Габон: Естественный атомный реактор в Окло. Древний ядерный реактор

Два миллиарда лет назад в одном из мест на нашей планете геологические условия сложились удивительным образом, случайно и спонтанно образовав термоядерный реактор. Он стабильно работал в течение миллиона лет, а его радиоактивные отходы, опять-таки естественным образом, никому не угрожая, хранились в природе всё то время, что прошло с момента его остановки. Было бы неплохо понять, как у него это получилось, не правда ли?

Реакция ядерного деления (краткая справка)

Прежде чем начать рассказ о том, как это случилось, давайте быстренько вспомним, что такое реакция деления. Она происходит, когда тяжёлое ядерное ядро распадается на более лёгкие элементы и свободные осколки, испуская огромное количество энергии. Упомянутые осколки – это небольшие и лёгкие атомные ядра. Они нестабильны, а потому чрезвычайно радиоактивны. Именно они составляют основную массу опасных отходов в атомной энергетике.

Помимо этого, высвобождаются рассеянные нейтроны, которые способны возбуждать соседние тяжёлые ядра до состояния деления. Так, собственно, и происходит цепная реакция, которую можно контролировать на тех же атомных электростанциях, обеспечивая энергией потребности населения и экономики. Неуправляемая реакция может быть катастрофически разрушительной. Поэтому, когда люди строят атомный реактор, им приходится потрудиться и соблюсти массу предосторожностей, чтобы запустить термоядерную реакцию.

Прежде всего, нужно заставить делиться тяжёлый элемент – обычно для этой цели используется уран. В природе он в основном встречается в виде трёх изотопов. Самым распространённым из них является уран-238. Его можно найти во многих местах планеты – на суше и даже в океанах. Однако сам по себе он не способен к делению, так как достаточно стабилен. С другой стороны, уран-235 обладает нужной нам нестабильностью, но его доля в природе составляет всего около 1 процента. Поэтому после добычи уран обогащается – доля урана-235 в общей массе доводится до 3%.

Но это далеко не всё – термоядерному реактору в целях безопасности требуется замедлитель для нейтронов, чтобы они оставались в узде и не вызывали неконтролируемую реакцию. В большинстве реакторов для этой цели используется вода. Кроме того, регулирующие стержни этих сооружений изготавливаются из материалов, также поглощающих нейтроны, вроде серебра. Вода, помимо основной функции, охлаждает реактор. Это упрощённое описание технологии, но даже по нему понятно, насколько она сложна. Лучшие умы человечества потратили десятилетия, чтобы довести её до ума. А потом мы узнали, что ровно то же самое создала природа, причём случайно. Есть в этом что-то невероятное, не правда ли?

Габон – родина ядерных реакторов

Однако тут надо вспомнить о том, что два миллиарда лет назад урана-235 было гораздо больше. По той причине, что он распадается гораздо быстрее урана-238. В Габоне, в местности, которая называется Окло, его концентрация оказалась достаточной для того чтобы запустить спонтанную термоядерную реакцию. Предположительно, в этом месте оказалось нужное количество замедлителя – скорее всего, воды, благодаря чему всё это не закончилось грандиозным взрывом. Также в этой среде не было поглощающих нейтроны материалов, в результате чего реакция деления поддерживала себя длительное время.

Это единственный известный науке природный ядерный реактор. Но это не значит, что он был таким уникальным всегда. Другие могли сместиться вглубь земной коры в результате движения тектонических плит или исчезнуть из-за эрозии. Также возможно, что их ещё просто не нашли. Кстати, этот природный габонский феномен также не сохранился до наших дней – он полностью выработан шахтёрами. Именно благодаря этому о нём и узнали – углубились в землю в поисках урана для обогащения, а затем вернулись на поверхность, озадаченно почёсывая затылок и пытаясь решить дилемму – “Либо кто-то украл отсюда почти 200 килограмм урана-235, либо это природный ядерный реактор, который уже полностью сжёг его”. Правильный ответ после второго “либо”, если кто-то не следил за нитью изложения.

Почему габонский реактор так важен для науки?

Тем не менее, это очень важный для науки объект. По той причине, что он без вреда для экологии работал порядка миллиона лет. Ни один грамм отходов не просочился в природу, ничто в ней не подверглось воздействию! Это крайне необычно, ведь побочные продукты деления урана крайне опасны. Мы до сих пор не знаем, что с ними делать. Одним из них является цезий. Есть и другие элементы, способные непосредственно навредить здоровью человека, но именно из-за цезия ещё долго будут представлять опасность развалины Чернобыля и Фукусимы.

Габонский природный ядерный реактор

Учёные, обследовавшие не так давно шахты в Окло, выяснили, что цезий в этом природном реакторе поглощался и связывался другим элементом – рутением. Он очень редко встречается в природе, и мы не можем использовать его в промышленных масштабах для нейтрализации ядерных отходов. Но понимание механизма работы реактора может дать нам надежду, что мы сможем найти нечто похожее и избавиться от этой давно стоящей перед человечеством проблемы.

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/

Загадка, которая наводит на интересные мысли!

Ядерный могильник – место, где хранится отработанное ядерное топливо ОЯТ, по всей Земле разбросано множество таких мест. Все они были построены в последние десятилетия, чтобы надежно спрятать представляющие огромную опасность побочные продукты деятельности атомных электростанций.

Но к одному из могильников человечество не имеет никакого отношения: неизвестно, кто его и построил и даже когда – ученые осторожно определяют его возраст в 1,8 млрд. лет.

Феномен Окло

В 1972 году на разрабатываемом месторождении урана в Окло (Африка, Габон) любознательный лаборант обратил внимание, что процентное содержание U-235 в руде ниже норматива на 0,003%. Несмотря на кажущуюся незначительность отклонения, для ученых это было ЧП. Во всех земных урановых рудах и даже в образцах, доставленных с Луны, показатель содержания урана в руде всегда 0,7202%, по какой же причине из шахт в Окло поднимали руду, содержащую 0,7171%, а то и менее?

Более всего ученых пугает непонятное, поэтому в 1975 году в столице Габона Либревиле состоялась научная конференция, на которой ученые-атомщики искали объяснение феномену.

После долгих дебатов решили считать месторождение в Окло единственным на Земле природным ядерным реактором. Возникший 1,8 млрд. лет назад и горевший на протяжении 500 тыс. лет природный реактор выгорел, руда – продукт распада. Все облегченно вздохнул — одной загадкой на Земле стало меньше.

Альтернативная точка зрения

Но не все участники конференции приняли такое решение. Ряд ученых назвал его надуманным, не выдерживающим никакой критики. Опирались они на мнение великого Энрико Ферми, создателя первого в мире ядерного реактора, всегда утверждавшего, что цепная реакция может иметь только искусственный характер – слишком много факторов должны случайно совпасть. Любой математик скажет, что вероятность такого настолько мала, что ее можно однозначно приравнять к нулю.

Но если такое вдруг и случилось и звезды что называется сошлись, то самоуправляемая ядерная реакция на протяжении 500 тыс. лет… На АЭС несколько человек круглосуточно наблюдают за работой реактора, постоянно меняя режимы его работы, не давая реактору остановиться или взорваться. Малейшая ошибка – и получите Чернобыль или Фукусиму. А в Окло полмиллиона лет работало все само?

Наиболее устойчивая версия

Несогласные с версией природного ядерного реактора в габонском руднике выдвинули свою теорию, согласно которой реактор в Окло – творение разума. Однако рудник в Габоне менее похож на ядерный реактор, построенный высокотехнологической цивилизацией. Впрочем, альтернативщики на этом и не настаивают. По их мнению рудник в Габоне был местом захоронения ОЯТ.

Для этой цели место выбрано и подготовлено идеально: за полмиллиона лет из базальтового «саркофага» ни грамма радиоактивного вещества не проникло в окружающую среду.

Теория, что рудник в Окло – ядерный могильник с технической точки зрения куда более подходящая, чем версия «естественного реактора». Но закрывая одни вопросы, она задает новые. Ведь если был могильник с ОЯТ, значит был и реактор, откуда привезли эти отходы. Куда же он делся? И куда пропала сама цивилизация, построившая могильник?

Король А.Ю. - студент 121 класса СНИЯЭиП (Севастопольский национальный институт ядерной энергии и промышленности.)
Руководитель - к.т.н. , доцент кафедры ЯППУ СНИЯЭиП Вах И.В., ул. Репина 14 кв. 50

В Окло (урановый рудник в государстве Габон, вблизи экватора, западная Африка) 1900 миллионов лет назад работал природный ядерный реактор. Было выделено шесть "реакторных" зон, в каждой из которых обнаружены признаки протекания реакции деления. Остатки распадов актиноидов указывают на то, что реактор работал в режиме медленного кипения на протяжении сотен тысяч лет.

В мае - июне 1972 года при рядовых измерениях физических параметров партии природного урана поступившего на обогатительную фабрику французского города Пьерлате из африканского месторождения Окло (урановый рудник в Габоне, государстве, расположенном вблизи экватора в Западной Африке) обнаружилось, что изотопа U - 235 в поступившем природном уране меньше стандартного. Было обнаружено, что в уране содержится 0,7171% U - 235. Нормальное значение для природного урана 0,7202%
U - 235. Во всех урановых минералах, во всех горных породах и природных водах Земли, а также в лунных образцах это соотношение выполняется. Месторождение в Окло пока единственный, зарегистрированный в природе случай, когда это постоянство было нарушено. Разница была незначительная - всего лишь 0,003%, но тем не менее она привлекла внимание технологов. Возникло подозрение, что имела место диверсия или похищение делящегося материала, т.е. U - 235. Однако оказалось, что отклонение в содержание U-235 прослеживалось вплоть до источника урановой руды. Там в некоторых пробах было обнаружено менее 0,44% U-235.пробы брали повсюду по руднику и показали систематическое уменьшение содержания U-235 поперёк некоторых жил. Эти рудные жилы имели толщину более 0,5 метров.
Предположение, что U-235 "выгорел", как это бывает в топках ядерных электростанций, поначалу прозвучало как шутка, хотя для того имелись серьёзные основания. Расчёты показали, что если массовая доля грунтовых вод в пласте составляет около 6% и если природный уран обогащён до 3% U-235, то при этих условиях может начать работать природный ядерный реактор.
Поскольку рудник находится в тропической зоне и довольно близко к поверхности, то существование достаточного количества грунтовых вод весьма вероятно. Соотношение изотопов урана в руде было не обычным. U-235 и U-238 - радиоактивные изотопы с различными периодами полураспада. U-235 имеет период полураспада 700 млн. лет, а U-238 распадается с периодом полураспада в 4,5 млрд. Изотопное содержание U-235 находится в природе в процессе медленного изменения. Например, 400 млн. лет назад в природном уране должен был быть 1% U-235, 1900 млн. лет назад его было 3%, т.е. необходимое количество для "критичности" жилы урановой руды. Считается, что именно тогда реактор Окло находился в состоянии работы. Было выделено шесть "реакторных" зон, в каждой из которых обнаружены признаки протекания реакции деления. Например, торий от распада U-236 и висмут от распада U-237 были обнаружены только в реакторных зонах в месторождении Окло. Остатки от распада актиноидов указывают на то, что реактор работал в режиме медленного кипения на протяжении сотен тысяч лет. Реакторы были саморегулирующимися, так как чересчур большая мощность привела бы к полному выкипанию воды и к остановке реактора.
Как же природе удалось создать условия для цепной ядерной реакции? Сначала в дельте древней реки образовался богатый урановый рудой слой песчаника, который покоился на крепком базальтовом ложе. После очередного землетрясения обычного в то буйное время базальтовый фундамент будущего реактора опустился на несколько километров, потянув за собой урановую жилу. Жила растрескалась, в трещины проникла грунтовая вода. Затем очередной катаклизм поднял всю "установку" до современного уровня. В ядерных топках АЭС топливо располагается компактными массами внутри замедлителя гетерогенный реактор. Так получилось и в Окло. Замедлителем служила вода. В руде появились глинистые "линзы", где концентрация от природного урана от обычных 0,5% повысилась до 40%. Как образовались эти компактные глыбы урана, точно не установлено. Возможно их создали фильтрационные воды, которые уносили глину и сплачивали уран в единую массу. Как только масса и толщина слоёв, обогащённых ураном, достигла критических размеров, в них возникла цепная реакция, и установка начала работать. В результате работы реактора образовалось около 6 тонн продуктов деления и 2,5 тонны плутония. Большинство радиоактивных отходов осталось внутри кристаллической структуры минерала уранита, который обнаружен в теле руд Окло. Элементы, которые не смогли проникнуть сквозь решётку уранита из-за слишком большого или слишком маленького ионного радиуса, диффундируют или выщелачиваются. В течении 1900 млн. лет, прошедших со времён работы реакторов в Окло, по крайней мере половина из более чем тридцати продуктов деления оказались связанные в руде, несмотря на обилие грунтовых вод в этом месторождении. Связанные продукты деления включают в себя элементы: La, Ce, Pr, Nd, Eu, Sm, Gd, Y, Zr, Ru, Rh, Pd, Ni, Ag. Была обнаружена некоторая частичная миграция Pb, а миграция Pu была ограничена расстоянием меньше 10 метров. Только металлы с валентностью 1 или 2, т.е. те, которые обладают высокой растворимостью в воде, были унесены. Как и предполагалось, на месте почти не осталось Pb, Cs, Ba и Cd. Изотопы этих элементов имеют относительно короткие периоды полураспада десятки лет или меньше, так что они распадаются до нерадиоактивного состояния прежде, чем смогут далеко мигрировать в почве. Наибольший интерес с точки зрения долговременных проблем защиты окружающей среды представляют вопросы миграции плутония. Этот нуклид эффективно связан на срок почти 2 млн. лет. Так как плутоний к настоящему времени почти полностью распадается до U-235, то о его стабильности свидетельствует отсутствие избытка U-235 не только снаружи реакторной зоны, но также вне зёрен уранита, где образовывался плутоний во время работы реактора.
Существовал этот уникум природы около 600 тысяч лет и выработал примерно 13000000 кВт. час энергии. Его средняя мощность всего 25 кВт: в 200 раз меньше, чем у первой в мире АЭС, давшей в 1954 году электроэнергию подмосковному городу Обнинску. Но энергия природного реактора не расходовалась впустую: по некоторым гипотезам именно распад радиоактивных элементов снабжал энергией разогревающуюся Землю.
Возможно, сюда приплюсовывалась и энергия аналогичных ядерных реакторов. Сколько их скрыто под землёй? И реактор в то Окло в то стародавнее время, безусловно, был не исключением. Существуют гипотезы, что работа таких реакторов "подстегнула" развитие на земле живых существ, что зарождение жизни связано с влиянием радиоактивности. Данные свидетельствуют о более высокой степени эволюции органической материи по мере приближения к реактору Окло. Он вполне мог оказывать влияние на частоту мутаций одноклеточных, попадавших в зону повышенного уровня радиации, что и привело к появлению предков человека. Во всяком случае жизнь на Земле возникла и прошла долгий путь эволюции на уровне естественного фона радиации, которая стала необходимым элементом развития биологических систем.
Создание атомного реактора - новшество, которым гордится человек. Оказывается его создание давно записано в патентах природы. Сконструировав ядерный реактор, шедевр научно - технической мысли, человек, по сути дела, оказался имитатором природы, много миллионов лет тому назад создавшей установки подобного рода.

Многие люди думают, что ядерная энергетика является изобретением человечества, а некоторые даже считают, что она нарушает законы природы. Но ядерная энергетика на самом деле является природным явлением, и жизнь не могла бы существовать без неё. Все потому, что наше Солнце (и любая другая звезда) сама по себе гигантская электростанция, освещая Солнечную систему с помощью процесса, известного как термоядерный синтез.

Люди, однако, чтобы генерировать эту силу используют другой процесс, называемый ядерным делением, при котором энергия высвобождается путем расщепления атомов, а не объединяя их, как в процессе сварки. Независимо от того, насколько изобретательным может показаться человечество, этот способ природа также уже использовала. В единственном, но хорошо задокументированном месте, ученые нашли доказательства того, что природные реакторы деления были созданы в трех урановых месторождениях в западной африканской стране Габон.

Два миллиарда лет назад, минеральные залежи богатые ураном начали затапливаться грунтовыми водами, вызывая самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию. Рассматривая уровни определенных изотопов ксенона (побочного продукта процесса деления урана) в окружающую породу, ученые определили, что естественная реакция протекала на протяжении нескольких сотен тысяч лет с интервалами около двух с половиной часов.

Таким образом, природный ядерный реактор в Окло действовал на протяжении сотен тысяч лет, пока большая часть делящегося урана не была исчерпана. В то время как большая часть урана в Окло является не делящемся изотопом U238, необходимо лишь 3% делящегося изотопа U235 для начала цепной реакции. Сегодня процент делящегося урана в месторождениях составляет около 0,7%, что свидетельствует о том, что в течение относительно длительного периода времени в них проходили ядерные процессы. Но именно точная характеристика пород из Окло первой озадачила ученых.

Низкие уровни U235 впервые были замечены в 1972 году сотрудниками фабрики по обогащению урана Пьерлате во Франции. В ходе рутинного масс-спектрометрического анализа проб из рудника Окло, было обнаружено, что концентрация делящегося изотопа урана отличалась на 0,003 % от ожидаемого значения. Эта, казалось бы, небольшая разница была достаточно существенной, чтобы предупредить власти, которые были обеспокоены тем, что пропавший уран может быть использован для создания ядерного оружия. Но позже, в этом же году, ученые нашли ответ на эту загадку - это был первый природный ядерный реактор в мире.