Феномен Окло заставляет вспомнить высказывание Э. Ферми, построившего первый ядерный реактор, и П.Л. Капицы, которые независимо друг от друга утверждали, что только человек способен создать нечто подобное. Однако древний природный реактор опровергает эту точку зрения, подтверждая мысль А. Эйнштейна о том, что Бог более изощрен...
С.П. Капица
В 1945 г. японский физик П.К. Курода, потрясенный увиденным в Хиросиме, впервые предположил возможность самопроизвольного процесса деления ядер в природе. В 1956 г. в журнале «Nature» он опубликовал маленькую, всего на страницу, заметку. В ней коротко излагалась теория природного ядерного реактора.
Для инициирования деления тяжелых ядер необходимы три условия будущей цепной реакции:
- 1) горючее - 23э и;
- 2) 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);
- 3) поглотители нейтронов, среди которых - осколочные элементы и сам уран.
Преобладающий в природе изотоп 238 U может делиться под действием быстрых нейтронов, но нейтроны средней энергии (с большей энергией, чем медленные, и с меньшей, чем быстрые) его ядра захватывают и при этом не распадаются, не делятся.
При каждом делении ядра 235 U, вызванном столкновением с медленным нейтроном, образуются два-три новых быстрых нейтрона. Чтобы вызвать новое деление 23э и, они должны стать медленными. Часть быстрых нейтронов замедляется соответствующими материалами, другая часть выбывает из системы. Замедленные нейтроны частично поглощаются редкоземельными элементами, всегда присутствующими в урановых месторождениях и образующимися при делении ядер урана - вынужденном и спонтанном. Например, гадолиний и самарий относятся к числу самых сильных поглотителей тепловых нейтронов.
Для осуществления устойчивого протекания цепной реакции деления 235 U необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов не опускался меньше 1. Коэффициент размножения (Кр) это отношение остатка нейтронов к их первоначальному числу. Если Кр = 1, в урановом месторождении устойчиво протекает цепная реакция, если Кр > 1, месторождение должно самоуничтожиться, рассеяться, может даже взорваться. При Кр
Для выполнения трех условий необходимо: во-первых, чтобы месторождение было древним. В настоящее время в природной смеси изотопов урана концентрация 23э и составляет всего 0,72%. Не многим больше она была и 500 млн, и 1 млрд 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 235 и около 700 млн лет. Концентрация этого изотопа урана в природных объектах 2 млрд лет назад составляла 3,7%, 3 млрд лет - 8,4%, 4 млрд лет -19,2%. Именно миллиарды лет назад горючего для природного ядерного реактора было достаточно.
Древность месторождения - необходимое, но недостаточное условие действия природных реакторов. Другое, также необходимое условие - присутствие здесь же воды в больших количествах. Вода, особенно тяжелая, - лучший замедлитель нейтронов. Неслучайно же критическая масса урана (93,5% 235 Г1) 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 началась цепная реакция деления урана.
В июне 1972 г. в одной из лабораторий Комиссариата по атомной энергии Франции при приготовлении эталонного раствора природного урана, выделенного из руды уранового месторождения Окло, Габон (рис. 4.4), обнаружили отклонение изотопного состава урана от обычного: 235 и оказалось 0,7171% вместо 0,7202%. На протяжении следующих шести недель экстренно проанализировали еще 350 образцов и выявили, что из этого африканского месторождения во Францию доставляется урановая руда, обедненная изотопом 235 Г1. Оказалось, что за полтора года из рудника поступило 700 т обедненного урана, и общая недостача 23:> и в сырье, поступившем на атомные заводы Франции, составила 200 кг.
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.
Приблизительно 2 млрд 600 млн лет назад (Архейская эра) на территории нынешнего Габона и сопредельных с ним африканских государств образовалась огромная гранитная плита протяженностью во много десятков километров. Эту дату определили с помощью радиоактивных часов - по накоплению аргона из калия, стронция - из рубидия, свинца - из урана.
В течение последующих 500 млн 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 иОу +). В слоях, насыщенных органическим веществом, были условия для восстановления шестивалентного урана в четырехвалентный, который и выпадал в осадок. Постепенно много тысяч тонн урана отложилось в виде рудных «линз» размером в десятки метров. Содержание урана в руде достигло 30, 40, 50% и продолжало расти.
В какой-то момент сложились все условия, необходимые для начала цепной реакции, о которых рассказано выше, и природный реактор заработал. Концентрация изотопа 235 и составляла в то время 4,1%. В сотни миллионов раз вырос поток нейтронов. Это привело не только к выгоранию 23э и, месторождение Окло оказалось скопищем многих изотопных аномалий. В результате работы природного
Рис. 4.4.
реактора образовалось около 6 т продуктов деления и 2,5 т плутония. Основная масса радиоактивных отходов «захоронена» внутри кристаллической структуры минерала уранита, который обнаружен в теле руд Окло.
Оказалось, что природный реактор работал приблизительно 500 тыс. лет. По выгоранию изотопов была рассчитана и энергия, вырабатываемая природным реактором, - 13000000 кВт, в среднем всего 25 кВт/ч: в 200 раз меньше, чем у первой в мире АЭС, давшей в 1954 г. электроэнергию подмосковному городу Обнинску. Этой энергии, однако, хватило, чтобы температура месторождения Окло достигла 400-600 °С. Ядерных взрывов в месторождении не было. Это, вероятно, объясняется тем, что природный реактор Окло был саморегулирующимся. Когда Кр 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. Время периодической работы реактора до остановки - около 30 мин, время остывания реактора - 2,5 ч.
В настоящее время образование природного ядерного реактора на Земле невозможно, но ведутся поиски остатков других природных ядерных реакторов.
По всей Земле разбросано множество т.н. ядерных могильников – мест, где хранится отработанное ядерное топливо ОЯТ. 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.
Этот объект не столько таинственен, сколь удивителен и необычен. И он единственный на Земле. По крайней мере, единственный нам известный. Что-то подобное, только еще более грозное, может таиться под дном морей, океанов, в глубине горных массивов. Что там говорят смутные слухи про таинственные теплые страны в районах горных ледников, в Арктике и Антарктике? Что-то же должно их обогревать. Но вернемся к Окло.
Африка. Тот самый «Таинственный черный континент». Красная точка — Республика Габон, бывшая французская колония.
Это, вероятно, и есть провинция Габона Огове-Лоло (по-французски – Ogooué-Lolo – что может быть и читается как «Окло).
Как бы то ни было, Окло – одно из крупнейших урановых месторождений на планете, и французы принялись добывать там уран.
Но, в процессе добычи выяснилось, что в руде слишком велико содержание урана-238 по отношению к добываемому урану-235. Говоря по-простому, в шахтах был не природный уран, а отработанное в реакторе топливо.
Возник международный скандал с упоминанием террористов, утечки радиоактивного топлива и прочими совершенно непонятными вещами… Непонятно, ибо, при чем тут это? Террористы подменяли природный уран, который еще и нуждался в дополнительном обогащении, на отработанное топливо?
Урановая руда из Окло.
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.
Выяснилось следующее. Урановая руда была очень богатая и правильная, но пару миллиардов лет назад. С того же времени, предположительно, происходили очень странные события: в Окло заработали природные ядерные реакторы на медленных нейтронах. Происходило это так (пусть меня в комментариях затравят физики-ядерщики, но я объясню так, как сам понимаю).
Богатые месторождения урана, почти достаточные для начала ядерной реакции, затапливались водой. Заряженные частицы, испускаемые рудой, выбивали из воды медленные нейтроны, которые попадая снова в руду, вызывали выброс новых заряженных частиц. Начиналась типичная цепная реакция. Все шло к тому, что на месте Габона был бы огромный залив. Но от начинавшейся ядерной реакции вода выкипала, и реакция останавливалась.
По оценке ученых реакции продолжались с циклом три часа. Первые полчаса реактор работал, температура поднималась до нескольких сотен градусов, потом вода выкипала и два с половиной часа реактор остывал. В это время вода опять просачивалась в руду, и процесс начинался снова. Пока за несколько сотен тысяч лет ядерное топливо не истощилось настолько, что реакция перестала возникать. И все утихло до появления в Габоне французских геологов.
Шахты в Окло.
Условия для возникновения подобных процессов в залежах урана есть и в других местах, но там до начала работы ядерных реакторов дело не дошло. Окло остается единственным известным нам местом на планете, где работал природный ядерный реактор и там обнаружено целых шестнадцать очагов с отработанным ураном.
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?
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.
источники
http://gorod.tomsk.ru/index-1539450834.php
https://zen.yandex.ru/
http://esoreiter.ru/
https://ru.wikipedia.org/
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.
В Западной Африке, недалеко от экватора, в местности, располагающейся на территории государства Габон, учёными была сделана удивительная находка. Произошло это в самом начале 70-х годов прошлого столетия, но до сих пор представители научного сообщества не пришли к единому мнению – что же такое было найдено?
Залежи урановой руды – явление обычное, хотя и достаточно редкое. Однако урановый рудник, обнаруженный в Габоне, оказался не просто месторождением ценного ископаемого, он работал как… самый настоящий ядерный реактор! Были обнаружены шесть урановых зон, в которых протекала самая настоящая реакция деления ядер урана!
Как показали исследования, реактор был запущен около 1900 миллионов лет назад и проработал в режиме медленного кипения несколько сотен тысяч лет.
Содержание изотопа урана U-235 в реакторных зонах африканской аномалии практически такое же, как в современных ядерных реакторах, построенных человеком. В качестве замедлителя использовалась грунтовая вода.
Мнения представителей науки по поводу феномена разделились. Основная масса учёных мужей взяла сторону теории, согласно которой, ядерный реактор в Габоне запустился самопроизвольно в силу случайного совпадения условий, необходимых для подобного запуска.
Однако далеко не всех устроило такое предположение. И на то были веские причины. Многие вещи говорили о том, что реактор в Габоне хоть и не имеет частей внешне похожих на творения мыслящих существ, всё же является продуктом деятельности разумных.
Приведём несколько фактов. Тектоническая активность в местности, в которой был найден реактор, на период его работы была необычайно высока. Однако исследования показали, что малейший сдвиг пластов грунта обязательно бы привёл к остановке реактора. Но поскольку реактор проработал не одну сотню тысячелетий, этого не произошло. Кто или что заморозил тектонику на период работы реактора? Может, это сделали те, кто его запустил? Далее. В качестве замедлителя, как уже было сказано, использовались грунтовые воды. Для обеспечения постоянной работы реактора, кто-то должен был регулировать выдаваемую им мощность, так как при её избытке произошло бы выкипание воды и остановка реактора. Эти и некоторые другие моменты наводят на мысль, что реактор в Габоне – вещь искусственного происхождения. Но кто на Земле обладал подобными технологиями два миллиарда лет тому назад?
Как не крути, ответ прост, хотя и несколько банален. Сделать такое могли только из . Вполне возможно, они прибыли к нам из центральной области Галактики, где звёзды намного древнее Солнца, а их планеты старше. В тех мирах жизнь имела возможность зародиться гораздо раньше, в те времена, когда Земля представляла собой ещё не очень уютный мир.
Зачем инопланетянам понадобилось создавать стационарный ядерный реактор высокой мощности? Кто знает… Может, они оборудовали на Земле «станцию космической подзарядки», а может…
Существует гипотеза, что высокоразвитые цивилизации на определённом этапе своего развития «берут шефство» над зарождающейся на других планетах жизнью. И даже прикладывают руку к тому, чтобы превратить безжизненные миры в пригодные для жизни. Может те, кто построил африканское чудо, принадлежали именно к таким? Может, они использовали энергию реактора для терраформирования? Учёные ведь до сих пор спорят, как возникла земная атмосфера, так богатая кислородом. Одним из предположений является гипотеза об электролизе вод Мирового океана. А электролиз, как известно, требует много электричества. Так может пришельцы создали габонский реактор для этого? Если так, то он, по-видимому, не является единственным. Очень может быть, что когда-нибудь будут найдены и другие, ему подобные.
Как бы там ни было, габонское чудо заставляет нас думать. Думать и искать ответы.
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
