Pre všetkých a o všetkom. Staroveký jadrový reaktor - prírodná anomália alebo mimozemská elektráreň

V západnej Afrike, neďaleko rovníka, v oblasti ležiacej na území štátu Gabon, sa vedcom podaril úžasný nález. Stalo sa to na samom začiatku 70. rokov minulého storočia, ale doteraz predstavitelia vedeckej komunity nedospeli ku konsenzu - čo sa zistilo?

Ložiská uránovej rudy sú bežným javom, aj keď pomerne zriedkavým. Ukázalo sa však, že uránová baňa objavená v Gabone nie je len ložiskom cenného minerálu, ale fungovala ako... skutočný jadrový reaktor! Bolo objavených šesť uránových zón, v ktorých prebiehala skutočná štiepna reakcia uránu!

Štúdie ukázali, že reaktor bol spustený asi pred 1900 miliónmi rokov a niekoľko stotisíc rokov pracoval v režime pomalého varu.

Názory predstaviteľov vedy na tento jav boli rozdelené. Väčšina odborníkov sa postavila na stranu teórie, podľa ktorej sa jadrový reaktor v Gabone spustil samovoľne v dôsledku náhodnej zhody podmienok potrebných na takýto štart.

Nie všetci však boli s týmto predpokladom spokojní. A boli na to dobré dôvody. Veľa vecí hovorilo, že reaktor v Gabone, hoci nemá časti navonok podobné výtvorom mysliacich bytostí, je stále produktom inteligentných bytostí.

Poďme sa pozrieť na niektoré fakty. Tektonická aktivita v oblasti, v ktorej bol reaktor nájdený, bola na dobu jeho prevádzky nezvyčajne vysoká. Štúdie však ukázali, že najmenší posun v pôdnych vrstvách by nevyhnutne viedol k odstaveniu reaktora. Ale keďže reaktor fungoval viac ako sto tisícročí, nestalo sa tak. Kto alebo čo zmrazilo tektoniku na obdobie prevádzky reaktora? Možno to urobili tí, ktorí to spustili? Ďalej. Ako už bolo spomenuté, ako moderátor bola použitá podzemná voda. Aby bola zabezpečená nepretržitá prevádzka reaktora, niekto musel regulovať výkon, ktorý vydáva, pretože ak by bol prebytok, voda by sa vyvarila a reaktor by sa zastavil. Tieto a niektoré ďalšie body naznačujú, že reaktor v Gabone je vecou umelého pôvodu. Ale kto preboha vlastnil takúto technológiu pred dvoma miliardami rokov?

Či sa vám to páči alebo nie, odpoveď je jednoduchá, aj keď trochu banálna. Toto dokázali len mimozemšťania z vesmíru. Je dosť možné, že k nám prišli z centrálnej oblasti Galaxie, kde sú hviezdy oveľa staršie ako Slnko a ich planéty sú staršie. V tých svetoch mal život možnosť vzniknúť oveľa skôr, v čase, keď Zem ešte nebola veľmi pohodlným svetom.

Prečo mimozemšťania potrebovali vytvoriť stacionárny vysokovýkonný jadrový reaktor? Ktovie... Možno vybavili „vesmírnu nabíjaciu stanicu“ na Zemi, alebo možno...

Existuje hypotéza, že vysoko rozvinuté civilizácie v určitom štádiu svojho vývoja „prevezmú patronát“ nad životom vznikajúcim na iných planétach. A dokonca majú podiel na premene svetov bez života na obývateľné. Možno k nim patrili tí, ktorí postavili africký zázrak? Možno použili energiu reaktora na terraformovanie? Vedci stále polemizujú o tom, ako vznikla zemská atmosféra, taká bohatá na kyslík. Jedným z predpokladov je hypotéza elektrolýzy vôd oceánov. A elektrolýza, ako viete, vyžaduje veľa elektriny. Takže možno na toto vytvorili mimozemšťania gabonský reaktor? Ak áno, potom zrejme nie je jediný. Je veľmi pravdepodobné, že jedného dňa sa nájdu ďalší ako on.

Nech je to akokoľvek, gabonský zázrak nás núti zamyslieť sa. Premýšľajte a hľadajte odpovede.

Pred dvoma miliardami rokov sa na jednom z miest našej planéty úžasným spôsobom vyvinuli geologické podmienky, pri ktorých náhodne a spontánne vznikol termonukleárny reaktor. Stabilne fungoval milión rokov a jeho rádioaktívny odpad sa opäť prirodzenou cestou, bez toho, aby niekoho ohrozoval, ukladal v prírode po celý čas, ktorý uplynul od jeho zastavenia. Bolo by pekné pochopiť, ako to urobil, však?

Reakcia jadrového štiepenia (rýchly odkaz)

Skôr než začneme príbeh o tom, ako sa to stalo, rýchlo si pripomeňme, čo je to štiepna reakcia. Vzniká vtedy, keď sa ťažké jadrové jadro rozpadne na ľahšie prvky a voľné fragmenty, pričom sa uvoľní obrovské množstvo energie. Spomínané fragmenty sú malé a ľahké atómové jadrá. Sú nestabilné a preto extrémne rádioaktívne. Tvoria väčšinu nebezpečného odpadu v jadrovej energetike.

Okrem toho sa uvoľňujú rozptýlené neutróny, ktoré sú schopné vybudiť susedné ťažké jadrá do stavu štiepenia. Takže v skutočnosti prebieha reťazová reakcia, ktorú je možné riadiť v tých istých jadrových elektrárňach, poskytujúcich energiu pre potreby obyvateľstva a ekonomiky. Nekontrolovaná reakcia môže byť katastrofálne deštruktívna. Preto, keď ľudia stavajú jadrový reaktor, musia tvrdo pracovať a prijať množstvo preventívnych opatrení, aby spustili termonukleárnu reakciu.

Najprv musíte rozdeliť ťažký prvok - zvyčajne sa na tento účel používa urán. V prírode sa vyskytuje najmä vo forme troch izotopov. Najbežnejším z nich je urán-238. Nachádza sa na mnohých miestach planéty – na súši a dokonca aj v oceánoch. Avšak sám o sebe nie je schopný deliť sa, pretože je celkom stabilný. Na druhej strane, urán-235 má nestabilitu, ktorú potrebujeme, ale jeho podiel v prírode je len asi 1 percento. Preto sa po ťažbe urán obohacuje - podiel uránu-235 na celkovej hmote sa zvyšuje na 3%.

To však nie je všetko – z bezpečnostných dôvodov potrebuje fúzny reaktor moderátor pre neutróny, aby zostali pod kontrolou a nespôsobili nekontrolovanú reakciu. Väčšina reaktorov používa na tento účel vodu. Okrem toho sú riadiace tyče týchto štruktúr vyrobené z materiálov, ktoré tiež absorbujú neutróny, ako je striebro. Voda okrem svojej hlavnej funkcie ochladzuje reaktor. Toto je zjednodušený popis technológie, ale aj z neho je zrejmé, aká je zložitá. Najlepšie mysle ľudstva strávili desaťročia, aby si to pripomenuli. A potom sme zistili, že presne to isté vytvorila príroda a náhodou. Je v tom niečo neuveriteľné, však?

Gabon je rodiskom jadrových reaktorov

Tu si však musíme uvedomiť, že pred dvoma miliardami rokov bolo uránu-235 oveľa viac. Z toho dôvodu, že sa rozkladá oveľa rýchlejšie ako urán-238. V Gabone, v oblasti zvanej Oklo, bola jeho koncentrácia dostatočná na spustenie spontánnej termonukleárnej reakcie. Moderátorov bolo na tomto mieste zrejme tak akurát - s najväčšou pravdepodobnosťou vody, vďaka čomu sa to celé neskončilo grandióznym výbuchom. Ani v tomto prostredí sa nenachádzali materiály absorbujúce neutróny, v dôsledku čoho sa štiepna reakcia dlho udržala.

Je to jediný prírodný jadrový reaktor, ktorý veda pozná. To však neznamená, že bol vždy taký jedinečný. Iné sa mohli v dôsledku pohybu tektonických dosiek presunúť hlboko do zemskej kôry alebo zmiznúť v dôsledku erózie. Je tiež možné, že sa ešte len nenašli. Mimochodom, tento prírodný gabonský fenomén tiež neprežil dodnes - baníci ho kompletne vypracovali. Vďaka tomu sa o ňom dozvedeli - išli hlboko do zeme hľadať urán na obohatenie a potom sa vrátili na povrch, zmätene sa škrabali na hlave a pokúšali sa vyriešiť dilemu - „Buď niekto ukradol takmer 200 kilogramov uránu-235 odtiaľto, alebo je to prírodný jadrový reaktor, ktorý ho už úplne spálil.“ Správna odpoveď je po druhom „buď“, ak niekto nesledoval vlákno prezentácie.

Prečo je gabonský reaktor pre vedu taký dôležitý?

Napriek tomu je to pre vedu veľmi dôležitý objekt. Z toho dôvodu, že to fungovalo bez poškodenia životného prostredia asi milión rokov. Do prírody neunikol ani gram odpadu, nič v nej nezasiahlo! Je to mimoriadne nezvyčajné, pretože vedľajšie produkty štiepenia uránu sú mimoriadne nebezpečné. Stále nevieme, čo s nimi. Jedným z nich je cézium. Existujú aj ďalšie prvky, ktoré môžu priamo poškodiť ľudské zdravie, ale práve kvôli céziu budú ruiny Černobyľu a Fukušimy predstavovať nebezpečenstvo ešte dlho.

Gabonský prírodný jadrový reaktor

Vedci, ktorí nedávno robili prieskum v baniach v Oklo, zistili, že cézium v ​​tomto prírodnom reaktore bolo absorbované a viazané iným prvkom – ruténiom. V prírode je veľmi vzácny a nemôžeme ho použiť v priemyselnom meradle na neutralizáciu jadrového odpadu. Pochopenie fungovania reaktora nám však môže dať nádej, že dokážeme nájsť niečo podobné a zbaviť sa tohto dlhotrvajúceho problému ľudstva.

Prírodné jadrové reaktory existujú! Svojho času vynikajúci atómový fyzik Enrico Fermi pateticky vyhlásil, že atómový reaktor môže vytvoriť iba človek... Ako sa však o mnoho desaťročí neskôr ukázalo, mýlil sa – vyrába aj jadrové reaktory! Existovali pred mnohými stovkami miliónov rokov a prekypovali jadrovými reťazovými reakciami. Posledný z nich, prírodný jadrový reaktor Oklo, vypadol pred 1,7 miliardami rokov, no stále dýcha radiáciou.

Prečo, kde, ako a čo je najdôležitejšie, aké sú dôsledky vzniku a aktivity tohto prírodného javu?

Prírodné jadrové reaktory môže pokojne vytvoriť samotná matka príroda – na to bude stačiť, aby sa potrebná koncentrácia izotopu uránu-235 (235U) nahromadila na jednom „mieste“. Izotop je druh chemického prvku, ktorý sa od ostatných líši väčším alebo menším počtom neutrónov v jadre atómu, pričom počet protónov a elektrónov zostáva konštantný.

Napríklad urán má vždy 92 protónov a 92 elektrónov, avšak počet neutrónov sa líši: 238U má 146 neutrónov, 235U má 143, 234U má 142, 233U má 141 atď. ... V prírodných mineráloch - na Zemi, na iných planétach a v meteoritoch - je objem vždy 238U (99,2739%) a izotopy 235U a 234U sú zastúpené iba stopami - 0,720% a 0,0057%, v tomto poradí.

Jadrová reťazová reakcia sa začína, keď koncentrácia izotopu uránu-235 presiahne 1 % a čím je intenzívnejšia, tým je väčšia. Práve preto, že izotop uránu-235 je v prírode veľmi rozptýlený, verilo sa, že prírodné jadrové reaktory nemôžu existovať. Mimochodom, v jadrových reaktoroch elektrární, ako palivo a v atómových bombách sa používa 235U.

V roku 1972 však vedci v uránových baniach pri Oklo v africkom Gabone objavili 16 prírodných jadrových reaktorov, ktoré aktívne fungovali pred takmer 2 miliardami rokov... Teraz sa už zastavili a koncentrácia 235U v nich je nižšia ako muselo to byť v „normálnych“ prírodných podmienkach – 0,717 %.

Tento, hoci nepatrný rozdiel v porovnaní s „normálnymi“ minerálmi, prinútil vedcov k jedinému logickému záveru – skutočne tu fungovali prírodné atómové reaktory. Navyše, potvrdením bola vysoká koncentrácia produktov rozpadu jadier uránu-235, podobne ako v umelých reaktoroch. Keď sa atóm uránu-235 rozpadne, neutróny uniknú z jeho jadra, zasiahnu jadro uránu-238, premenia ho na urán-239, ktorý zase stratí 2 elektróny a stane sa plutóniom-239...

Práve tento mechanizmus vytvoril v Oklo viac ako dve tony plutónia-239. Vedci vypočítali, že v čase „spustenia“ prírodného jadrového reaktora Oklo, asi pred 2 miliardami rokov (polčas rozpadu 235U je 6-krát rýchlejší ako 238U – 713 miliónov rokov), bol podiel 235U viac ako 3 %, čo je ekvivalent priemyselného obohateného uránu.

Na to, aby jadrová reakcia mohla pokračovať, bolo nevyhnutným faktorom spomalenie rýchlych neutrónov, ktoré vyleteli z jadier uránu-235. Týmto faktorom, rovnako ako v umelých reaktoroch, bola obyčajná voda.

Reaktor začal pracovať v čase zaplavovania pórovitých hornín bohatých na urán v Oklo spodnou vodou a fungoval ako akési moderátory neutrónov. Teplo uvoľnené v dôsledku reakcie spôsobilo varenie a odparovanie vody, čím sa spomalila a následne zastavila jadrová reťazová reakcia.

A po ochladení celej horniny a rozpadu všetkých krátkodobých izotopov (ide o takzvané neutrónové jedy, ktoré sú schopné neutróny pohltiť a zastaviť reakciu), skondenzovala vodná para, ktorá horninu zaplavila a reakcia sa obnovila.

Vedci vypočítali, že reaktor bol „zapnutý“ na 30 minút, kým sa voda neodparila, a „vypnutý“ na 2,5 hodiny, kým para neskondenzovala. Tento cyklický proces pripomínal moderné gejzíry a pokračoval niekoľko stoviek tisíc rokov. Pri rozpade jadier produktov rozpadu uránu, hlavne rádioaktívnych izotopov jódu, vzniklo päť izotopov xenónu.

Bolo to všetkých 5 izotopov v rôznych koncentráciách, ktoré sa našli v takýchto horninách prírodného reaktora. Práve koncentrácia a pomer izotopov tohto vzácneho plynu (xenón je veľmi ťažký a rádioaktívny plyn) umožnili určiť frekvenciu, s ktorou reaktor Oklo „pracoval“.

Rozpad jadra atómu uránu-235 (veľké atómy) spôsobuje emisiu rýchlych neutrónov, pre ďalšiu jadrovú reakciu musí byť spomalená voda (malé molekuly)

Je známe, že vysoká radiácia je pre živé organizmy škodlivá. Preto v miestach existencie prírodných jadrových reaktorov, samozrejme, existovali „mŕtve miesta“, kde nebol život, pretože DNA je zničená rádioaktívnym ionizujúcim žiarením. Ale na okraji miesta, kde bola úroveň žiarenia oveľa nižšia, boli časté mutácie, čo znamená, že neustále vznikali nové druhy.

Vedci stále presne nevedia, ako vznikol život na Zemi. Vedia len, že to vyžadovalo silný energetický impulz, ktorý by prispel k vytvoreniu prvých organických polymérov. Predpokladá sa, že takýmito impulzmi môžu byť blesky, sopky, meteority a pády asteroidov, avšak v posledných rokoch sa ako východiskový bod navrhlo zvážiť hypotézu, že takýto impulz by mohli vytvoriť prírodné jadrové reaktory. Kto vie …

Pri rutinnom rozbore vzoriek uránovej rudy vyšla najavo veľmi zvláštna skutočnosť – percento uránu-235 bolo pod normálom. Prírodný urán obsahuje tri izotopy, ktoré sa líšia atómovou hmotnosťou. Najbežnejší je urán-238, najvzácnejší je urán-234 a najzaujímavejší je urán-235, ktorý podporuje jadrovú reťazovú reakciu. Všade – v zemskej kôre, na Mesiaci a dokonca aj v meteoritoch – tvoria atómy uránu 235 0,720 % z celkového množstva uránu. Ale vzorky z ložiska Oklo v Gabone obsahovali len 0,717 % uránu-235. Táto malá nezrovnalosť stačila na to, aby upozornila francúzskych vedcov. Ďalší výskum ukázal, že chýbalo asi 200 kg rudy – dosť na výrobu pol tucta jadrových bômb.

Otvorená uránová jama v Oklo v Gabone odkryla viac ako tucet zón, kde kedysi prebiehali jadrové reakcie.

Špecialisti Francúzskej komisie pre atómovú energiu boli zmätení. Odpoveďou bol 19 rokov starý článok, v ktorom George W. Wetherill z Kalifornskej univerzity v Los Angeles a Mark G. Inghram z Chicagskej univerzity navrhli existenciu prírodných jadrových reaktorov v dávnej minulosti. Čoskoro Paul K. Kuroda, chemik z University of Arkansas, identifikoval „nevyhnutné a postačujúce“ podmienky na to, aby sa v tele uránového ložiska spontánne vyskytol samoudržiavací proces štiepenia.

Podľa jeho výpočtov by veľkosť ložiska mala presiahnuť strednú dĺžku dráhy neutrónov, ktoré spôsobujú štiepenie (asi 2/3 metra). Potom budú neutróny emitované jedným štiepnym jadrom absorbované iným jadrom predtým, ako opustia uránovú žilu.

Koncentrácia uránu-235 musí byť dostatočne vysoká. Dnes sa ani veľké ložisko nemôže stať jadrovým reaktorom, pretože obsahuje menej ako 1 % uránu-235. Tento izotop sa rozkladá približne šesťkrát rýchlejšie ako urán-238, z čoho vyplýva, že v dávnej minulosti, napríklad pred 2 miliardami rokov, bolo množstvo uránu-235 asi 3 % – asi toľko ako v obohatenom uráne používanom ako palivo v väčšina jadrových elektrární. Je tiež potrebné mať látku schopnú moderovať neutróny emitované pri štiepení jadier uránu tak, aby účinnejšie spôsobovali štiepenie iných jadier uránu. Nakoniec, masa rudy nesmie obsahovať značné množstvo bóru, lítia alebo iných takzvaných jadrových jedov, ktoré aktívne pohlcujú neutróny a spôsobili by rýchle zastavenie akejkoľvek jadrovej reakcie.

Prírodné štiepne reaktory boli nájdené iba v srdci Afriky, v Gabone, v Oklo a susedných uránových baniach v Okelobondo a v lokalite Bangombe, vzdialenej asi 35 km.

Vedci zistili, že podmienky vytvorené pred 2 miliardami rokov na 16 samostatných miestach v Oklo aj v susedných uránových baniach v Okelobondo boli veľmi blízke tomu, čo opísal Kuroda (pozri „Božský reaktor“, „Vo svete vedy“, č. , 2004). Hoci všetky tieto zóny boli objavené pred desiatkami rokov, bolo to len nedávno, čo sme konečne dokázali zistiť, čo sa deje vo vnútri jedného z týchto starých reaktorov.

Kontrola pomocou svetelných prvkov

Čoskoro fyzici potvrdili predpoklad, že pokles obsahu uránu-235 v Oklo bol spôsobený štiepnymi reakciami. Nesporný dôkaz sa objavil pri štúdiu prvkov vznikajúcich pri štiepení ťažkého jadra. Koncentrácia produktov rozkladu sa ukázala byť taká vysoká, že takýto záver bol jediný pravdivý. Pred 2 miliardami rokov tu prebehla jadrová reťazová reakcia, podobná tej, ktorú v roku 1942 brilantne predviedol Enrico Fermi a jeho kolegovia.

Fyzici na celom svete študovali dôkazy o existencii prírodných jadrových reaktorov. Vedci prezentovali výsledky svojej práce o „fenoméne Oklo“ na špeciálnej konferencii v hlavnom meste Gabonu, Libreville, v roku 1975. Nasledujúci rok George A. Cowan, ktorý na tomto stretnutí zastupoval USA, napísal článok pre Scientific American (pozri „A Natural Fission Reactor“, George A. Cowan, júl 1976).

Cowan zhrnul informácie a opísal koncept toho, čo sa dialo na tomto úžasnom mieste: niektoré neutróny emitované pri štiepení uránu-235 sú zachytené jadrami bežnejšieho uránu-238, ktorý sa mení na urán-239, a po emisia dvoch elektrónov sa zmení na plutónium-239. Takže v Oklo sa vytvorili viac ako dve tony tohto izotopu. Potom sa časť plutónia štiepila, čo dokazuje prítomnosť charakteristických štiepnych produktov, čo viedlo výskumníkov k záveru, že tieto reakcie museli pokračovať stovky tisíc rokov. Na základe množstva použitého uránu-235 vypočítali množstvo uvoľnenej energie - asi 15-tisíc MW-rokov. Podľa tohto a ďalších dôkazov sa ukázal priemerný výkon reaktora pod 100 kW, to znamená, že by stačil na prevádzku niekoľkých desiatok hriankovačov.

Ako vzniklo viac ako tucet prírodných reaktorov? Čo zaisťovalo ich stálu moc na niekoľko stoviek tisícročí? Prečo sa nezničili hneď po začatí jadrových reťazových reakcií? Aký mechanizmus poskytol potrebnú samoreguláciu? Boli reaktory prevádzkované nepretržite alebo prerušovane? Odpovede na tieto otázky sa neobjavili okamžite. A posledná otázka padla na svetlo celkom nedávno, keď sme s kolegami začali študovať vzorky záhadnej africkej rudy na Washingtonskej univerzite v St.

Rozdelenie do detailov

Jadrové reťazové reakcie začínajú, keď jeden voľný neutrón zasiahne jadro štiepneho atómu, ako je urán-235 (vľavo hore). Jadro sa rozdelí, čím vzniknú dva menšie atómy a vyžarujú sa ďalšie neutróny, ktoré odlietajú veľkou rýchlosťou a musia sa spomaliť skôr, ako môžu spôsobiť rozdelenie iných jadier. V ložisku Oklo, rovnako ako v dnešných ľahkovodných jadrových reaktoroch, bola moderujúcim činidlom obyčajná voda. Rozdiel je v riadiacom systéme: jadrové elektrárne používajú tyče absorbujúce neutróny, zatiaľ čo reaktory v Oklo sa jednoducho zahrievajú, kým sa voda nevyvarí.

Čo skrýval vzácny plyn?

Naša práca na jednom z reaktorov v Oklo bola venovaná analýze xenónu, ťažkého inertného plynu, ktorý môže zostať uväznený v mineráloch miliardy rokov. Xenón má deväť stabilných izotopov, ktoré sa vyskytujú v rôznych množstvách v závislosti od povahy jadrových procesov. Ako vzácny plyn chemicky nereaguje s inými prvkami, a preto sa ľahko čistí na izotopovú analýzu. Xenón je extrémne vzácny, čo umožňuje jeho použitie na detekciu a sledovanie jadrových reakcií, aj keď k nim došlo pred zrodom slnečnej sústavy.

Atómy uránu-235 tvoria asi 0,720 % prírodného uránu. Takže keď pracovníci zistili, že urán spoločnosti Oklo obsahuje niečo vyše 0,717 %, boli prekvapení.Toto číslo sa skutočne výrazne líši od iných vzoriek uránovej rudy (vyššie). Zdá sa, že pomer uránu-235 k uránu-238 bol v minulosti oveľa vyšší, keďže polčas rozpadu uránu-235 je oveľa kratší. Za takýchto podmienok je možná štiepna reakcia. Keď sa pred 1,8 miliardami rokov vytvorili ložiská uránu v Oklo, prirodzené množstvo uránu-235 bolo asi 3 %, rovnako ako v palive jadrových reaktorov. Keď sa Zem sformovala asi pred 4,6 miliardami rokov, tento pomer bol viac ako 20 %, čo je úroveň, pri ktorej sa dnes urán považuje za „kvalitné zbrane“.

Na analýzu izotopového zloženia xenónu potrebujete hmotnostný spektrometer, zariadenie, ktoré dokáže triediť atómy podľa ich hmotnosti. Mali sme šťastie, že sme mali prístup k mimoriadne presnému xenónovému hmotnostnému spektrometru, ktorý postavil Charles M. Hohenberg. Najprv sme však museli extrahovať xenón z našej vzorky. Minerál obsahujúci xenón sa zvyčajne zahrieva nad bod topenia, čo spôsobí rozpad kryštálovej štruktúry a už nie je schopný zadržať plyn, ktorý obsahuje. Aby sme však získali viac informácií, použili sme jemnejšiu metódu - laserovú extrakciu, ktorá vám umožňuje dostať sa ku xenónu v určitých zrnách a ponecháva oblasti susediace s nimi nedotknuté.

Opracovali sme veľa malých častí jedinej vzorky horniny, ktorú máme od spoločnosti Oklo, len 1 mm hrubé a 4 mm široké. Na presné zameranie laserového lúča sme použili podrobnú röntgenovú mapu objektu, ktorú vytvorila Olga Pradivtseva, ktorá tiež identifikovala minerály, z ktorých sa objekt skladá. Po extrakcii sme vyčistili uvoľnený xenón a analyzovali ho v Hohenbergovom hmotnostnom spektrometri, ktorý nám poskytol počet atómov každého izotopu.

Tu nás čakalo niekoľko prekvapení: po prvé, v zrnách minerálov bohatých na urán nebol žiadny plyn. Väčšinu z neho zachytili minerály obsahujúce fosforečnan hlinitý – zistilo sa, že majú najvyššiu koncentráciu xenónu, aká sa kedy v prírode našla. Po druhé, extrahovaný plyn sa výrazne líšil v izotopovom zložení od toho, ktorý sa bežne tvorí v jadrových reaktoroch. Prakticky v ňom chýbal xenón-136 a xenón-134, pričom obsah ľahších izotopov prvku zostal rovnaký.

Ukázalo sa, že xenón extrahovaný zo zŕn fosforečnanu hlinitého vo vzorke Oklo má zvláštne izotopové zloženie (vľavo), ktoré sa nezhoduje so zložením vznikajúcim štiepením uránu-235 (v strede) a nepripomína izotopové zloženie atmosférického xenónu ( správny). Najmä množstvá xenónu-131 a -132 sú vyššie a množstvá -134 a -136 sú nižšie, ako by sa dalo očakávať pri štiepení uránu-235. Aj keď tieto pozorovania autora spočiatku zmiatli, neskôr si uvedomil, že obsahujú kľúč k pochopeniu fungovania tohto starovekého jadrového reaktora.

Aký je dôvod takýchto zmien? Možno je to výsledok jadrových reakcií? Dôkladná analýza umožnila mojim kolegom a mne túto možnosť zamietnuť. Pozreli sme sa aj na fyzické triedenie rôznych izotopov, čo sa niekedy stáva, pretože ťažšie atómy sa pohybujú o niečo pomalšie ako ich ľahšie náprotivky. Táto vlastnosť sa využíva v zariadeniach na obohacovanie uránu na výrobu paliva do reaktorov. Ale aj keby príroda dokázala implementovať takýto proces v mikroskopickom meradle, zloženie zmesi izotopov xenónu v zrnách fosforečnanu hlinitého by sa líšilo od toho, čo sme našli. Napríklad, merané v pomere k množstvu xenónu-132, zníženie xenónu-136 (ťažšieho o 4 jednotky atómovej hmotnosti) by bolo dvakrát väčšie ako v prípade xenónu-134 (ťažšieho o 2 jednotky atómovej hmotnosti), ak by fungovalo fyzické triedenie. Nič podobné sme však nevideli.

Po analýze podmienok pre vznik xenónu sme si všimli, že žiadny z jeho izotopov nebol priamym výsledkom štiepenia uránu; všetko to boli produkty rozpadu rádioaktívnych izotopov jódu, ktoré zase vznikli z rádioaktívneho telúru atď., podľa známeho sledu jadrových reakcií. V tomto prípade sa rôzne izotopy xenónu v našej vzorke z Oklo objavili v rôznych časoch. Čím dlhšie konkrétny rádioaktívny prekurzor žije, tým je vznik xenónu z neho oneskorený. Napríklad tvorba xenónu-136 začala len minútu po začatí samoudržiavacieho štiepenia. O hodinu neskôr sa objaví ďalší ľahší stabilný izotop, xenón-134. Potom, o pár dní neskôr, sa na scéne objavia xenón-132 a xenón-131. Nakoniec, po miliónoch rokov a oveľa neskôr ako po ukončení jadrových reťazových reakcií, vzniká xenón-129.

Ak by uránové ložiská v Oklo zostali uzavretým systémom, xenón nahromadený počas prevádzky jeho prírodných reaktorov by si zachoval normálne izotopové zloženie. Ale systém nebol uzavretý, o čom svedčí aj fakt, že reaktory Oklo sa nejako regulovali samy. Najpravdepodobnejším mechanizmom je účasť podzemnej vody na tomto procese, ktorá sa po dosiahnutí určitej kritickej teploty vyvarí. Vyparovaním vody, ktorá fungovala ako moderátor neutrónov, sa jadrové reťazové reakcie dočasne zastavili a po vychladnutí všetkého a opätovnom preniknutí dostatočného množstva podzemnej vody do reakčnej zóny sa mohlo štiepenie obnoviť.

Tento obrázok objasňuje dva dôležité body: reaktory môžu fungovať prerušovane (zapnuté a vypnuté); touto horninou muselo prejsť veľké množstvo vody, dostatočné na vyplavenie niektorých prekurzorov xenónu, konkrétne telúru a jódu. Prítomnosť vody tiež pomáha vysvetliť, prečo sa teraz veľa xenónu nachádza v zrnách fosforečnanu hlinitého a nie v horninách bohatých na urán. Zrná fosforečnanu hlinitého vznikli pravdepodobne pôsobením vody zohriatej jadrovým reaktorom po ochladení na približne 300 °C.

Počas každej aktívnej periódy reaktora Oklo a ešte nejaký čas potom, kým teplota zostala vysoká, sa z reaktora odstránila väčšina xenónu (vrátane xenónu-136 a -134, ktoré vznikajú pomerne rýchlo). Keď sa reaktor ochladil, prekurzory xenónu s dlhšou životnosťou (tie, z ktorých neskôr vznikol xenón-132, -131 a -129, ktoré sme našli vo väčšom množstve) sa začlenili do rastúcich zŕn fosforečnanu hlinitého. Potom, keď sa do reakčnej zóny vrátilo viac vody, neutróny sa spomalili na správny stupeň a štiepna reakcia sa začala znova, čo prinútilo cyklus zahrievania a chladenia opakovať. Výsledkom bola špecifická distribúcia izotopov xenónu.

Nie je úplne jasné, aké sily udržali tento xenón v mineráloch fosforečnanu hlinitého takmer polovicu života planéty. Najmä prečo xenón, ktorý sa objavil v danom cykle prevádzky reaktora, nebol vytlačený počas nasledujúceho cyklu? Štruktúra fosforečnanu hlinitého bola pravdepodobne schopná udržať xenón vytvorený vo vnútri aj pri vysokých teplotách.

Pokusy vysvetliť nezvyčajné izotopové zloženie xenónu v Oklo si vyžadovali zváženie aj iných prvkov. Osobitnú pozornosť upriamil na jód, z ktorého pri rádioaktívnom rozpade vzniká xenón. Modelovanie procesu tvorby štiepnych produktov a ich rádioaktívneho rozpadu ukázalo, že špecifické izotopové zloženie xenónu je dôsledkom cyklického pôsobenia reaktora.Tento cyklus je znázornený na troch vyššie uvedených diagramoch.

harmonogram prác v prírode

Po vypracovaní teórie pôvodu xenónu v zrnách fosforečnanu hlinitého sme sa pokúsili implementovať tento proces do matematického modelu. Naše výpočty v prevádzke reaktora mnohé objasnili a získané údaje o izotopoch xenónu viedli k očakávaným výsledkom. Reaktor v Oklo bol „zapnutý“ na 30 minút a „vypnutý“ na minimálne 2,5 hodiny. Niektoré gejzíry fungujú podobným spôsobom: pomaly sa zahrievajú, varia, vyvrhujú časť podzemnej vody, pričom tento cyklus opakujú deň čo deň, rok čo rok. Podzemná voda prechádzajúca ložiskom Oklo tak mohla pôsobiť nielen ako moderátor neutrónov, ale aj „regulovať“ chod reaktora. Bol to mimoriadne účinný mechanizmus, ktorý chránil štruktúru pred roztopením alebo výbuchom po státisíce rokov.

Jadroví inžinieri sa majú od spoločnosti Oklo čo učiť. Napríklad ako nakladať s jadrovým odpadom. Oklo je príkladom dlhodobého geologického úložiska. Vedci preto podrobne študujú procesy migrácie štiepnych produktov z prírodných reaktorov v čase. Pozorne študovali aj rovnakú starovekú štiepnu zónu v lokalite Bangombe, asi 35 km od Okla. Reaktor Bangombe je obzvlášť zaujímavý, pretože je plytší ako Oklo a Okelobondo a donedávna ním prešlo viac vody. Takéto úžasné predmety podporujú hypotézu, že mnohé druhy nebezpečného jadrového odpadu možno úspešne izolovať v podzemných skladovacích zariadeniach.

Príklad spoločnosti Oklo tiež ukazuje, ako sa skladujú niektoré z najnebezpečnejších druhov jadrového odpadu. Od začiatku priemyselného využívania jadrovej energie bolo do atmosféry vyvrhnuté obrovské množstvo rádioaktívnych inertných plynov (xenón-135, kryptón-85 atď.), ktoré vznikajú v jadrových zariadeniach. V prírodných reaktoroch sú tieto odpadové produkty zachytávané a zadržiavané po miliardy rokov minerálmi obsahujúcimi fosforečnan hlinitý.

Staroveké reaktory typu Oklo môžu tiež ovplyvniť pochopenie základných fyzikálnych veličín, napríklad fyzikálnej konštanty, označenej písmenom α (alfa), spojenej s takými univerzálnymi veličinami, ako je rýchlosť svetla (pozri „Nekonštantné konštanty“, "Vo svete vedy", č. 9, 2005). Už tri desaťročia sa jav Oklo (starý 2 miliardy rokov) používa ako argument proti zmenám α. Ale minulý rok Steven K. Lamoreaux a Justin R. Torgerson z Los Alamos National Laboratory zistili, že táto „konštanta“ sa značne líši.

Sú tieto staroveké reaktory v Gabone jediné, ktoré kedy na Zemi vznikli? Pred dvoma miliardami rokov neboli podmienky potrebné na samoudržateľné štiepenie príliš zriedkavé, takže možno raz budú objavené ďalšie prírodné reaktory. A výsledky rozboru xenónu zo vzoriek by pri tomto pátraní mohli veľmi pomôcť.

„Fenomén Oklo pripomína výrok E. Fermiho, ktorý postavil prvý jadrový reaktor, a P.L. Kapitsa, ktorý nezávisle tvrdil, že niečo také je schopný vytvoriť iba človek. Staroveký prírodný reaktor však tento názor vyvracia a potvrdzuje myšlienku A. Einsteina, že Boh je sofistikovanejší...“
S.P. Kapitsa

O autorovi:
Alex Meshik(Alex P. Meshik) vyštudoval fyzikálnu fakultu Leningradskej štátnej univerzity. V roku 1988 obhájil dizertačnú prácu na Ústave geochémie a analytickej chémie. IN AND. Vernadského. Jeho dizertačná práca bola o geochémii, geochronológii a jadrovej chémii vzácnych plynov xenónu a kryptónu. V roku 1996 sa Meshik pripojil k Laboratóriu vesmírneho výskumu na Washingtonskej univerzite v St. Louis, kde v súčasnosti študuje vzácne plyny slnečného vetra zozbierané a privedené späť na Zem kozmickou loďou Genesis.

Článok prevzatý zo stránky

Korol A.Yu. - študent triedy 121 SNIEiP (Sevastopolský národný inštitút jadrovej energie a priemyslu.)
Vedúci - Ph.D. , docent Katedry YaPPU SNYaEiP Váh I.V., sv. Repina 14 metrov štvorcových. 50

V Oklo (uránová baňa v štáte Gabon, blízko rovníka, západná Afrika) fungoval prírodný jadrový reaktor pred 1900 miliónmi rokov. Identifikovalo sa šesť „reaktorových“ zón, v každej z nich sa našli známky štiepnej reakcie. Zvyšky rozpadov aktinidov naznačujú, že reaktor pracoval v režime pomalého varu stovky tisíc rokov.

V máji - júni 1972 pri rutinných meraniach fyzikálnych parametrov vsádzky prírodného uránu, ktorá dorazila do obohacovacieho závodu vo francúzskom meste Pierrelate z afrického ložiska Oklo (uránová baňa v Gabone, štát ležiaci v blízkosti rovníka v r. Západná Afrika) sa zistilo, že izotop U - 235 v prichádzajúcom prírodnom uráne je menej ako štandardný. Zistilo sa, že urán obsahuje 0,7171 % U - 235. Normálna hodnota pre prírodný urán je 0,7202 %
U - 235. Vo všetkých uránových mineráloch, vo všetkých horninách a prírodných vodách Zeme, ako aj v lunárnych vzorkách je tento pomer splnený. Ložisko Oklo je zatiaľ jediným prípadom zaznamenaným v prírode, kedy bola táto stálosť porušená. Rozdiel bol nepatrný – len 0,003 %, no napriek tomu zaujal technológov. Vzniklo podozrenie, že došlo k sabotáži alebo krádeži štiepneho materiálu, t.j. U - 235. Ukázalo sa však, že odchýlka v obsahu U-235 bola vysledovaná až po zdroj uránovej rudy. Niektoré vzorky tam vykazovali menej ako 0,44 % U- 235. Vzorky boli odobraté v celej bani a na niektorých žilách vykazovali systematický pokles U-235. Tieto rudné žily boli hrubé cez 0,5 metra.
Návrh, že U-235 „zhorela“, ako sa to stáva v peciach jadrových elektrární, spočiatku znelo ako vtip, hoci na to boli dobré dôvody. Výpočty ukázali, že ak je hmotnostný podiel podzemnej vody v nádrži asi 6% a ak je prírodný urán obohatený na 3% U-235, potom za týchto podmienok môže začať pracovať prírodný jadrový reaktor.
Keďže baňa sa nachádza v tropickom pásme a dosť blízko k povrchu, existencia dostatočného množstva podzemnej vody je veľmi pravdepodobná. Pomer izotopov uránu v rude bol nezvyčajný. U-235 a U-238 sú rádioaktívne izotopy s rôznym polčasom rozpadu. U-235 má polčas rozpadu 700 miliónov rokov a U-238 sa rozpadá s polčasom rozpadu 4,5 miliardy Izotopové zastúpenie U-235 sa v prírode pomaly mení. Napríklad pred 400 miliónmi rokov mal prírodný urán obsahovať 1% U-235, pred 1900 miliónmi rokov to boli 3%, t.j. požadované množstvo pre „kritickosť“ žily uránovej rudy. Predpokladá sa, že to bolo vtedy, keď bol reaktor Oklo v prevádzkovom stave. Identifikovalo sa šesť „reaktorových“ zón, v každej z nich sa našli známky štiepnej reakcie. Napríklad tórium z rozpadu U-236 a bizmut z rozpadu U-237 sa našli iba v reaktorových zónach v poli Oklo. Zvyšky z rozpadu aktinoidov naznačujú, že reaktor pracuje v režime pomalého varu už státisíce rokov. Reaktory boli samoregulačné, pretože príliš veľký výkon by viedol k úplnému vyvareniu vody a k odstaveniu reaktora.
Ako sa prírode podarilo vytvoriť podmienky pre jadrovú reťazovú reakciu? Najprv sa v delte prastarej rieky vytvorila vrstva pieskovca bohatá na uránovú rudu, ktorá spočívala na pevnom čadičovom podloží. Po ďalšom zemetrasení, ktoré bolo v tom čase bežné, sa čadičový základ budúceho reaktora potopil niekoľko kilometrov a stiahol so sebou aj uránovú žilu. Žila praskla, do puklín prenikla spodná voda. Potom ďalšia kataklizma pozdvihla celú „inštaláciu“ na súčasnú úroveň. V jadrových peciach jadrových elektrární sa palivo nachádza v kompaktných hmotách vo vnútri moderátora - heterogénneho reaktora. Toto sa stalo v Oklo. Voda slúžila ako moderátor. V rude sa objavili hlinené „šošovky“, kde sa koncentrácia prírodného uránu zvýšila z bežných 0,5 % na 40 %. Ako tieto kompaktné hrudky uránu vznikli, nie je presne stanovené. Možno ich vytvorili priesakové vody, ktoré odnášali hlinu a spájali urán do jednej masy. Len čo hmotnosť a hrúbka vrstiev obohatených uránom dosiahli kritické rozmery, nastala v nich reťazová reakcia a zariadenie začalo pracovať. V dôsledku prevádzky reaktora vzniklo asi 6 ton štiepnych produktov a 2,5 tony plutónia. Väčšina rádioaktívneho odpadu zostáva vo vnútri kryštalickej štruktúry uranitového minerálu, ktorý sa nachádza v telese rúd Oklo. Prvky, ktoré nemohli preniknúť do uranitovej mriežky v dôsledku príliš veľkého alebo príliš malého iónového polomeru, difundujú alebo sa vyplavujú. Za 1900 miliónov rokov od reaktorov v Oklo sa aspoň polovica z viac ako tridsiatich produktov štiepenia viaže v rude, a to aj napriek množstvu podzemnej vody v tomto ložisku. Pridružené štiepne produkty zahŕňajú prvky: La, Ce, Pr, Nd, Eu, Sm, Gd, Y, Zr, Ru, Rh, Pd, Ni, Ag. Bola zistená určitá čiastočná migrácia Pb a migrácia Pu bola obmedzená na menej ako 10 metrov. Iba kovy s valenciou 1 alebo 2, t.j. tie s vysokou rozpustnosťou vo vode boli odnesené. Ako sa dalo očakávať, takmer žiadne Pb, Cs, Ba a Cd nezostali na mieste. Izotopy týchto prvkov majú relatívne krátke polčasy, desiatky rokov alebo menej, takže sa rozpadajú do nerádioaktívneho stavu skôr, ako môžu migrovať ďaleko v pôde. Najzaujímavejšie z hľadiska dlhodobých problémov ochrany životného prostredia sú otázky migrácie plutónia. Tento nuklid je účinne viazaný takmer 2 milióny rokov. Keďže plutónium sa už takmer úplne rozkladá na U-235, o jeho stabilite svedčí absencia prebytku U-235 nielen mimo zóny reaktora, ale aj mimo zŕn uranitu, kde sa plutónium vytváralo počas prevádzky reaktora.
Táto jedinečná príroda existovala asi 600 tisíc rokov a produkovala približne 13 000 000 kW. hodina energie. Jej priemerný výkon je len 25 kW: 200-krát menej ako má prvá jadrová elektráreň na svete, ktorá v roku 1954 dodávala elektrinu mestu Obninsk pri Moskve. Energia prírodného reaktora ale nebola premrhaná: podľa niektorých hypotéz to bol práve rozpad rádioaktívnych prvkov, ktoré dodávali energiu otepľujúcej sa Zemi.
Možno sa tu pridala energia podobných jadrových reaktorov. Koľko je skrytých pod zemou? A reaktor v tom Oklo v tej dávnej dobe určite nebol výnimkou. Existujú hypotézy, že práca takýchto reaktorov „podnietila“ vývoj živých bytostí na Zemi, že vznik života je spojený s vplyvom rádioaktivity. Údaje naznačujú vyšší stupeň vývoja organickej hmoty, keď sa blížime k reaktoru Oklo. Mohlo to ovplyvniť frekvenciu mutácií jednobunkových organizmov, ktoré spadali do zóny zvýšených úrovní žiarenia, čo viedlo k objaveniu sa ľudských predkov. V každom prípade život na Zemi vznikol a prešiel dlhou cestou evolúcie na úrovni prirodzeného radiačného pozadia, ktoré sa stalo nevyhnutným prvkom vo vývoji biologických systémov.
Vytvorenie jadrového reaktora je inovácia, na ktorú sú ľudia hrdí. Ukazuje sa, že jeho vytvorenie je už dlho zaznamenané v patentoch prírody. Po navrhnutí jadrového reaktora, majstrovského diela vedeckého a technického myslenia, sa človek v skutočnosti ukázal ako imitátor prírody, ktorá vytvorila zariadenia tohto druhu pred mnohými miliónmi rokov.