативная точка зрения
Но не все участники конференции приняли такое решение. Ряд ученых назвал его надуманным, не выдерживающим никакой критики. Опирались они на мнение великого Энрико Ферми, создателя первого в мире ядерного реактора, всегда утверждавшего, что цепная реакция может иметь только искусственный характер – слишком много факторов должны случайно совпасть. Любой математик скажет, что вероятность такого настолько мала, что ее можно однозначно приравнять к нулю.
Но если такое вдруг и случилось и звезды что называется сошлись, то самоуправляемая ядерная реакция на протяжении 500 тыс. лет… На АЭС несколько человек круглосуточно наблюдают за работой реактора, постоянно меняя режимы его работы, не давая реактору остановиться или взорваться. Малейшая ошибка – и получите Чернобыль или Фукусиму. А в Окло полмиллиона лет работало все само?
Наиболее устойчивая версия
Несогласные с версией природного ядерного реактора в габонском руднике выдвинули свою теорию, согласно которой реактор в Окло – творение разума. Однако рудник в Габоне менее похож на ядерный реактор, построенный высокотехнологической цивилизацией. Впрочем, альтернативщики на этом и не настаивают. По их мнению рудник в Габоне был местом захоронения ОЯТ.
Для этой цели место выбрано и подготовлено идеально: за полмиллиона лет из базальтового «саркофага» ни грамма радиоактивного вещества не проникло в окружающую среду.
Теория, что рудник в Окло – ядерный могильник с технической точки зрения куда более подходящая, чем версия «естественного реактора». Но закрывая одни вопросы, она задает новые. Ведь если был могильник с ОЯТ, значит был и реактор, откуда привезли эти отходы. Куда же он делся? И куда пропала сама цивилизация, построившая могильник?
Природные ядерные реакторы существуют! В свое время выдающийся физик-атомщик Энрико Ферми пафосно заявил, что только человеку под силу создать атомный реактор … Однако, как оказалось через много десятилетий, он ошибался — также производит ядерные реакторы! Они существовали в течение многих сотен миллионов лет назад, клокоча цепными ядерными реакциями. Последний из них — природный атомный реактор Окло — погас 1,7 миллиарда лет назад, однако до сих пор дышит радиацией.
Почему, где, как, а главное какие последствия возникновения и деятельности этого природного феномена?
Природные ядерные реакторы вполне могут создаваться самой Матушкой природой — для этого будет достаточно, чтобы в одном «местечке» скопилось необходимая концентрация изотопа урана-235-го (235U). Изотоп — это своеобразная разновидность химического элемента, который отличается от других большим или меньшим количеством нейтронов в ядре атома, тогда как количество протонов и электронов остается постоянным.
Например, у урана всегда имеются 92 протона и 92 электрона, однако, количество нейтронов бывает разным: у 238U — 146 нейтронов, 235U — 143, 234U — 142, 233U — 141 и т.д. … В естественных минералах — на Земле, на других планетах и в метеоритах — основную массу всегда составляют 238U (99,2739%), а изотопы 235U и 234U представлены лишь следами — 0,720% и 0,0057% соответственно.
Цепная ядерная реакция начинается когда концентрация изотопа урана-235-го превышает 1% и тем интенсивнее идет, чем его больше. Именно потому, что в природе изотоп урана-235-го очень рассеянный, считалось, что природные атомные реакторы не могут существовать. Кстати, в атомных реакторах электростанций, в качестве топлива, и в атомных бомбах используется именно 235U.
Однако, в 1972 году в урановых рудниках вблизи Окло, что в Габоне, Африка, ученые обнаружили 16 природных атомных реакторов, которые активно действовали почти 2 миллиарда лет назад … Сейчас они уже остановились, а концентрация 235U в них меньше, чем она имела быть в «нормальных» природных условиях — 0,717%.
Эта, хотя и скудная, разница, по сравнению с «нормальными» минералами, заставила ученых сделать единственный логический вывод — здесь действительно действовали природные атомные реакторы. Более того, подтверждением была высокая концентрация продуктов распада ядер урана-235-го, аналогично, как происходит в искусственных реакторах. При распаде атома урана-235-го, с его ядра вырываются нейтроны, ударяясь в ядро урана-238-го, они превращают его в уран-239-й, а тот в свою очередь теряет 2 электрона, становясь плутонием-239-м …
Именно этот механизм и породил в Окло более две тонны плутония-239-го. Ученые рассчитали, что на момент «запуска» естественного атомного реактора Окло, около 2-х миллиардов лет назад (полураспад 235U в 6 раз быстрее, чем 238U — 713 миллионов лет), доля 235U составила более 3%, что равнозначно промышленном обогащенном урановые.
Для того чтобы ядерная реакция продолжалась, необходимым фактором было замедление быстрых нейтронов, которые вылетали из ядер урана-235-го. Этим фактором, как и в созданных человеком реакторах, стала обычная вода.
Реактор начал работать в момент затопления богатых ураном пористых пород в Окло грунтовыми водами, и выступили в качестве неких замедлителей нейтронов. Тепло, выделяемое в результате реакции, вызвало кипение и испарение воды, замедляло, а впоследствии и останавливало ядерную цепную реакцию.
А после того, как вся порода охлаждалась и распадались все короткоживущие изотопы (это так называемые нейтронные яды, которые способны поглощать нейтроны и прекращать реакцию), водяной пар конденсировался, затапливая породу, и реакция возобновлялась.
Ученые рассчитали, что реактор «включался» на 30 минут, пока не испарялась вода, и «выключался» на 2,5 часа, пока пар не конденсировался. Этот циклический процесс напоминал современные гейзеры и продолжался несколько сотен тысяч лет. При распаде ядер продуктов распада урана, преимущественно радиоактивных изотопов йода, образовались пять изотопов ксенона.
Именно все 5 изотопов в различных концентрациях были обнаружены в таких породах естественного реактора. Именно концентрация и соотношение изотопов этого благородного газа (ксенон — это очень тяжелый и радиоактивный газ) и позволило установить периодичность, с которой «работал» реактор Окло.
Распад ядра атома урана-235-го (большие атомы) вызывает излучения быстрых нейтронов, для дальнейшей ядерной реакции должны замедлиться водой (маленькие молекулы)
Известно, что высокая радиация губительна для живых организмов. Поэтому, в местах существования природных ядерных реакторов, очевидно, находились, «мертвые пятна», где не было никакой жизни, ведь ДНК разрушается радиоактивным ионизирующим излучением. Но на краю пятна, где уровень радиации был значительно ниже — были частые мутации, а значит, постоянно возникали новые виды.
Ученые до сих четко не знают с чего началось жизнь на Земле. Они только знают, что для этого был нужен сильный энергетический импульс, который способствовал бы образованию первых органических полимеров. Считают, что такими импульсами могли быть молнии, вулканы, падения метеоритов и астероидов, однако, в последние годы предлагается за исходную точку считать гипотезу, что такой импульс могли создать естественные природные ядерные реакторы. Кто знает …
А. Ю. Шуколюков
Химия и Жизнь №6, 1980 г., с. 20-24
Этот рассказ - об открытии, которое предсказывали давно, которого долго ждали и уже почти отчаялись дождаться. Когда же все-таки открытие свершилось, то оказалось, что цепная реакция деления урана, считавшаяся одним из высших проявлений могущества человеческого разума, когда-то давным-давно могла идти и шла без какого-либо вмешательства человека. Об этом открытии, о феномене Окло, лет семь назад писали много и не всегда корректно. Со временем страсти поутихли, а информации об этом феномене за последнее время прибавилось...
ПОПЫТКИ С НЕГОДНЫМИ СРЕДСТВАМИ
Рассказывают, что в один из осенних дней 1945 г. японский физик П. Курода, потрясенный увиденным в Хиросиме, впервые задумался о том, не может ли подобный процесс деления ядер идти в природе. А если да, то не этот ли процесс порождает неукротимую энергию вулканов, которые как раз в то время Курода изучал?
Вслед за ним этой заманчивой идеей увлеклись и некоторые другие физики, химики, геологи. Но техника - появившиеся в 50-е годы энергетические ядерные реакторы - работала против эффектного умозаключения. Не то чтобы теория реакторов накладывала запрет на такой процесс - она объявляла его слишком маловероятным.
И все-таки стали искать следы при родной цепной реакции деления. Американец И. Орр, например, попытался обнаружить признаки ядерного "горения" в тухолите. Название этого минерала вовсе не свидетельство его неприятного запаха, слово образовано из первых букв латинских названий элементов, имеющихся в этом минерале,- тория, урана, водорода (хидрогениум, первая буква - латинская "аш", читающаяся как "х") и кислорода (оксигениум). А концовка "лит" - от греческого "литое" - камень.
Но никаких аномалий в тухолите не обнаружилось.
Отрицательный результат был получен и при работе с одним из самых известных урановых минералов - уранинитом 1 . Было высказано предположение, что редкоземельные элементы, присутствующие в заирском уранините, образовались в цепной реакции деления. Но изотопный анализ показал, что эта примесь - самая обыкновенная, не радиогенная.
Исследователи из Арканзасского университета попытались найти в горячих источниках Йеллоустонского национального парка радиоактивные изотопы стронция. Рассуждали так: вода этих источников подогревается неким источником энергии; если где-то в недрах действует природный ядерный реактор, в воду неизбежно просочатся радиоактивные продукты цепной реакции деления, в частности стронций-90. Однако никаких признаков повышенной радиоактивности в йеллоустонских водах не оказалось...
Где же искать природный реактор? Первые попытки были предприняты почти вслепую, на основе соображений типа "это может быть потому, что...". До серьезной теории природного ядерного реактора было еще далеко.
НАЧАЛА ТЕОРИИ
В 1956 г. в журнале "Nature" была опубликована маленькая, всего на страницу, заметка. В ней коротко излагалась теория природного ядерного реактора. Ее автором был все тот же П. Курода. Смысл заметки сводится к расчету коэффициента размножения нейтронов К Ґ . Величина этого коэффициента определяет, быть или не быть цепной реакции деления. И в реакторе, и в месторождении, очевидно.
Когда образуется урановое месторождение, в нем могут наличествовать три главных "действующих лица" будущей цепной реакции. Это горючее - уран-235, замедлители нейтронов - вода, окислы кремния и металлов, графит (сталкиваясь с молекулами этих веществ, нейтроны растрачивают свой запас кинетической энергии и из быстрых превращаются в медленные) и, наконец, поглотители нейтронов, среди которых - осколочные элементы (о них разговор особый) и, как это ни странно, сам уран. Преобладающий изотоп - уран-238 может делиться быстрыми нейтронами, но нейтроны средней энергии (более энергичные, чем медленные, и более медленные, чем быстрые) его ядра захватывают и при этом не распадаются, не делятся.
При каждом делении ядра урана-235, вызванном столкновением с медленным нейтроном, рождается два-три новых нейтрона. Казалось бы, число нейтронов в месторождении должно лавинообразно нарастать. Но все не так просто. "Новорожденные" нейтроны - быстрые. Чтобы вызвать новое деление урана-235, они должны стать медленными. Вот здесь-то и подстерегают их две опасности. Замедляясь, они должны как бы проскочить интервал энергий, при которых с нейтронами очень охотно реагирует уран-238. Не всем это удается - часть нейтронов выбывает из игры. Уцелевшие медленные нейтроны становятся жертвами атомных ядер редкоземельных элементов, всегда присутствующих в урановых месторождениях (и реакторах тоже).
Мало того, что они - элементы рассеянные - вездесущи. Они к тому же образуются при делении ядер урана - вынужденном и спонтанном. А некоторые осколочные элементы, например гадолиний и самарий, относятся к числу самых сильных поглотителей тепловых нейтронов. В итоге, на цепную реакцию в уране, как правило, нейтронов остается не так уж много...
Коэффициент размножения К Ґ - это и есть отношение остатка нейтронов к их первоначальному числу. Если K Ґ =1, в урановом месторождении устойчиво протекает цепная реакция, если K Ґ > 1, месторождение должно самоуничтожиться, рассеяться, может даже взорваться. При К Ґ Что для этого необходимо? Во-первых, чтобы месторождение было древним. Сейчас в природной смеси изотопов урана концентрация урана-235 всего 0,7%. Не многим больше она была и 500 миллионов, и миллиард лет назад. Поэтому ни в одном месторождении моложе 1 млрд. лет не могла начаться цепная реакция, независимо от общей концентрации урана или воды-замедлителя. Период полураспада урана-235 около 700 млн. лет. Чем дальше в глубь веков, тем больше была концентрация изотопа уран-235. Два миллиарда лет назад она составляла 3,7%, 3 млрд. лет - 8,4%, 4 млрд. лет - целых 19,2%! Вот тогда, миллиарды лет назад, древнейшие месторождения урана были достаточно богатыми, готовыми вот-вот "вспыхнуть".
Древность месторождения - необходимое, но не достаточное условие действия природных реакторов. Другое, также необходимое условие - присутствие здесь же воды в больших количествах. Вода, особенно тяжелая,- лучший замедлитель нейтронов. Не случайно же критическая масса урана (93,5% 235 U) в водном растворе - меньше одного килограмма, а в твердом состоянии, в виде шара со специальным отражателем нейтронов - от 18 до 23 кг. Не меньше 15-20% воды должно было быть в составе урановой древней руды, чтобы в ней вспыхнула цепная реакция деления урана.
Но и этого еще недостаточно. Необходимо, чтобы урана в руде было не меньше 10-20%. При иных обстоятельствах природная цепная реакция не могла бы начаться. Заметим тут же, что сейчас богатыми считаются руды, в которых от 0,5 до 1,0% урана; больше 1 % - очень богатыми...
Но и это еще не все. Нужно, чтобы месторождение было не слишком маленьким. Например, в куске руды величиною с кулак - самой древней, самой концентрированной (и по урану, и по воде) - цепная реакция начаться бы не могла. Слишком много нейтронов вылетали бы из такого куска, не успев вступить в цепную реакцию. Подсчитали, что размеры залежей, которые могли бы стать природными реакторами, должны составлять хотя бы несколько кубометров.
Итак, чтобы в месторождении сам собой заработал "нерукотворный" ядерный реактор, нужно, чтобы одновременно соблюдались все четыре обязательных условия. Это и оговорила теория, сформулированная профессором Куродой. Теперь поиски природных реакторов в урановых месторождениях могли приобрести известную целенаправленность.
НЕ ТАМ, ГДЕ ИСКАЛИ
Поиски вели в США и в СССР. Американцы проводили точнейшие изотопные анализы урана, надеясь обнаружить хоть небольшое "выгорание" урана-235. К 1963 году Комиссия по атомной энергии США уже располагала сведениями об изотопном составе нескольких сотен урановых месторождений. Были изучены глубинные и поверхностные, древние и молодые, богатые и бедные месторождения урана. В семидесятых годах эти данные опубликовали. Следов цепной реакции найдено не было...
В СССР применили другой метод поисков природного ядерного реактора. Из каждых ста делений ядер урана-235 шесть приводят к образованию изотопов ксенона. Значит, при цепной реакции в урановых месторождениях должен накапливаться ксенон. Превышение концентрации ксенона (сверх 10 -15 г/г) и изменения его изотопного состава в урановой руде свидетельствовали бы о природном реакторе. Чувствительность советских масс-спектрометров позволяла обнаружить малейшие отклонения. Были исследованы многие "подозрительные" урановые месторождения - но ни в одном не обнаружилось признаков природных ядерных реакторов.
Получалось, что теоретическая возможность природной цепной реакции никогда не превратилась в действительность. К такому выводу пришли в 1970 г. А спустя всего два года французские специалисты совершенно случайно натолкнулись на природный ядерный реактор. Вот как это было.
В июне 1972 г. в одной из лабораторий Комиссариата по атомной энергии Франции готовили эталонный раствор природного урана. Измерили его изотопный состав: урана-235 оказалось 0,7171% вместо 0,7202%. Невелика разница! Но в лаборатории привыкли работать точно. Проверили результат - он повторился. Исследовали другой препарат урана - дефицит урана-235 еще больше! На протяжении следующих шести недель экстренно проанализировали еще 350 образцов и обнаружили, что из уранового месторождения Окло (Габон) во Францию доставляется урановая руда, обедненная раном-235.
Организовали расследование - оказалось, что за полтора года с рудника поступило 700 тонн обедненного урана, и общая недостача урана-235 в сырье, поступившем на атомные заводы Франции, составила 200 кг! Их, очевидно, использовала в качестве ядерного горючего сама природа...
Французские исследователи (Р. Бодю, М. Нелли и др.) срочно опубликовали сообщение, что ими обнаружен природный ядерный реактор. Затем во многих журналах были приведены результаты всестороннего изучения необычного месторождения Окло.
Феномену Окло были посвящены две международных научных конференции. Все сошлись в общем мнении: это действительно природный ядерный реактор, работавший в центре Африки сам по себе, когда и предков-то человека на Земле не было.
КАК ЖЕ ЭТО ПРОИЗОШЛО?
2 миллиарда 600 миллионов лет назад на территории нынешнего Габона и сопредельных с ним африканских государств образовалась огромная гранитная плита протяженностью во много десятков километров. (Эту дату, так же как и другие, о которых пойдет речь, определили с помощью радиоактивных часов - по накоплению аргона из калия, стронция - из рубидия, свинца - из урана.)
В течение последующих 500 миллионов лет эта глыба разрушалась, превращаясь в песок и глину. Они смывались реками и в виде осадков, насыщенных органическим веществом, слоями оседали в дельте древней громадной реки. За десятки миллионов лет толщи осадков настолько увеличились, что нижние слои оказались на глубине в несколько километров. Сквозь них просачивались подземные воды, в которых были растворены соли, в том числе немного солей уранила (ион UO 2 2+). В слоях, насыщенных органическим веществом, были условия для восстановления шестивалентного урана в четырехвалентный, который и выпадал в осадок. Постепенно много тысяч тонн урана осело в виде рудных "линз" размером в десятки метров. Содержание урана в руде достигло 30, 40, 50% и продолжало расти.
Изотопная концентрация урана-235 была тогда 4,1%. И в какой-то момент оказались соблюденными все четыре условия, необходимых для начала цепной реакции, о которых рассказано выше. И - природный реактор заработал. В сотни миллионов раз вырос поток нейтронов. Это привело не только к выгоранию урана-235, месторождение Окло оказалось скопищем многих изотопных аномалий.
Заодно с ураном-235 "выгорели" все легко взаимодействующие с нейтронами изотопы. Оказался в зоне реакции самарии - и лишился своего изотопа 149 Sm. Если в природной смеси изотопов самария его 14%, то на месте работы природного реактора - всего 0,2%. Такая же судьба постигла 151 Еu, 157 Gd и некоторые другие изотопы редкоземельных элементов.
Но и в природном ядерном реакторе действуют законы сохранения энергии и материи. Ничто не превращается в ничто. "Погибшие" атомы породили новые. Деление урана-235 - мы знаем это из физики - не что иное, как образование осколков разнообразных атомных ядер с массовыми числами от 70 до 170. Добрая треть таблицы элементов - от цинка до лютеция получается в результате деления ядер урана. В зоне цепной реакции обитают химические элементы с фантастически искаженным изотопным составом. У рутения из Окло, например, втрое больше, чем в природном рутении, ядер с массовым числом 99. В цирконии в пять раз вырастает содержание изотопа 96 Zr. "Сгоревший" 149Sm превратился в 150 Sm, и последнего в итоге в одной из проб оказалось в 1300 раз больше, чем должно было быть. Таким же путем в 100 раз возросла концентрация изотопов 152 Gd и 154 Gd.
Все эти изотопные аномалии интересны сами по себе, но они позволили многое узнать и о природном реакторе. Например, сколько времени он работал. Некоторые образовывавшиеся при работе природного реактора изотопы, естественно, были радиоактивными. Они не дожили до наших дней, распались. Но за то время, что радиоактивные изотопы находились в зоне реакции, часть из них вступила в реакцию с нейтронами. По количеству продуктов таких реакций и продуктов распада радиоактивных изотопов, зная дозу нейтронов, рассчитали длительность работы природного реактора. Оказалось, что он работал примерно 500 тысяч лет.
А дозу нейтронов узнали тоже по изотопам, по их выгоранию или накоплению; вероятность взаимодействия осколочных элементов с нейтронами известна достаточно точно. Дозы нейтронов в природном реакторе были весьма внушительными - около 10 21 нейтронов на квадратный сантиметр, то есть в тысячи раз больше, чем использующиеся в лабораториях при нейтронно-активационном химическом анализе. Каждый кубический сантиметр руды ежесекундно бомбардировали сто миллионов нейтронов!
По выгоранию изотопов подсчитали и энергию, выделенную в природном реакторе - 10 11 кВт·ч. Этой энергии хватило, чтобы температура месторождения Окло достигла 400-600°С. До ядерного взрыва, очевидно, было далеко, вразнос реактор не шел. Это, вероятно, объясняется тем, что природный реактор Окло был саморегулирующимся. Когда коэффициент размножения нейтронов приближался к единице, температура повышалась, и вода - замедлитель нейтронов - уходила из зоны реакции. Реактор останавливался, остывал, и вода снова насыщала руду - опять возобновлялась цепная реакция.
Все это продолжалось до тех пор, пока в руду свободно поступала вода. Но однажды водный режим изменился, и реактор остановился навсегда. За два миллиарда лет силы земных недр сдвинули, смяли, вздыбили под углом 45° пласты руды и вынесли их к поверхности. Природный реактор, словно замороженный в слое вечной мерзлоты мамонт, в своем первозданном виде предстал перед современными исследователями.
Впрочем, не совсем в первозданном. Некоторые изотопы, образованные при работе реактора, исчезли из зоны реакции. Например, барий, стронций и рубидий, найденные в месторождении Окло, оказались почти нормальными по изотопному составу. А ведь цепная реакция должна была вызвать громадные аномалии в составе этих элементов. Аномалии были, но и барий, и стронций, и тем более рубидий - химически активные и потому геохимически подвижные элементы. "Аномальные" изотопы вымывались из зоны реакции, а из окружающих пород на их место приходили нормальные.
Мигрировали также, хотя и не столь значительно, теллур, рутений, цирконий. Два миллиарда лет - срок большой даже для неодушевленной природы. А вот редкоземельные элементы - продукты деления урана-235 и особенно сам уран - оказались прочно законсервированными в зоне реакции.
Но что необъяснимо пока, так это причины уникальности месторождения Окло. В далеком прошлом природные ядерные реакторы в древних породах должны были возникать достаточно часто. Но их не находят. Может быть, они и возникали, но в силу каких-то причин самоуничтожались, взрывались, а месторождение Окло - единственное, чудом уцелевшее? Нет пока ответа на этот вопрос. Может быть, природные реакторы есть и еще где-то, и их стоит как следует поискать...
1 В старых справочниках состав уранинита выражается формулой UO 2 , но это идеализированная формула. На самом деле в уранините на каждый атом урана приходится от 2,17 до 2,92 атомов кислорода