Za sve i za sve. Drevni nuklearni reaktor - prirodna anomalija ili vanzemaljska elektrana

U zapadnoj Africi, nedaleko od ekvatora, u području koje se nalazi na teritoriju države Gabon, znanstvenici su došli do nevjerojatnog otkrića. To se dogodilo na samom početku 70-ih godina prošlog stoljeća, ali do sada predstavnici znanstvene zajednice nisu došli do konsenzusa - što je pronađeno?

Ležišta uranove rude uobičajena su pojava, iako prilično rijetka. Međutim, pokazalo se da rudnik urana otkriven u Gabonu nije samo nalazište vrijednog minerala, već je radio kao ... pravi nuklearni reaktor! Otkriveno je šest zona urana u kojima se odvijala prava reakcija fisije urana!

Studije su pokazale da je reaktor pokrenut prije oko 1900 milijuna godina i da je nekoliko stotina tisuća godina radio u režimu sporog vrenja.

Mišljenja predstavnika znanosti o fenomenu bila su podijeljena. Većina stručnjaka stala je na stranu teorije prema kojoj se nuklearni reaktor u Gabonu pokrenuo spontano zbog slučajne podudarnosti uvjeta potrebnih za takvo pokretanje.

Međutim, nisu svi bili zadovoljni ovom pretpostavkom. I za to su postojali dobri razlozi. Mnogo je toga govorilo da je reaktor u Gabonu, iako nema dijelova izvana sličnih tvorevinama mislećih bića, ipak proizvod inteligentnih bića.

Pogledajmo neke činjenice. Tektonska aktivnost na području u kojem je reaktor pronađen bila je neuobičajeno velika za vrijeme njegova rada. Međutim, istraživanja su pokazala da bi i najmanji pomak u slojevima tla nužno doveo do gašenja reaktora. Ali budući da je reaktor radio više od stotinu tisućljeća, to se nije dogodilo. Tko ili što je zamrznulo tektoniku za vrijeme rada reaktora? Možda su to učinili oni koji su to lansirali? Unaprijediti. Kao što je već spomenuto, kao moderator korištena je podzemna voda. Kako bi se osigurao stalni rad reaktora, netko je morao regulirati snagu koju je davao, jer ako bi je bilo u višku, voda bi prokuhala i reaktor bi se zaustavio. Ove i neke druge točke sugeriraju da je reaktor u Gabonu stvar umjetnog podrijetla. Ali tko je zaboga posjedovao takvu tehnologiju prije dvije milijarde godina?

Htjeli mi to ili ne, odgovor je jednostavan, iako pomalo banalan. Ovo su mogli učiniti samo vanzemaljci iz svemira. Vrlo je moguće da su nam došli iz središnjeg područja Galaksije, gdje su zvijezde mnogo starije od Sunca, a njihovi planeti stariji. U tim je svjetovima život imao priliku nastati mnogo ranije, u vrijeme kada Zemlja još nije bila vrlo ugodan svijet.

Zašto su vanzemaljci trebali stvoriti stacionarni nuklearni reaktor velike snage? Tko zna... Možda su opremili "svemirsku stanicu za punjenje" na Zemlji, a možda...

Postoji hipoteza da visoko razvijene civilizacije u određenoj fazi svog razvoja "preuzimaju pokroviteljstvo" nad životom koji se pojavljuje na drugim planetima. Čak sudjeluju i u pretvaranju beživotnih svjetova u nastanjive. Možda su oni koji su gradili afričko čudo pripadali upravo takvima? Možda su iskoristili energiju reaktora za teraformiranje? Znanstvenici još uvijek raspravljaju kako je nastala zemljina atmosfera, tako bogata kisikom. Jedna od pretpostavki je hipoteza o elektrolizi voda oceana. A elektroliza, kao što znate, zahtijeva puno električne energije. Pa možda su vanzemaljci stvorili gabonski reaktor za ovo? Ako je tako, onda očito nije jedini. Vrlo je moguće da će se jednog dana naći i drugi poput njega.

Bilo kako bilo, gabonsko čudo nas tjera na razmišljanje. Razmislite i tražite odgovore.

Prije dvije milijarde godina, na jednom od mjesta na našem planetu, geološki uvjeti su se razvili na nevjerojatan način, slučajno i spontano formirajući termonuklearni reaktor. Radio je postojano milijun godina, a njegov radioaktivni otpad, opet na prirodan način, nikome ne prijeteći, sve vrijeme koje je proteklo od njegovog zaustavljanja skladišten je u prirodi. Bilo bi lijepo razumjeti kako je to uspio, zar ne?

Reakcija nuklearne fisije (brza referenca)

Prije nego započnemo priču o tome kako se to dogodilo, prisjetimo se na brzinu što je reakcija fisije. Nastaje kada se teška nuklearna jezgra raspadne na lakše elemente i slobodne fragmente, oslobađajući ogromnu količinu energije. Spomenuti fragmenti su male i lake atomske jezgre. Nestabilni su i stoga izuzetno radioaktivni. Oni čine najveći dio opasnog otpada u industriji nuklearne energije.

Osim toga, oslobađaju se raspršeni neutroni koji su u stanju pobuditi susjedne teške jezgre u stanje fisije. Dakle, zapravo se odvija lančana reakcija, koja se može kontrolirati na istim nuklearnim elektranama, osiguravajući energiju za potrebe stanovništva i gospodarstva. Nekontrolirana reakcija može biti katastrofalno destruktivna. Stoga, kada ljudi grade nuklearni reaktor, moraju naporno raditi i poduzeti mnogo mjera opreza kako bi pokrenuli termonuklearnu reakciju.

Prije svega, morate podijeliti teški element - obično se za tu svrhu koristi uran. U prirodi se uglavnom nalazi u obliku tri izotopa. Najčešći od njih je uran-238. Može se naći na mnogim mjestima na planeti – na kopnu, pa čak i u oceanima. Međutim, sam po sebi nije sposoban za dijeljenje, jer je prilično stabilan. S druge strane, uran-235 ima nestabilnost koja nam je potrebna, ali njegov udio u prirodi je samo oko 1 posto. Stoga se nakon rudarenja uran obogaćuje - udio urana-235 u ukupnoj masi doveden je na 3%.

Ali to nije sve - iz sigurnosnih razloga, fuzijski reaktor treba moderator za neutrone kako bi ostali pod kontrolom i ne bi izazvali nekontroliranu reakciju. Većina reaktora za tu svrhu koristi vodu. Osim toga, kontrolne šipke ovih struktura izrađene su od materijala koji također apsorbiraju neutrone, poput srebra. Voda, osim svoje glavne funkcije, hladi reaktor. Ovo je pojednostavljeni opis tehnologije, ali i iz njega je jasno koliko je složena. Najbolji umovi čovječanstva potrošili su desetljeća da ga dovedu u pamet. A onda smo saznali da je potpuno istu stvar stvorila priroda, i to slučajno. Ima nešto nevjerojatno u ovome, zar ne?

Gabon je rodno mjesto nuklearnih reaktora

Međutim, ovdje se moramo sjetiti da je prije dvije milijarde godina bilo mnogo više urana-235. Iz razloga što se raspada puno brže od urana-238. U Gabonu, u području zvanom Oklo, njegova je koncentracija bila dovoljna da započne spontanu termonuklearnu reakciju. Pretpostavlja se da je na ovom mjestu bilo taman dovoljno moderatora - najvjerojatnije vode, zahvaljujući kojoj cijela stvar nije završila grandioznom eksplozijom. Također u ovom okruženju nije bilo materijala koji apsorbiraju neutrone, zbog čega se reakcija fisije održavala dugo vremena.

To je jedini prirodni nuklearni reaktor poznat znanosti. Ali to ne znači da je uvijek bio tako jedinstven. Drugi su se mogli pomaknuti duboko u zemljinu koru kao rezultat pomicanja tektonskih ploča ili nestati zbog erozije. Također je moguće da jednostavno još nisu pronađeni. Usput, ovaj prirodni gabonski fenomen također nije preživio do danas - potpuno su ga razradili rudari. Zahvaljujući tome su i saznali za njega - otišli su duboko u zemlju u potrazi za obogaćivanjem urana, a onda se vratili na površinu, u nedoumici češkajući glave pokušavajući riješiti dilemu - “Ili je netko ukrao gotovo 200 kilograma. urana-235 odavde, ili je ovo prirodni nuklearni reaktor koji ga je već potpuno spalio.” Točan odgovor je nakon drugog “ili”, ako netko nije pratio nit izlaganja.

Zašto je gabonski reaktor toliko važan za znanost?

Ipak, to je vrlo važan objekt za znanost. Iz razloga što je radio bez štete za okoliš oko milijun godina. Niti jedan gram otpada nije iscurio u prirodu, ništa u njoj nije oštećeno! To je krajnje neobično, jer su nusprodukti fisije urana iznimno opasni. Još uvijek ne znamo što ćemo s njima. Jedan od njih je cezij. Postoje i drugi elementi koji mogu izravno naštetiti ljudskom zdravlju, ali upravo će zbog cezija ruševine Černobila i Fukushime još dugo predstavljati opasnost.

Gabonski prirodni nuklearni reaktor

Znanstvenici koji su nedavno istraživali rudnike u Oklu otkrili su da je cezij u ovom prirodnom reaktoru apsorbirao i vezan drugi element - rutenij. Vrlo je rijedak u prirodi i ne možemo ga koristiti u industrijskim razmjerima za neutralizaciju nuklearnog otpada. Ali razumijevanje načina na koji reaktor radi može nam dati nadu da možemo pronaći nešto slično i riješiti se ovog dugogodišnjeg problema za čovječanstvo.

Prirodni nuklearni reaktori postoje! Svojedobno je izvanredni atomski fizičar Enrico Fermi patetično izjavio da samo osoba može stvoriti atomski reaktor ... Međutim, kako se pokazalo mnogo desetljeća kasnije, bio je u krivu - on također proizvodi nuklearne reaktore! Postojale su prije mnogo stotina milijuna godina, kipteći lančanim nuklearnim reakcijama. Posljednji od njih, prirodni nuklearni reaktor Oklo, ugasio se prije 1,7 milijardi godina, ali i dalje diše radijaciju.

Zašto, gdje, kako, i što je najvažnije, koje su posljedice nastanka i djelovanja ovog prirodnog fenomena?

Prirodne nuklearne reaktore mogla bi stvoriti sama majka priroda - za to će biti dovoljno da se potrebna koncentracija izotopa urana-235 (235U) akumulira na jednom "mjestu". Izotop je vrsta kemijskog elementa koji se od ostalih razlikuje po većem ili manjem broju neutrona u jezgri atoma, dok broj protona i elektrona ostaje konstantan.

Na primjer, uran uvijek ima 92 protona i 92 elektrona, međutim, broj neutrona varira: 238U ima 146 neutrona, 235U ima 143, 234U ima 142, 233U ima 141 itd. ... U prirodnim mineralima - na Zemlji, na drugim planetima iu meteoritima - najveći dio uvijek čini 238U (99,2739%), a izotopi 235U i 234U zastupljeni su samo u tragovima - 0,720% odnosno 0,0057%.

Nuklearna lančana reakcija počinje kada koncentracija izotopa urana-235 prijeđe 1% i što je intenzivnija, to je više. Upravo zato što je izotop urana-235 jako raspršen u prirodi, vjerovalo se da prirodni nuklearni reaktori ne mogu postojati. Inače, u nuklearnim reaktorima elektrana, kao gorivo iu atomskim bombama, koristi se 235U.

Međutim, 1972. godine u rudnicima urana u blizini Okla, u Gabonu, Afrika, znanstvenici su otkrili 16 prirodnih nuklearnih reaktora koji su aktivno radili prije gotovo 2 milijarde godina... Sada su već stali, a koncentracija 235U u njima manja je od moralo biti u "normalnim" prirodnim uvjetima - 0,717%.

Ova, iako neznatna razlika, u usporedbi s "normalnim" mineralima, natjerala je znanstvenike na jedini logičan zaključak - ovdje su doista radili prirodni atomski reaktori. Štoviše, potvrda je bila visoka koncentracija produkata raspada jezgri urana-235, slično onome što se događa u umjetnim reaktorima. Kada se atom urana-235 raspadne, neutroni izlaze iz njegove jezgre, udarajući u jezgru urana-238, pretvaraju ga u uran-239, koji zauzvrat gubi 2 elektrona, postajući plutonij-239...

Upravo je taj mehanizam generirao više od dvije tone plutonija-239 u Oklu. Znanstvenici su izračunali da je u vrijeme "lansiranja" prirodnog nuklearnog reaktora Oklo, prije oko 2 milijarde godina (vrijeme poluraspada 235U je 6 puta brže od 238U - 713 milijuna godina), udio 235U bio veći od 3%, što je ekvivalentno industrijskom obogaćenom uranu.

Da bi se nuklearna reakcija nastavila, nužan čimbenik bilo je usporavanje brzih neutrona koji su izletjeli iz jezgri urana-235. Taj faktor, kao i u reaktorima koje je napravio čovjek, bila je obična voda.

Reaktor je počeo s radom u vrijeme plavljenja poroznih stijena bogatih uranom u Oklu podzemnim vodama, te je djelovao kao svojevrsni moderator neutrona. Toplina oslobođena kao rezultat reakcije uzrokovala je ključanje i isparavanje vode, usporavajući i posljedično zaustavljajući nuklearnu lančanu reakciju.

A nakon što se cijela stijena ohladila i svi kratkoživući izotopi raspali (to su tzv. neutronski otrovi, koji su sposobni apsorbirati neutrone i zaustaviti reakciju), vodena para se kondenzirala, preplavila stijenu i reakcija se nastavila.

Znanstvenici su izračunali da je reaktor bio "upaljen" 30 minuta dok voda ne ispari, a "ugašen" 2,5 sata dok se para nije kondenzirala. Ovaj ciklički proces sličio je modernim gejzirima i nastavio se nekoliko stotina tisuća godina. Tijekom raspada jezgri produkata raspada urana, uglavnom radioaktivnih izotopa joda, nastalo je pet izotopa ksenona.

Bilo je to svih 5 izotopa u različitim koncentracijama koji su pronađeni u takvim stijenama prirodnog reaktora. Upravo je koncentracija i omjer izotopa ovog plemenitog plina (ksenon je vrlo težak i radioaktivan plin) omogućio utvrđivanje frekvencije kojom je “radio” reaktor Oklo.

Raspad jezgre atoma urana-235 (veliki atomi) uzrokuje emisiju brzih neutrona, jer daljnju nuklearnu reakciju mora usporiti voda (male molekule)

Poznato je da je visoka radijacija štetna za žive organizme. Dakle, na mjestima postojanja prirodnih nuklearnih reaktora očito su postojale “mrtve točke”, gdje nije bilo života, jer je DNK uništena radioaktivnim ionizirajućim zračenjem. Ali na rubu pjege, gdje je razina zračenja bila znatno niža, dolazilo je do čestih mutacija, što znači da su stalno nastajale nove vrste.

Znanstvenici još uvijek ne znaju jasno kako je nastao život na Zemlji. Znaju samo da je za to bio potreban snažan energetski impuls, koji bi pridonio nastanku prvih organskih polimera. Vjeruje se da bi takvi impulsi mogli biti munje, vulkani, meteorit i padovi asteroida, međutim, posljednjih godina predloženo je da se kao polazište razmotri hipoteza da bi takav impuls mogli stvoriti prirodni nuklearni reaktori. Tko zna …

Tijekom rutinske analize uzoraka rude urana, došlo se do vrlo čudne činjenice - postotak urana-235 bio je ispod normale. Prirodni uran sadrži tri izotopa koji se razlikuju po atomskim masama. Najčešći je uran-238, najrjeđi uran-234, a najzanimljiviji je uran-235 koji podržava lančanu nuklearnu reakciju. Posvuda – u zemljinoj kori, na Mjesecu, pa čak i u meteoritima – atomi urana-235 čine 0,720% ukupne količine urana. Ali uzorci iz nalazišta Oklo u Gabonu sadržavali su samo 0,717% urana-235. Ova malena razlika bila je dovoljna da upozori francuske znanstvenike. Daljnja istraživanja pokazala su da nedostaje oko 200 kg rude - dovoljno za izradu pola tuceta nuklearnih bombi.

Otvorena jama urana u Oklu, Gabon, otkrila je više od desetak zona u kojima su se nekada odvijale nuklearne reakcije.

Stručnjaci Francuske komisije za atomsku energiju bili su zbunjeni. Odgovor je bio 19 godina star članak u kojem su George W. Wetherill s Kalifornijskog sveučilišta u Los Angelesu i Mark G. Inghram sa Sveučilišta u Chicagu sugerirali postojanje prirodnih nuklearnih reaktora u dalekoj prošlosti. Ubrzo je Paul K. Kuroda, kemičar sa Sveučilišta u Arkansasu, identificirao "nužne i dovoljne" uvjete da se samoodrživi proces fisije spontano dogodi u tijelu naslaga urana.

Prema njegovim proračunima, veličina naslaga trebala bi premašiti srednju duljinu puta neutrona koji uzrokuju cijepanje (oko 2/3 metra). Tada će neutroni koje emitira jedna fisijska jezgra apsorbirati druga jezgra prije nego što napuste uranovu žilu.

Koncentracija urana-235 mora biti dovoljno visoka. Danas čak ni veliko ležište ne može postati nuklearni reaktor, jer sadrži manje od 1% urana-235. Ovaj se izotop raspada približno šest puta brže od urana-238, što implicira da je u dalekoj prošlosti, na primjer, prije 2 milijarde godina, količina urana-235 bila oko 3% - otprilike onoliko koliko u obogaćenom uranu koji se koristio kao gorivo u većina nuklearnih elektrana. Također je potrebno imati tvar koja može ublažiti neutrone emitirane tijekom fisije jezgri urana tako da učinkovitije uzrokuju fisiju drugih jezgri urana. Konačno, masa rude ne smije sadržavati značajnije količine bora, litija ili drugih tzv. nuklearnih otrova koji aktivno apsorbiraju neutrone i koji bi uzrokovali brzo zaustavljanje svake nuklearne reakcije.

Prirodni fisijski reaktori pronađeni su samo u srcu Afrike, u Gabonu, u Oklu i susjednim rudnicima urana u Okelobondu, te na mjestu Bangombe, udaljenom nekih 35 km.

Istraživači su otkrili da su uvjeti stvoreni prije 2 milijarde godina na 16 odvojenih lokacija unutar Okla i u susjednim rudnicima urana u Okelobondu bili vrlo slični onome što je Kuroda opisao (vidi "Božanski reaktor", "U svijetu znanosti", br. 1 , 2004). Iako su sve te zone otkrivene prije nekoliko desetljeća, tek smo nedavno uspjeli shvatiti što se događa unutar jednog od ovih drevnih reaktora.

Provjera svjetlosnim elementima

Ubrzo su fizičari potvrdili pretpostavku da je smanjenje sadržaja urana-235 u Oklu uzrokovano reakcijama fisije. Neosporan dokaz pojavio se u proučavanju elemenata koji nastaju cijepanjem teške jezgre. Koncentracija produkata raspadanja pokazala se toliko visokom da je takav zaključak bio jedini točan. Prije 2 milijarde godina ovdje se dogodila nuklearna lančana reakcija, slična onoj koju su Enrico Fermi i njegovi kolege briljantno demonstrirali 1942. godine.

Fizičari diljem svijeta proučavaju dokaze o postojanju prirodnih nuklearnih reaktora. Znanstvenici su predstavili rezultate svog rada na "fenomenu Oklo" na posebnoj konferenciji u glavnom gradu Gabona, Librevilleu, 1975. Sljedeće godine, George A. Cowan, koji je predstavljao Sjedinjene Države na ovom skupu, napisao je članak za Scientific American (vidi “A Natural Fission Reactor“, George A. Cowan, srpanj 1976.).

Cowan je sažeo informacije i opisao koncept onoga što se događalo na ovom nevjerojatnom mjestu: neki od neutrona emitiranih fisijom urana-235 zarobljeni su jezgrama uobičajenijeg urana-238, koji se pretvara u uran-239, a nakon emisija dva elektrona prelazi u plutonij-239. Tako je u Oklu nastalo više od dvije tone ovog izotopa. Zatim je dio plutonija podvrgnut fisiji, što je dokazano prisutnošću karakterističnih produkata fisije, što je dovelo istraživače do zaključka da su se te reakcije morale nastaviti stotinama tisuća godina. Na temelju količine iskorištenog urana-235 izračunali su količinu oslobođene energije – oko 15 tisuća MW-godina. Prema ovim i drugim dokazima, prosječna snaga reaktora pokazala se manjom od 100 kW, odnosno bila bi dovoljna za rad nekoliko desetaka tostera.

Kako je nastalo više od desetak prirodnih reaktora? Što je osiguravalo njihovu stalnu moć nekoliko stotina tisućljeća? Zašto se nisu samouništili odmah nakon početka lančane nuklearne reakcije? Koji je mehanizam osigurao potrebnu samoregulaciju? Jesu li reaktori radili kontinuirano ili s prekidima? Odgovori na ova pitanja nisu se odmah pojavili. I zadnje pitanje rasvijetlilo se nedavno, kada smo moji kolege i ja počeli proučavati uzorke misteriozne afričke rude na Sveučilištu Washington u St. Louisu.

Cijepanje u detalje

Nuklearne lančane reakcije počinju kada jedan slobodni neutron pogodi jezgru fisibilnog atoma, kao što je uran-235 (gore lijevo). Jezgra se cijepa, stvarajući dva manja atoma i emitirajući druge neutrone, koji odlijeću velikom brzinom i moraju se usporiti prije nego što mogu uzrokovati cijepanje drugih jezgri. U ležištu Oklo, baš kao iu današnjim nuklearnim reaktorima na laku vodu, obična voda je bila moderator. Razlika je u sustavu upravljanja: nuklearne elektrane koriste šipke koje apsorbiraju neutrone, dok se reaktori u Oklu jednostavno zagrijavaju dok voda ne proključa.

Što je skrivao plemeniti plin?

Naš rad na jednom od reaktora u Oklu bio je posvećen analizi ksenona, teškog inertnog plina koji može ostati zarobljen u mineralima milijardama godina. Ksenon ima devet stabilnih izotopa koji se pojavljuju u različitim količinama ovisno o prirodi nuklearnih procesa. Kao plemeniti plin, ne reagira kemijski s drugim elementima i stoga ga je lako pročistiti za izotopsku analizu. Ksenon je izuzetno rijedak, što ga čini mogućim za otkrivanje i praćenje nuklearnih reakcija, čak i ako su se dogodile prije rođenja Sunčevog sustava.

Atomi urana-235 čine oko 0,720% prirodnog urana. Kad su radnici otkrili da Okloov uran sadrži nešto više od 0,717%, bili su iznenađeni. Ta se brojka doista značajno razlikuje od ostalih uzoraka uranove rude (iznad). Očigledno je omjer urana-235 i urana-238 bio mnogo veći u prošlosti, budući da je poluživot urana-235 puno kraći. Pod takvim uvjetima, reakcija cijepanja postaje moguća. Kada su se naslage urana u Oklu formirale prije 1,8 milijardi godina, prirodna zastupljenost urana-235 bila je oko 3%, jednako kao iu gorivu nuklearnog reaktora. Kada je Zemlja nastala prije otprilike 4,6 milijardi godina, omjer je bio preko 20%, što je razina na kojoj se uran danas smatra "oružanim".

Za analizu izotopskog sastava ksenona potreban vam je maseni spektrometar, uređaj koji može sortirati atome prema njihovoj težini. Imali smo sreću što smo imali pristup izuzetno preciznom ksenonskom masenom spektrometru koji je napravio Charles M. Hohenberg. Ali prvo smo morali izdvojiti ksenon iz našeg uzorka. Obično se mineral koji sadrži ksenon zagrijava iznad svoje točke taljenja, uzrokujući da se kristalna struktura razbije i više ne može zadržati plin koji sadrži. Ali kako bismo prikupili više informacija, koristili smo suptilniju metodu - lasersku ekstrakciju, koja vam omogućuje da dođete do ksenona u određenim zrncima i ostavlja područja uz njih netaknutima.

Strojno smo obradili mnogo sićušnih dijelova jedinog uzorka stijene koji imamo iz Okla, debljine samo 1 mm i širine 4 mm. Kako bismo precizno usmjerili lasersku zraku, upotrijebili smo detaljnu rendgensku kartu objekta, koju je napravila Olga Pradivtseva, koja je također identificirala minerale od kojih se sastoji objekt. Nakon ekstrakcije, pročistili smo oslobođeni ksenon i analizirali ga u Hohenbergovom spektrometru mase, što nam je dalo broj atoma svakog izotopa.

Ovdje nas je čekalo nekoliko iznenađenja: prvo, u zrncima minerala bogatim uranom nije bilo plina. Većinu su zarobili minerali koji sadrže aluminijev fosfat - utvrđeno je da imaju najveću koncentraciju ksenona ikad pronađenu u prirodi. Drugo, ekstrahirani plin značajno se razlikovao u izotopskom sastavu od onog koji se inače stvara u nuklearnim reaktorima. Praktički je nedostajao ksenon-136 i ksenon-134, dok je sadržaj lakših izotopa elementa ostao isti.

Ispostavilo se da ksenon ekstrahiran iz zrnaca aluminijevog fosfata u uzorku Okla ima neobičan izotopski sastav (lijevo) koji ne odgovara onom proizvedenom fisijom urana-235 (u sredini) i ne nalikuje izotopskom sastavu atmosferskog ksenona ( pravo). Značajno je da su količine ksenona-131 i -132 veće, a količine -134 i -136 niže nego što bi se očekivalo od fisije urana-235. Iako su ta zapažanja isprva zbunila autora, kasnije je shvatio da ona sadrže ključ za razumijevanje rada ovog drevnog nuklearnog reaktora.

Koji je razlog takvim promjenama? Možda je to rezultat nuklearnih reakcija? Pažljiva analiza omogućila je mojim kolegama i meni da odbacimo tu mogućnost. Također smo pogledali fizičko razvrstavanje različitih izotopa, što se ponekad događa jer se teži atomi kreću malo sporije od svojih lakših dvojnika. Ovo se svojstvo koristi u postrojenjima za obogaćivanje urana za proizvodnju reaktorskog goriva. Ali čak i kad bi priroda mogla provesti takav proces na mikroskopskoj razini, sastav mješavine izotopa ksenona u zrncima aluminijevog fosfata bio bi drugačiji od onoga što smo pronašli. Na primjer, mjereno u odnosu na količinu ksenona-132, smanjenje ksenona-136 (težeg za 4 jedinice atomske mase) bilo bi dvostruko veće nego za ksenon-134 (teže za 2 jedinice atomske mase) da fizičko sortiranje funkcionira. Međutim, ništa slično nismo vidjeli.

Nakon analize uvjeta za nastanak ksenona, primijetili smo da nijedan od njegovih izotopa nije izravna posljedica fisije urana; sve su to bili proizvodi raspada radioaktivnih izotopa joda, koji su pak nastali iz radioaktivnog telura itd., prema poznatom slijedu nuklearnih reakcija. U ovom slučaju, različiti izotopi ksenona u našem uzorku iz Okla pojavili su se u različito vrijeme. Što duže živi određeni radioaktivni prekursor, to se više odgađa stvaranje ksenona iz njega. Na primjer, stvaranje ksenona-136 počelo je samo minutu nakon početka samoodržive fisije. Sat vremena kasnije pojavljuje se sljedeći lakši stabilni izotop, ksenon-134. Zatim, nekoliko dana kasnije, na sceni se pojavljuju ksenon-132 i ksenon-131. Konačno, nakon milijuna godina, a mnogo kasnije od prestanka nuklearnih lančanih reakcija, nastaje ksenon-129.

Da su naslage urana u Oklu ostale zatvoreni sustav, ksenon nakupljen tijekom rada njegovih prirodnih reaktora zadržao bi normalan izotopski sastav. No sustav nije bio zatvoren, o čemu svjedoči činjenica da su se reaktori Okla nekako sami regulirali. Najvjerojatniji mehanizam uključuje sudjelovanje podzemne vode u tom procesu, koja je proključala nakon što je temperatura dosegla određenu kritičnu razinu. Isparavanjem vode, koja je imala ulogu moderatora neutrona, nuklearne lančane reakcije su privremeno zaustavljene, a nakon što se sve ohladi i dovoljna količina podzemne vode ponovno prodre u reakcijsku zonu, fisija bi se mogla nastaviti.

Ova slika razjašnjava dvije važne točke: reaktori bi mogli raditi s prekidima (uključeni i isključeni); velike količine vode morale su proći kroz ovu stijenu, dovoljne da isperu neke od prekursora ksenona, naime telur i jod. Prisutnost vode također pomaže objasniti zašto se veliki dio ksenona sada nalazi u zrncima aluminijevog fosfata, a ne u stijenama bogatim uranom. Zrnca aluminijevog fosfata vjerojatno su nastala djelovanjem vode koju je zagrijao nuklearni reaktor nakon što se ohladila na oko 300°C.

Tijekom svakog aktivnog razdoblja reaktora Oklo, i neko vrijeme nakon toga, dok je temperatura ostala visoka, većina ksenona (uključujući ksenon-136 i -134, koji se stvaraju relativno brzo) uklonjena je iz reaktora. Kad se reaktor ohladio, prekursori ksenona s duljim životom (oni koji će kasnije proizvesti ksenon-132, -131 i -129, koje smo pronašli u većem broju) postali su uključeni u rastuća zrnca aluminijevog fosfata. Zatim, kako se više vode vraćalo u reakcijsku zonu, neutroni su se usporili do odgovarajućeg stupnja i reakcija fisije ponovno je započela, prisiljavajući ciklus zagrijavanja i hlađenja da se ponovi. Rezultat je bila specifična raspodjela izotopa ksenona.

Nije potpuno jasno koje su sile držale ovaj ksenon u mineralima aluminijevog fosfata gotovo pola života planeta. Konkretno, zašto ksenon koji se pojavio u određenom ciklusu rada reaktora nije izbačen tijekom sljedećeg ciklusa? Vjerojatno je struktura aluminijevog fosfata bila u stanju zadržati ksenon formiran unutar njega, čak i pri visokim temperaturama.

Pokušaji da se objasni neobičan izotopski sastav ksenona u Oklu zahtijevali su razmatranje i drugih elemenata. Posebnu pozornost privukao je jod iz kojeg radioaktivnim raspadom nastaje ksenon. Modeliranje procesa nastanka fisijskih produkata i njihovog radioaktivnog raspada pokazalo je da je specifični izotopni sastav ksenona posljedica cikličkog djelovanja reaktora koji je prikazan na tri gornja dijagrama.

raspored rada u prirodi

Nakon što je razvijena teorija nastanka ksenona u zrncima aluminijevog fosfata, pokušali smo taj proces implementirati u matematički model. Naši proračuni razjasnili su mnogo toga u radu reaktora, a dobiveni podaci o izotopima ksenona doveli su do očekivanih rezultata. Reaktor na Oklu bio je "upaljen" 30 minuta, a "ugašen" najmanje 2,5 sata. Neki gejziri funkcioniraju na sličan način: polako se zagrijavaju, kuhaju, izbacuju dio podzemne vode, ponavljajući taj ciklus dan za danom, godinu za godinom. Dakle, podzemna voda koja prolazi kroz ležište Oklo ne samo da može djelovati kao moderator neutrona, već i "regulirati" rad reaktora. Bio je to iznimno učinkovit mehanizam koji je spriječio strukturu da se otopi ili eksplodira stotinama tisuća godina.

Nuklearni inženjeri imaju što naučiti od Okla. Na primjer, kako postupiti s nuklearnim otpadom. Oklo je primjer dugoročnog geološkog odlagališta. Stoga znanstvenici detaljno proučavaju procese migracije produkata fisije iz prirodnih reaktora tijekom vremena. Također su pažljivo proučavali istu drevnu zonu fisije na mjestu Bangombe, oko 35 km od Okla. Reaktor Bangombe posebno je zanimljiv jer je plići od Okla i Okelobonda i donedavno je kroz njega prolazilo više vode. Takvi nevjerojatni objekti podupiru hipotezu da se mnoge vrste opasnog nuklearnog otpada mogu uspješno izolirati u podzemnim skladištima.

Okloov primjer pokazuje i kako se skladište neke od najopasnijih vrsta nuklearnog otpada. Od početka industrijske uporabe nuklearne energije u atmosferu su izbačene ogromne količine radioaktivnih inertnih plinova (ksenon-135, kripton-85 i dr.) nastalih u nuklearnim postrojenjima. U prirodnim reaktorima, te otpadne proizvode hvataju i drže milijardama godina minerali koji sadrže aluminijev fosfat.

Drevni reaktori tipa Oklo također mogu utjecati na razumijevanje temeljnih fizikalnih veličina, na primjer, fizičke konstante, označene slovom α (alfa), povezane s takvim univerzalnim veličinama kao što je brzina svjetlosti (vidi "Nekonstantne konstante", "U svijetu znanosti", br. 9, 2005.). Već tri desetljeća fenomen Okla (star 2 milijarde godina) koristi se kao argument protiv promjena u α. Ali prošle su godine Steven K. Lamoreaux i Justin R. Torgerson iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos otkrili da ta "konstanta" značajno varira.

Jesu li ovi drevni reaktori u Gabonu jedini ikada formirani na Zemlji? Prije dvije milijarde godina uvjeti potrebni za samoodrživu fisiju nisu bili previše rijetki, pa će možda jednog dana biti otkriveni drugi prirodni reaktori. A rezultati analize ksenona iz uzoraka mogli bi biti od velike pomoći u ovoj potrazi.

“Fenomen Oklo podsjeća na izjavu E. Fermija, koji je izgradio prvi nuklearni reaktor, i P.L. Kapitsa, koji je neovisno tvrdio da je samo osoba sposobna stvoriti nešto takvo. Međutim, drevni prirodni reaktor pobija ovo gledište, potvrđujući ideju A. Einsteina da je Bog sofisticiraniji...”
S.P. Kapitsa

O autoru:
Alex Meshik(Alex P. Meshik) diplomirao je na Fakultetu fizike Lenjingradskog državnog sveučilišta. Godine 1988. obranio je doktorsku disertaciju na Institutu za geokemiju i analitičku kemiju. U I. Vernadski. Njegova disertacija bila je o geokemiji, geokronologiji i nuklearnoj kemiji plemenitih plinova ksenona i kriptona. Godine 1996. Meshik se pridružio Laboratoriju za svemirska istraživanja na Sveučilištu Washington u St. Louisu, gdje trenutno proučava plemenite plinove solarnog vjetra koje prikuplja i vraća na Zemlju svemirska letjelica Genesis.

Članak preuzet sa stranice

Korol A.Yu. - student klase 121 SNIEiP (Sevastopoljski nacionalni institut za nuklearnu energiju i industriju.)
Pročelnica - dr. sc. , izvanredni profesor Odsjeka za YaPPU SNYaEiP Vah I.V., sv. Repina 14 sq. pedeset

U Oklu (rudnik urana u državi Gabon, u blizini ekvatora, Zapadna Afrika), prije 1900 milijuna godina radio je prirodni nuklearni reaktor. Identificirano je šest "reaktorskih" zona, u svakoj od kojih su pronađeni znakovi reakcije fisije. Ostaci raspadanja aktinida pokazuju da je reaktor radio u načinu sporog ključanja stotinama tisuća godina.

U svibnju i lipnju 1972., tijekom rutinskih mjerenja fizičkih parametara serije prirodnog urana koji je stigao u tvornicu za obogaćivanje u francuskom gradu Pierrelate iz afričkog ležišta Oklo (rudnik urana u Gabonu, državi koja se nalazi blizu ekvatora u Zapadna Afrika), utvrđeno je da je izotop U - 235 u ulaznom prirodnom uranu manji od standardnog. Utvrđeno je da uran sadrži 0,7171% U-235. Normalna vrijednost za prirodni uran je 0,7202%
U - 235. U svim mineralima urana, u svim stijenama i prirodnim vodama Zemlje, kao iu lunarnim uzorcima, ovaj je omjer ispunjen. Ležište Oklo do sada je jedini zabilježen slučaj u prirodi kada je ta konstantnost narušena. Razlika je bila beznačajna - samo 0,003%, ali je ipak privukla pozornost tehnologa. Postojala je sumnja da je došlo do sabotaže ili krađe fisionog materijala, tj. U - 235. Međutim, pokazalo se da je odstupanje u sadržaju U-235 praćeno sve do izvora uranove rude. Tamo su neki uzorci pokazali manje od 0,44% U-235. Uzorci su uzeti u cijelom rudniku i pokazali su sustavno smanjenje U-235 u nekim žilama. Ove rudne žile bile su debele preko 0,5 metara.
Pretpostavka da je U-235 "izgorio", kao što se događa u pećima nuklearnih elektrana, isprva je zvučala kao šala, iako su za to postojali dobri razlozi. Proračuni su pokazali da ako je maseni udio podzemne vode u ležištu oko 6% i ako je prirodni uran obogaćen na 3% U-235, tada pod tim uvjetima prirodni nuklearni reaktor može početi s radom.
Budući da se rudnik nalazi u tropskom pojasu i dosta blizu površine, vrlo je vjerojatno postojanje dovoljne količine podzemne vode. Omjer izotopa urana u rudi bio je neobičan. U-235 i U-238 su radioaktivni izotopi s različitim poluživotima. U-235 ima vrijeme poluraspada od 700 milijuna godina, a U-238 se raspada s vremenom poluraspada od 4,5 milijardi Izotopska zastupljenost U-235 u prirodi je u procesu polaganih promjena. Na primjer, prije 400 milijuna godina prirodni uran trebao je sadržavati 1% U-235, prije 1900 milijuna godina bio je 3%, tj. potrebna količina za "kritičnost" žile uranove rude. Vjeruje se da je tada reaktor Oklo bio u pogonu. Identificirano je šest "reaktorskih" zona, u svakoj od kojih su pronađeni znakovi reakcije fisije. Na primjer, torij iz raspada U-236 i bizmut iz raspada U-237 pronađeni su samo u zonama reaktora u polju Oklo. Ostaci od raspadanja aktinoida pokazuju da je reaktor radio u načinu sporog ključanja stotinama tisuća godina. Reaktori su bili samoregulirajući jer bi prevelika snaga dovela do potpunog iskuhavanja vode i gašenja reaktora.
Kako je priroda uspjela stvoriti uvjete za nuklearnu lančanu reakciju? Najprije je u delti drevne rijeke nastao sloj pješčenjaka bogat uranovom rudom, koji je počivao na snažnom bazaltnom dnu. Nakon još jednog potresa, uobičajenog u to burno vrijeme, bazaltni temelj budućeg reaktora potonuo je nekoliko kilometara, povukavši za sobom žilu urana. Pukla je žila, u pukotine je prodrla podzemna voda. Zatim je još jedna kataklizma cijelu "instalaciju" podigla na sadašnju razinu. U nuklearnim pećima nuklearnih elektrana gorivo se nalazi u kompaktnim masama unutar moderatora – heterogenog reaktora. To se dogodilo u Oklu. Voda je poslužila kao moderator. U rudi su se pojavile glinene "leće" u kojima je koncentracija prirodnog urana porasla s uobičajenih 0,5% na 40%. Kako su nastale te kompaktne grumene urana nije točno utvrđeno. Možda su ih stvorile procjedne vode koje su odnijele glinu i okupile uran u jednu masu. Čim su masa i debljina slojeva obogaćenih uranom dosegle kritične dimenzije, u njima je nastala lančana reakcija i instalacija je proradila. Kao rezultat rada reaktora nastalo je oko 6 tona produkata fisije i 2,5 tone plutonija. Većina radioaktivnog otpada ostaje unutar kristalne strukture minerala uranita, koji se nalazi u tijelu rude Oklo. Elementi koji nisu mogli prodrijeti kroz uranitnu rešetku zbog prevelikog ili premalog ionskog radijusa difundiraju ili ispiru van. U 1900 milijuna godina od Oklo reaktora, barem polovica od više od trideset produkata fisije bila je vezana u rudi, unatoč obilju podzemne vode u ovom ležištu. Povezani produkti fisije uključuju elemente: La, Ce, Pr, Nd, Eu, Sm, Gd, Y, Zr, Ru, Rh, Pd, Ni, Ag. Otkrivena je djelomična migracija Pb, a migracija Pu ograničena je na manje od 10 metara. Samo metali s valencijom 1 ili 2, tj. oni s visokom topljivošću u vodi su odneseni. Očekivano, gotovo da nema Pb, Cs, Ba i Cd na mjestu. Izotopi ovih elemenata imaju relativno kratke poluživote od desetaka godina ili manje, tako da se raspadaju u neradioaktivno stanje prije nego što mogu migrirati daleko u tlo. Od najvećeg interesa sa stajališta dugoročnih problema zaštite okoliša su pitanja migracije plutonija. Ovaj nuklid je učinkovito vezan gotovo 2 milijuna godina. Budući da se plutonij do sada gotovo potpuno raspada na U-235, o njegovoj stabilnosti svjedoči nepostojanje viška U-235 ne samo izvan zone reaktora, već i izvan zrnaca uranita, gdje je plutonij nastao tijekom rada reaktora.
Ova jedinstvena priroda postojala je oko 600 tisuća godina i proizvodila je približno 13 000 000 kW. sat energije. Njezina je prosječna snaga samo 25 kW: 200 puta manja od snage prve nuklearne elektrane na svijetu, koja je 1954. opskrbljivala strujom grad Obninsk u blizini Moskve. Ali energija prirodnog reaktora nije uzalud potrošena: prema nekim hipotezama, raspad radioaktivnih elemenata je opskrbljivao Zemlju koja se zagrijava.
Možda je ovdje dodana energija sličnih nuklearnih reaktora. Koliko ih je skriveno pod zemljom? A reaktor na tom Oklu u to davno vrijeme svakako nije bio iznimka. Postoje hipoteze da je rad takvih reaktora "potaknuo" razvoj živih bića na zemlji, da se nastanak života povezuje s utjecajem radioaktivnosti. Podaci ukazuju na veći stupanj evolucije organske tvari kako se približavamo reaktoru Oklo. Moglo je utjecati na učestalost mutacija jednostaničnih organizama koji su pali u zonu povećane razine zračenja, što je dovelo do pojave ljudskih predaka. U svakom slučaju, život na Zemlji nastao je i prošao dugi put evolucije na razini prirodne radijacijske pozadine, koja je postala nužan element u razvoju bioloških sustava.
Stvaranje nuklearnog reaktora je inovacija na koju su ljudi ponosni. Ispostavilo se da je njegovo stvaranje odavno zabilježeno u patentima prirode. Dizajnirajući nuklearni reaktor, remek-djelo znanstvene i tehničke misli, čovjek se, zapravo, pokazao imitatorom prirode, koja je stvorila takve instalacije prije mnogo milijuna godina.