уран-238 фото: википедия
Ядерный век может и начался в Америке,но именно в Габоне началась первая в мире реакция деления.
Габон является одной из самых богатых стран Африки к югу от Сахары, с доходом на душу населения в четыре раза больше, чем у его соседей. В его экономике доминирует нефть, за которой следует экспорт древесины и марганца. В течение короткого периода Габон также экспортировал Уран, очень ценное сырье, используемое на атомных электростанциях и в ядерном оружии. Сегодня шахты почти иссякли, но почти два миллиарда лет назад здесь было достаточно урана, чтобы вызвать самопроизвольное деление в горных породах.
Уран встречается в природе в виде трех изотопов — вариантов, отличающихся друг от друга количеством нейтронов в его ядре. Наиболее распространенной формой является уран-238, на который приходится 99 процентов всего урана на Земле. Около 0,72 процента -это уран-235 и очень небольшое количество, около 0,006 процента, — это уран-234.
Все три изотопа урана нестабильны и слабо радиоактивны, но только уран-238 и уран-235 могут подвергаться ядерному делению. Если сравнить их между собой, уран-238 является более стабильным, в то время как уран-235 подвергается делению легче, и поэтому является наиболее распространенным топливом, используемым в ядерных энергетических реакторах.
Три изотопа урана распределены в земной коре с удивительной однородностью, так что любая урановая руда, добытая сегодня, будет содержать ровно 0,72 процента урана-235. Однако эта концентрация слишком мала, чтобы вызвать ядерное деление. Сначала уран должен быть обогащен с помощью сложного процесса, включающего использование центрифуг и газодиффузионной технологии, чтобы его концентрация стала не менее 3 процентов. В типичном ядерном реакторе требуется от 3 до 5 процентов урана-235, а ядерная бомба требует колоссальных 90 процентов.
Ядерное деление урана-235
Доля урана-235 по отношению к Урану-238 в руде меняется с момента образования Земли, потому что Уран является радиоактивным и с течением времени распадается на другие элементы. Уран-238 распадается гораздо медленнее (его период полураспада составляет 4,5 миллиарда лет), чем уран-235 (период полураспада составляет 700 миллионов лет), поэтому уран-235 был доступен в гораздо более высокой концентрации несколько геологических эпох назад. Поскольку мы знаем период полураспада урана-235, мы можем легко оценить, сколько его было доступно в разное геологическое время. Например, 700 миллионов лет назад было в два раза больше урана-235, чем сегодня (1,3 процента), и в четыре раза больше 1,4 миллиона лет назад (2,3 процента). Помните, что по мере того, как мы возвращаемся назад во времени, количество урана-238 также увеличивается, хотя и более медленными темпами, поэтому проценты не удваиваются. Концентрация урана-235 составляла почти 4 процента два миллиарда лет назад и 17 процентов в момент образования Солнечной системы.
В 1950-х годах ученые выдвинули гипотезу, что с таким количеством урана-235, сконцентрированного в земной коре миллионы лет назад, некоторые из них должны были подвергнуться делению естественным путем при совпадение определенных условий, естественно. В 1956 году японско-американский физик Пол Курода развил эту идею и теоретизировал условия, при которых ядерное деление может самопроизвольно развиваться и поддерживаться. Курода предположил, что для того, чтобы ядерное деление началось естественным образом, участок должен иметь высокое содержание урана, а толщина руды должна превышать среднюю длину, по которой проходят нейтроны, индуцирующие деление, примерно на две трети метра. Там также должен быть замедлитель, что-то, что может замедлить нейтроны, образующиеся при делении урана. И, наконец, не должно быть значительного количества поглощающих нейтроны элементов (таких как серебро или бор), которые замедляли бы (ингибировали) самоподдерживающуюся ядерную реакцию.
Такой природный ядерный реактор был обнаружен шестнадцать лет спустя, в 1972 году, в Габоне. В то время французы добывали уран в Габоне — бывшей французской колонии — для использования на атомных электростанциях. Во время обычного измерения урановой руды из шахты в Окло, на юго-востоке Габона, французы заметили, что содержание урана-235 в руде составляет не 0,72 процента, а меньше. (По-видимому, есть некоторые разногласия по поводу того, насколько меньше были цифры. Согласно некоторым публикациям, руды, добытые в Окло, имели концентрацию урана-235 0,717 процента — разница всего 0,003 процента. Но по мнению других, разница была существенной. Согласно статье, опубликованной в” International Journal of Modern Physics», руды из Окло содержали всего 0,60 процента урана-235.)
Дальнейшее изучение выявило следы других элементов, содержащихся в руде, процентное содержание которых сильно напоминало содержание в отработанном ядерном топливе, вырабатываемом атомными электростанциями. Эти находки свидетельствовали лишь об одном — шахта в Окло, откуда добывали уран, в какой-то момент в далеком прошлом подверглась самопроизвольному делению ядер. Уран-235 в руде был истощен, потому что часть этого урана была израсходована в процессе деления.
После этого удивительного открытия физики начали исследовать урановые рудники в Окло в поисках дополнительных доказательств и в конечном итоге обнаружили по меньшей мере шестнадцать участков в этом регионе, где происходило спонтанное деление ядер.
В течение следующих нескольких лет исследователи смогли выяснить детали, как эти доисторические реакторы могли работать. Около 2,4 миллиарда лет назад, благодаря биологической активности цианобактерий, содержание кислорода в атмосфере Земли возросло в сто раз. Это позволило превратить уран из нерастворимой формы в растворимый оксид. Вода из дождевых осадков и природных источников растворяла Уран и осаждала его в слоях песчаника до тех пор, пока он не становился достаточно хорошо концентрированным, чтобы начать цепную реакцию. Вода в самой шахте сыграла решающую роль в поддержании реакции. Вода замедляла выброс нейтронов, так что они могли быть поглощены другими ядрами и вызвать деление. Без воды нейтроны просто отскакивали бы от атомов. Когда жар от ядерного деления стал слишком велик, он испарил всю воду, и реакция остановилась. Как только вода вернулась, процесс начался снова. Эти периоды активности и бездействия были, вероятно, очень короткими. Расчеты показывают, что природные реакторы включались на 30 минут и выключались примерно на 3 часа.
Габонские реакторы функционировали таким образом в течение, вероятно, миллиона лет или более, пока концентрация урана не стала слишком низкой, чтобы поддерживать реакцию. По количеству урана-235, потребляемого в этих реакторах, ученые подсчитали, что их средняя мощность была, скорее всего, меньше 100 киловатт.
Благодаря относительной стабильности Африканской плиты, эти древние природные ядерные реакторы очень мало сдвинулись со своих первоначальных позиций. В одном из мест, плутоний, один из побочных продуктов реакции, был найден менее чем в 3 метрах от того места, где он сформировался два миллиарда лет назад. Возможно, природные ядерные реакторы работали и в других местах нашей планеты миллиарды лет назад, но с тех пор были разрушены или поглощены земной корой. Габонские природные ядерные реакторы остаются поистине уникальными.