Подробно о потухшем ядерном реакторе в Окло

источник

В моем блоге на Хабре я стараюсь избегать рассмотрения «уникальных» феноменов, которые не с чем сравнить – и, соответственно, сложно или невозможно вывести какие-то закономерности, сделать выводы. Единственным исключением была, пожалуй, статья о вулкане Кудрявый – больше на нашей планете рениевых фумарол нигде нет, но с геохимической точки зрения этот вулкан все-таки вписывается в более обширную картину безудержного российского сырьевого изобилия, а заодно подчеркивает специфическую престижность суверенитета над островом Итуруп.
-------------------------

Человечество привыкло считать расщепление атома триумфом науки XX века. Но пока предки людей даже в виде многоклеточных организмов не сформировались, планета вполне успешно запустила собственную атомную электростанцию на самообеспечении.

В 1972 году на заводе по обогащению урана в Пьерлате (Франция) лаборанты делали рутинный масс-спектрометрический анализ сырья. Руда прибыла из месторождения Окло в Габоне. Внезапно выяснилось, что в ней не хватает изотопа урана-235 (235U).

В природе изотопное соотношение строго фиксировано: в любой точке Земли, на Луне и в метеоритах содержание 235U составляет ровно 0,720%. Однако в габонской пробе его оказалось всего 0,717%, а в некоторых образцах концентрация падала до смешных 0,440%. Французские спецслужбы и ученые сначала запаниковали — решили, что кто-то тайно ворует оружейный уран для нелегальной ядерной бомбы.

Комиссия выехала на место и обнаружила 16 зон, где происходила контролируемая цепная реакция деления ядер. Всё совпало благодаря идеальному стечению обстоятельств:

Концентрация топлива: Около 2 миллиардов лет назад из-за меньшего периода полураспада доля 235U в природном уране составляла около 3% — в точности как в топливных таблетках современных реакторов на легкой воде.

Подходящая порода: Урановые пласты залегали в пористом песчанике толщиной в несколько метров.

Природный замедлитель: Грунтовая вода просачивалась сквозь породу, замедляла быстрые нейтроны и запускала самоподдерживающуюся цепную реакцию.

Автоматическая система охлаждения: Когда реактор разогревался, вода закипала и испарялась. Без замедлителя реакция мгновенно затухала. Порода остывала, вода снова наполняла поры, и цикл повторялся каждые 3 часа — 30 минут работы на полную мощность и 2,5 часа на охлаждение.

Этот геохимический реактор выдавал среднюю тепловую мощность около 100 кВт и стабильно проработал от нескольких сотен тысяч до миллиона лет, потребив тонны ядерного топлива. При этом радиоактивные отходы (включая плутоний) за два миллиарда лет практически не сдвинулись с места, оказавшись намертво запечатанными в кристаллической решетке местных минералов.

И вот в минувший понедельник на Хабре вышел неудачный перевод удивительно неудачной статьи об уникальном природном объекте Окло, о котором я также знаю уже около десяти лет, но писать не собирался. Обсудить этот перевод можно в самом посте, я не буду вдаваться в разбор тех аспектов, которые меня разочаровали — кроме, пожалуй, перекочевавшего из оригинала в перевод изотопа бор-141 (141B). О том, что это не B, а Ba (барий), указали в комментариях еще к оригинальной статье (их там всего девять), но переводчик почему-то пропустил даже эту очевидную ошибку. Итак, признаю, что при всей экзотичности объект Окло заслуживает более внятного и целостного представления, которое и сделаю в этой статье.

Уран (U) расположен в таблице Менделеева под номером 92, и на момент выпуска первой редакции таблицы замыкал ее. В то время считалось, что атомная масса урана равна 120, но Менделеев, опираясь на периодический закон, обоснованно удвоил ее до 240. Уран был открыт в 1789 году (если быть точным, Мартин Клапрот выделил из настурановой руды оксид урана, но принял его за новый металл, поскольку тот имеет характерный металлический блеск). Вещество назвали уранием в честь планеты Уран, открытой Уильямом Гершелем в 1781 году.

Именно распространенность урана способствовала тому, что именно его образцы позволили открыть сначала радиоактивность (Анри Беккерель, 1896), а затем и деление ядра (Отто Ган и Фриц Штрассман, 1938). Но оказалось, что уран значительно спокойнее и безопаснее других радиоактивных элементов. Именно ураном была начинена атомная бомба «Малыш», спалившая Хиросиму, но последующие бомбы уже относились к модели «Толстяк», действовали иначе, нежели «Малыш» (по принципу имплозии), а также оказались гораздо смертоноснее. Время урана пришло в 1954 году, когда в Обнинске заработала первая атомная электростанция.

При этом еще в 1952 году двое американских ученых, Марк Ингрэм и Джордж Везерилл, предположили, что самоподдерживающаяся ядерная реакция вполне могла бы протекать в природе. Ядерная реакция в урановом топливе поддерживается благодаря тому, что наряду с доминирующим изотопом 238U в ней есть и значительно более активный и короткоживущий изотоп 235U (период полураспада соответственно 4,4 и 0,7 млрд лет). Когда концентрация 235U в образце достигает 3%, образец достигает критической массы – и начинается цепная ядерная реакция.

В ядерном реакторе критическая масса должна быть достигнута, но лавинообразная цепная реакция недопустима. Поэтому применяется замедлитель нейтронов, обычная вода.

В 1956 году наблюдения и экстраполяции Ингрэма и Везерилла были систематизированы Полом Куродом. Который резюмировал, что естественных ядерных реакторов на Земле нет, так как концентрация 235U в современных урановых рудах слишком мала.

Габонская аномалия
В 1972 году в рамках развития собственной ядерной программы Франция закупала у Габона (своей бывшей колонии) урановую руду. Естественно, для военных целей французам требовался, прежде всего, дефицитный изотоп 235U, содержание которого в природе хорошо известно: 0,720%. А в образцах из Окло 235U было явственно меньше: 0,717%. Столь аптекарская, но четкая разница вынудила французов подробнее изучить геологическое строение Окло и выявила еще более интересные изотопные аномалии. В руде оказалось повышено содержание изотопов неодима (143Nd и 144Nd), а также понижено содержание изотопов европия и самария.

Наиболее логичный вывод заключался в том, что часть 235U в залежах Окло подверглась распаду уже после их формирования. Более того, изотопный состав выдавал осколки от распада плутония: к 1972 году распад плутония уже был хорошо изучен, но в естественных горных породах этот элемент найден не был. Плутоний-239 образуется в процессе ядерной реакции, начинающейся с попадания нейтрона в атом урана-238:

Сам бассейн оказался очень древним, докембрийским. Возраст его составляет 1,8 миллиарда лет. В тот период, когда он формировался, содержание 235U в земной коре было гораздо выше и вполне могло составлять те 3%, при которых в Окло на протяжении нескольких сотен тысяч лет поддерживалась ядерная реакция.

Геология Окло
Габонский реактор состоял из нескольких минерализованных зон, в которых соединения урана заключены в песчанике и конгломератах. Вероятно, уран поступал сюда из расположенных поблизости изверженных месторождений, растворялся в насыщенных кислородом поверхностных водах, после чего откладывался на окислительно-восстановительном фронте. Следовательно, мобилизация реактора могла произойти не раньше, чем в атмосфере Земли не накопилось столько свободного кислорода, сколько требовалось для оксигенации поверхностных вод (около 2 млрд. лет назад). Формация, к которой относятся эти залежи, возникла около 1,74 (+0,20) млрд. лет назад. В тот период относительная распространенность 235U составляла приблизительно 3%.

В этих залежах прослеживается стратификация. Они включены в песчаник, образующий основу франсвильской (осадочной) формации. Структура этих осадочных пород позволяет предположить, что они были нанесены в древней речной дельте. Основу формации составляет обломочный кварц с включениями полевого шпата, которые сцементированы вторичными силикатами, филлитами и органическими веществами (напоминающими асфальт). Урановая минерализация обеспечена в основном оксидами урана (уранинит, урановая смолка).

Мощность минерализованного слоя варьируется от 5 до 8 метров. В основной части месторождения Окло было найдено 16 подобных зон, а еще одна зона, которая когда-то была активна, обнаружена примерно в 20 километрах (реактор Бангомбе). Считается, что именно в этих зонах происходило формирование нефти, поэтому в ходе реакций с углеводородами не осталось ни грунтовых вод, ни кислорода. Оксид урана очень хорошо растворим в воде, насыщенной кислородом, а в бескислородной воде выпадает в осадок. Именно поэтому вблизи нефтяных месторождений сформировались реакторные зоны.

Поскольку Окло находился вблизи от речной дельты, поверх песчаника, перемешанного с урановыми рудами, стабильно проходил большой объем воды. Песчаник пропитывался водой, но не позволял ей растворять уран. Уран-235 продолжал расщепляться и поддерживать медленную ядерную реакцию, при этом вода выполняла роль замедлителя нейтронов, не позволяя реакции затухнуть.

Что из этого следует
Феномен Окло опроверг мнение Энрико Ферми и Петра Капицы о том, что естественным образом ядерный реактор возникнуть не может. Более того, анализ изотопного состава пород Окло дает немало информации для размышления – по поводу того, как образуются ядерные отходы, и как их можно хранить.

По расчетам, сделанным группой Алекса Мешика в 2004 году, реактор в Окло работал около 150 тысяч лет и успел выработать 5x1017 Дж энергии, что сопоставимо с результатом работы 40-ГВт атомной электростанции за четыре года. Вероятно, реактор включался примерно на полчаса, выделял тепло, вода расширялась – и кучность молекул в ней уменьшалась, в результате чего реактор выключался не менее чем на два с половиной часа, пока вода не остынет. Попутно Окло щедро облучал окружающие породы.

При этом Окло не только вырабатывал энергию, но и обогащал уран-238, порождая ту ветку изотопов, которая показана в нижней левой части рисунка 2: уран-238 → уран-239 → нептуний-239 → плутоний 239. Возможно, Окло успел выработать более 2 тонн плутония-239, но этого изотопа давно нет, поскольку период его полураспада составляет 24 000 лет.

Одним из наиболее интересных побочных продуктов его работы оказался ксенон. Концентрация изотопов ксенона в породах Окло оказалась выше, чем где бы то ни было в живой природе; кроме того, там были найдены экзотические изотопы 129Xe и 136Xe. 129Xe накапливается в результате распада радиоактивного иода 129I, а 136Xe относится к ряду распада плутония-244.

Период полураспада плутония-244 составляет около 122 миллионов лет, поэтому в настоящее время на Земле его уже не осталось, а вот период полураспада ксенона-136 - 2,165×1021 лет, что значительно превышает возраст Вселенной. Кроме того, поскольку ксенон является благородным газом, он не вступает в химические реакции и остается там, где образовался. В настоящее время некоторое количество тяжелых изотопов ксенона попало в атмосферу в результате работы человеческой атомной энергетики, но атмосферная концентрация ксенона-136, а также более радиоактивных ксенона-135 и криптона-85 все равно выше, чем можно было бы объяснить антропогенными факторами. Это позволяет предположить, что Окло был не единственным реактором в своем роде. Возможно, реликты таких реакторов еще предстоит открыть в Южной Америке (в тех ее районах, которые примыкали к современному Габону до раскола африканской и южноамериканской тектонических плит), а также в зоне восточноафриканского рифта.

В случае, если кроме Окло на нашей планете существовали иные подобные реакторы, это могло бы означать, что в некоторых регионах Земли естественный радиационный фон был сильно повышен именно на этапе зарождения жизни и запуска эволюции, сохранялся таким достаточно долго, чтобы повлиять на эволюцию. То, что осталось на месте Окло, позволяет заново взглянуть на подходы к захоронению ядерных отходов. Так, радиоактивный ксенон в Окло (образовавшийся как из урана, так и из радиоактивного йода) заперт в осадочных слоях, насыщенных алюминием, а радиоактивный цезий-137 был заперт атомами рутения и до сих пор практически не распространяется в окружающую среду.

Вопрос о том, могут ли на больших глубинах в мантии и по сей день существовать действующие ядерные реакторы естественного происхождения — оставлю открытым. Это неплохая тема для отдельной публикации, возможно, ее напишет кто-то из моих читателей.