Скачать (131 Кб)

Уран. Природный ядерный реактор

А. Ю. Шуколюков
Химия и Жизнь №6, 1980 г., с. 20-24

Этот рассказ - об открытии, которое предсказывали давно, которого долго ждали и уже почти отчаялись дождаться. Когда же все-таки открытие свершилось, то оказалось, что цепная реакция деления урана, считавшаяся одним из высших проявлений могущества человеческого разума, когда-то давным-давно могла идти и шла без какого-либо вмешательства человека. Об этом открытии, о феномене Окло, лет семь назад писали много и не всегда корректно. Со временем страсти поутихли, а информации об этом феномене за последнее время прибавилось...

ПОПЫТКИ С НЕГОДНЫМИ СРЕДСТВАМИ

Рассказывают, что в один из осенних дней 1945 г. японский физик П. Курода, потрясенный увиденным в Хиросиме, впервые задумался о том, не может ли подобный процесс деления ядер идти в природе. А если да, то не этот ли процесс порождает неукротимую энергию вулканов, которые как раз в то время Курода изучал?

Вслед за ним этой заманчивой идеей увлеклись и некоторые другие физики, химики, геологи. Но техника - появившиеся в 50-е годы энергетические ядерные реакторы - работала против эффектного умозаключения. Не то чтобы теория реакторов накладывала запрет на такой процесс - она объявляла его слишком маловероятным.

И все-таки стали искать следы при родной цепной реакции деления. Американец И. Орр, например, попытался обнаружить признаки ядерного "горения" в тухолите. Название этого минерала вовсе не свидетельство его неприятного запаха, слово образовано из первых букв латинских названий элементов, имеющихся в этом минерале,- тория, урана, водорода (хидрогениум, первая буква - латинская "аш", читающаяся как "х") и кислорода (оксигениум). А концовка "лит" - от греческого "литое" - камень.

Но никаких аномалий в тухолите не обнаружилось.

Отрицательный результат был получен и при работе с одним из самых известных урановых минералов - уранинитом¹. Было высказано предположение, что редкоземельные элементы, присутствующие в заирском уранините, образовались в цепной реакции деления. Но изотопный анализ показал, что эта примесь - самая обыкновенная, не радиогенная.

Зависимость коэффициента размножения нейтронов от концентрации урана и воды в месторождении

Исследователи из Арканзасского университета попытались найти в горячих источниках Йеллоустонского национального парка радиоактивные изотопы стронция. Рассуждали так: вода этих источников подогревается неким источником энергии; если где-то в недрах действует природный ядерный реактор, в воду неизбежно просочатся радиоактивные продукты цепной реакции деления, в частности стронций-90. Однако никаких признаков повышенной радиоактивности в йеллоустонских водах не оказалось...

Где же искать природный реактор? Первые попытки были предприняты почти вслепую, на основе соображений типа "это может быть потому, что...". До серьезной теории природного ядерного реактора было еще далеко.

НАЧАЛА ТЕОРИИ

В 1956 г. в журнале "Nature" была опубликована маленькая, всего на страницу, заметка. В ней коротко излагалась теория природного ядерного реактора. Ее автором был все тот же П. Курода. Смысл заметки сводится к расчету коэффициента размножения нейтронов К_Ґ. Величина этого коэффициента определяет, быть или не быть цепной реакции деления. И в реакторе, и в месторождении, очевидно.

Когда образуется урановое месторождение, в нем могут наличествовать три главных "действующих лица" будущей цепной реакции. Это горючее - уран-235, замедлители нейтронов - вода, окислы кремния и металлов, графит (сталкиваясь с молекулами этих веществ, нейтроны растрачивают свой запас кинетической энергии и из быстрых превращаются в медленные) и, наконец, поглотители нейтронов, среди которых - осколочные элементы (о них разговор особый) и, как это ни странно, сам уран. Преобладающий изотоп - уран-238 может делиться быстрыми нейтронами, но нейтроны средней энергии (более энергичные, чем медленные, и более медленные, чем быстрые) его ядра захватывают и при этом не распадаются, не делятся.

При каждом делении ядра урана-235, вызванном столкновением с медленным нейтроном, рождается два-три новых нейтрона. Казалось бы, число нейтронов в месторождении должно лавинообразно нарастать. Но все не так просто. "Новорожденные" нейтроны - быстрые. Чтобы вызвать новое деление урана-235, они должны стать медленными. Вот здесь-то и подстерегают их две опасности. Замедляясь, они должны как бы проскочить интервал энергий, при которых с нейтронами очень охотно реагирует уран-238. Не всем это удается - часть нейтронов выбывает из игры. Уцелевшие медленные нейтроны становятся жертвами атомных ядер редкоземельных элементов, всегда присутствующих в урановых месторождениях (и реакторах тоже).

Мало того, что они - элементы рассеянные - вездесущи. Они к тому же образуются при делении ядер урана - вынужденном и спонтанном. А некоторые осколочные элементы, например гадолиний и самарий, относятся к числу самых сильных поглотителей тепловых нейтронов. В итоге, на цепную реакцию в уране, как правило, нейтронов остается не так уж много...

Коэффициент размножения К_Ґ - это и есть отношение остатка нейтронов к их первоначальному числу. Если K_Ґ=1, в урановом месторождении устойчиво протекает цепная реакция, если K_Ґ > 1, месторождение должно самоуничтожиться, рассеяться, может даже взорваться. При К_Ґ < 1 цепная реакция не пойдет. Очень точно должны сыграть свои "роли" горючее, замедлитель и поглотитель, чтобы коэффициент размножения стал не менее 1, чтобы месторождение заработало как природный реактор. Но ведь это не актеры, им не объяснишь сверхзадачу... Значит, должны быть такие природные условия, чтобы месторождение могло стать природным же ядерным реактором.

Что для этого необходимо? Во-первых, чтобы месторождение было древним. Сейчас в природной смеси изотопов урана концентрация урана-235 всего 0,7%. Не многим больше она была и 500 миллионов, и миллиард лет назад. Поэтому ни в одном месторождении моложе 1 млрд. лет не могла начаться цепная реакция, независимо от общей концентрации урана или воды-замедлителя. Период полураспада урана-235 около 700 млн. лет. Чем дальше в глубь веков, тем больше была концентрация изотопа уран-235. Два миллиарда лет назад она составляла 3,7%, 3 млрд. лет - 8,4%, 4 млрд. лет - целых 19,2%! Вот тогда, миллиарды лет назад, древнейшие месторождения урана были достаточно богатыми, готовыми вот-вот "вспыхнуть".

Древность месторождения - необходимое, но не достаточное условие действия природных реакторов. Другое, также необходимое условие - присутствие здесь же воды в больших количествах. Вода, особенно тяжелая,- лучший замедлитель нейтронов. Не случайно же критическая масса урана (93,5% ²³⁵U) в водном растворе - меньше одного килограмма, а в твердом состоянии, в виде шара со специальным отражателем нейтронов - от 18 до 23 кг. Не меньше 15-20% воды должно было быть в составе урановой древней руды, чтобы в ней вспыхнула цепная реакция деления урана.

Но и этого еще недостаточно. Необходимо, чтобы урана в руде было не меньше 10-20%. При иных обстоятельствах природная цепная реакция не могла бы начаться. Заметим тут же, что сейчас богатыми считаются руды, в которых от 0,5 до 1,0% урана; больше 1 % - очень богатыми...

Но и это еще не все. Нужно, чтобы месторождение было не слишком маленьким. Например, в куске руды величиною с кулак - самой древней, самой концентрированной (и по урану, и по воде) - цепная реакция начаться бы не могла. Слишком много нейтронов вылетали бы из такого куска, не успев вступить в цепную реакцию. Подсчитали, что размеры залежей, которые могли бы стать природными реакторами, должны составлять хотя бы несколько кубометров.

Итак, чтобы в месторождении сам собой заработал "нерукотворный" ядерный реактор, нужно, чтобы одновременно соблюдались все четыре обязательных условия. Это и оговорила теория, сформулированная профессором Куродой. Теперь поиски природных реакторов в урановых месторождениях могли приобрести известную целенаправленность.

Так уменьшается концентрация урана-235 со временем

НЕ ТАМ, ГДЕ ИСКАЛИ

Поиски вели в США и в СССР. Американцы проводили точнейшие изотопные анализы урана, надеясь обнаружить хоть небольшое "выгорание" урана-235. К 1963 году Комиссия по атомной энергии США уже располагала сведениями об изотопном составе нескольких сотен урановых месторождений. Были изучены глубинные и поверхностные, древние и молодые, богатые и бедные месторождения урана. В семидесятых годах эти данные опубликовали. Следов цепной реакции найдено не было...

В СССР применили другой метод поисков природного ядерного реактора. Из каждых ста делений ядер урана-235 шесть приводят к образованию изотопов ксенона. Значит, при цепной реакции в урановых месторождениях должен накапливаться ксенон. Превышение концентрации ксенона (сверх 10^-15 г/г) и изменения его изотопного состава в урановой руде свидетельствовали бы о природном реакторе. Чувствительность советских масс-спектрометров позволяла обнаружить малейшие отклонения. Были исследованы многие "подозрительные" урановые месторождения - но ни в одном не обнаружилось признаков природных ядерных реакторов.

Получалось, что теоретическая возможность природной цепной реакции никогда не превратилась в действительность. К такому выводу пришли в 1970 г. А спустя всего два года французские специалисты совершенно случайно натолкнулись на природный ядерный реактор. Вот как это было.

В июне 1972 г. в одной из лабораторий Комиссариата по атомной энергии Франции готовили эталонный раствор природного урана. Измерили его изотопный состав: урана-235 оказалось 0,7171% вместо 0,7202%. Невелика разница! Но в лаборатории привыкли работать точно. Проверили результат - он повторился. Исследовали другой препарат урана - дефицит урана-235 еще больше! На протяжении следующих шести недель экстренно проанализировали еще 350 образцов и обнаружили, что из уранового месторождения Окло (Габон) во Францию доставляется урановая руда, обедненная раном-235.

Изотопный состав обычного природного урана и урана из месторождения Окло

Организовали расследование - оказалось, что за полтора года с рудника поступило 700 тонн обедненного урана, и общая недостача урана-235 в сырье, поступившем на атомные заводы Франции, составила 200 кг! Их, очевидно, использовала в качестве ядерного горючего сама природа...

Французские исследователи (Р. Бодю, М. Нелли и др.) срочно опубликовали сообщение, что ими обнаружен природный ядерный реактор. Затем во многих журналах были приведены результаты всестороннего изучения необычного месторождения Окло.

Феномену Окло были посвящены две международных научных конференции. Все сошлись в общем мнении: это действительно природный ядерный реактор, работавший в центре Африки сам по себе, когда и предков-то человека на Земле не было.

КАК ЖЕ ЭТО ПРОИЗОШЛО?

2 миллиарда 600 миллионов лет назад на территории нынешнего Габона и сопредельных с ним африканских государств образовалась огромная гранитная плита протяженностью во много десятков километров. (Эту дату, так же как и другие, о которых пойдет речь, определили с помощью радиоактивных часов - по накоплению аргона из калия, стронция - из рубидия, свинца - из урана.)

В течение последующих 500 миллионов лет эта глыба разрушалась, превращаясь в песок и глину. Они смывались реками и в виде осадков, насыщенных органическим веществом, слоями оседали в дельте древней громадной реки. За десятки миллионов лет толщи осадков настолько увеличились, что нижние слои оказались на глубине в несколько километров. Сквозь них просачивались подземные воды, в которых были растворены соли, в том числе немного солей уранила (ион UO²²⁺). В слоях, насыщенных органическим веществом, были условия для восстановления шестивалентного урана в четырехвалентный, который и выпадал в осадок. Постепенно много тысяч тонн урана осело в виде рудных "линз" размером в десятки метров. Содержание урана в руде достигло 30, 40, 50% и продолжало расти.

Расположение уранового месторождения на месте некогда действовавшего природного ядерного реактора

Изотопная концентрация урана-235 была тогда 4,1%. И в какой-то момент оказались соблюденными все четыре условия, необходимых для начала цепной реакции, о которых рассказано выше. И - природный реактор заработал. В сотни миллионов раз вырос поток нейтронов. Это привело не только к выгоранию урана-235, месторождение Окло оказалось скопищем многих изотопных аномалий.

Заодно с ураном-235 "выгорели" все легко взаимодействующие с нейтронами изотопы. Оказался в зоне реакции самарии - и лишился своего изотопа ¹⁴⁹Sm. Если в природной смеси изотопов самария его 14%, то на месте работы природного реактора - всего 0,2%. Такая же судьба постигла ¹⁵¹Еu, ¹⁵⁷Gd и некоторые другие изотопы редкоземельных элементов.

Но и в природном ядерном реакторе действуют законы сохранения энергии и материи. Ничто не превращается в ничто. "Погибшие" атомы породили новые. Деление урана-235 - мы знаем это из физики - не что иное, как образование осколков разнообразных атомных ядер с массовыми числами от 70 до 170. Добрая треть таблицы элементов - от цинка до лютеция получается в результате деления ядер урана. В зоне цепной реакции обитают химические элементы с фантастически искаженным изотопным составом. У рутения из Окло, например, втрое больше, чем в природном рутении, ядер с массовым числом 99. В цирконии в пять раз вырастает содержание изотопа ⁹⁶Zr. "Сгоревший" 149Sm превратился в ¹⁵⁰Sm, и последнего в итоге в одной из проб оказалось в 1300 раз больше, чем должно было быть. Таким же путем в 100 раз возросла концентрация изотопов ¹⁵²Gd и ¹⁵⁴Gd.

Все эти изотопные аномалии интересны сами по себе, но они позволили многое узнать и о природном реакторе. Например, сколько времени он работал. Некоторые образовывавшиеся при работе природного реактора изотопы, естественно, были радиоактивными. Они не дожили до наших дней, распались. Но за то время, что радиоактивные изотопы находились в зоне реакции, часть из них вступила в реакцию с нейтронами. По количеству продуктов таких реакций и продуктов распада радиоактивных изотопов, зная дозу нейтронов, рассчитали длительность работы природного реактора. Оказалось, что он работал примерно 500 тысяч лет.

А дозу нейтронов узнали тоже по изотопам, по их выгоранию или накоплению; вероятность взаимодействия осколочных элементов с нейтронами известна достаточно точно. Дозы нейтронов в природном реакторе были весьма внушительными - около 10²¹ нейтронов на квадратный сантиметр, то есть в тысячи раз больше, чем использующиеся в лабораториях при нейтронно-активационном химическом анализе. Каждый кубический сантиметр руды ежесекундно бомбардировали сто миллионов нейтронов!

По выгоранию изотопов подсчитали и энергию, выделенную в природном реакторе - 10¹¹ кВт·ч. Этой энергии хватило, чтобы температура месторождения Окло достигла 400-600°С. До ядерного взрыва, очевидно, было далеко, вразнос реактор не шел. Это, вероятно, объясняется тем, что природный реактор Окло был саморегулирующимся. Когда коэффициент размножения нейтронов приближался к единице, температура повышалась, и вода - замедлитель нейтронов - уходила из зоны реакции. Реактор останавливался, остывал, и вода снова насыщала руду - опять возобновлялась цепная реакция.

Все это продолжалось до тех пор, пока в руду свободно поступала вода. Но однажды водный режим изменился, и реактор остановился навсегда. За два миллиарда лет силы земных недр сдвинули, смяли, вздыбили под углом 45° пласты руды и вынесли их к поверхности. Природный реактор, словно замороженный в слое вечной мерзлоты мамонт, в своем первозданном виде предстал перед современными исследователями.

Впрочем, не совсем в первозданном. Некоторые изотопы, образованные при работе реактора, исчезли из зоны реакции. Например, барий, стронций и рубидий, найденные в месторождении Окло, оказались почти нормальными по изотопному составу. А ведь цепная реакция должна была вызвать громадные аномалии в составе этих элементов. Аномалии были, но и барий, и стронций, и тем более рубидий - химически активные и потому геохимически подвижные элементы. "Аномальные" изотопы вымывались из зоны реакции, а из окружающих пород на их место приходили нормальные.

Мигрировали также, хотя и не столь значительно, теллур, рутений, цирконий. Два миллиарда лет - срок большой даже для неодушевленной природы. А вот редкоземельные элементы - продукты деления урана-235 и особенно сам уран - оказались прочно законсервированными в зоне реакции.

Но что необъяснимо пока, так это причины уникальности месторождения Окло. В далеком прошлом природные ядерные реакторы в древних породах должны были возникать достаточно часто. Но их не находят. Может быть, они и возникали, но в силу каких-то причин самоуничтожались, взрывались, а месторождение Окло - единственное, чудом уцелевшее? Нет пока ответа на этот вопрос. Может быть, природные реакторы есть и еще где-то, и их стоит как следует поискать...

¹В старых справочниках состав уранинита выражается формулой UO₂, но это идеализированная формула. На самом деле в уранините на каждый атом урана приходится от 2,17 до 2,92 атомов кислорода