Реактор естественного ядерного деления

Самоподдерживающиеся цепные ядерные реакции природного урана

Естественный ядерный реактор деления — это месторождение урана , где происходят самоподдерживающиеся цепные ядерные реакции . Идея ядерного реактора, существующего in situ внутри рудного тела, замедляемого грунтовыми водами, была кратко исследована Полом Куродой в 1956 году. ^[1] Существование потухшего или ископаемого ядерного реактора деления , где самоподдерживающиеся ядерные реакции происходили в прошлом, установлено путем анализа изотопных соотношений урана и продуктов деления (и стабильных дочерних нуклидов этих продуктов деления). Первый такой ископаемый реактор был впервые обнаружен в 1972 году в Окло , Габон исследователями из Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA), когда химики, осуществляющие контроль качества для французской ядерной промышленности, заметили резкое истощение делящихся 235Ув газообразном уране, полученном из габонской руды.

Окло — единственное место, где, как известно, произошло это явление, и состоит из 16 участков с участками рудных слоев размером с сантиметр . Там, как полагают, самоподдерживающиеся реакции ядерного деления имели место приблизительно 1,7 миллиарда лет назад, во время статерийского периода палеопротерозоя . Деление руды в Окло продолжалось с перерывами в течение нескольких сотен тысяч лет и, вероятно, никогда не превышало 100 кВт тепловой мощности. ^{[2] [3] [4]} Жизнь на Земле в то время состояла в основном из морских водорослей и первых эукариот , живущих в атмосфере с 2% кислорода . Однако даже этот скудный кислород, вероятно, был необходим для концентрации урана в делящихся рудных телах, поскольку уран растворяется в воде только в присутствии кислорода. До производства кислорода в планетарном масштабе ранними фотосинтезаторами, замедлителями которых были грунтовые воды, естественные ядерные реакторы, как полагают, были невозможны. ^[4]

Открытие ископаемых реакторов в Окло

В мае 1972 года на предприятии по обогащению урана Трикастин в Пьерлатте, Франция, рутинная масс-спектрометрия, сравнивающая образцы UF6 из шахты Окло _, показала расхождение в количестве235Уизотоп. Где обычные концентрации235Убыли 0,72%, образцы Окло показали только 0,60%. Это была существенная разница — образцы содержали на 17% меньше235Учем ожидалось. ^[5] Это несоответствие требовало объяснения, поскольку все гражданские объекты по работе с ураном должны тщательно учитывать все расщепляемые изотопы, чтобы гарантировать, что ни один из них не будет направлен на создание несанкционированного ядерного оружия . Кроме того, поскольку расщепляющийся материал является причиной добычи урана в первую очередь, недостающие 17% также имели прямую экономическую проблему.

Геологическая ситуация в Габоне, способствующая возникновению естественных ядерных реакторов деления

1. Зоны ядерных реакторов
2. Песчаник
3. Урановый рудный пласт
4. Гранит

Таким образом, Французская комиссия по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA) начала расследование. Серия измерений относительного содержания двух наиболее значимых изотопов урана, добываемого в Окло, показала аномальные результаты по сравнению с результатами, полученными для урана из других шахт. Дальнейшие исследования этого месторождения урана обнаружили урановую руду с²³⁵
У
концентрация всего 0,44% (почти на 40% ниже нормы). Последующее исследование изотопов продуктов деления, таких как неодим и рутений, также показало аномалии, которые более подробно описаны ниже. Однако след радиоизотопа ²³⁴
U не отклонялся значительно по своей концентрации от других природных образцов. Как обедненный уран , так и переработанный уран обычно имеют²³⁴
Концентрации U значительно отличаются от векового равновесия 55 ppm ²³⁴
U относительно²³⁸
U. Это связано с тем, что²³⁴
U обогащается вместе с²³⁵
U и из-за того, что он потребляется при захвате нейтронов и производится из²³⁵
U быстрыми нейтронами , вызванными (n,2n) реакциями в ядерных реакторах. В Окло любое возможное отклонение²³⁴
Концентрация U , имевшаяся во время работы реактора, давно бы исчезла.²³⁶
U также должен был присутствовать в более высоких, чем обычно, пропорциях во время работы реактора, но из-за его периода полураспада2,348 × 10 ⁷ лет, что почти на два порядка меньше времени, прошедшего с момента работы реактора, он распался примерно до1,4 × 10 ⁻²² его первоначальное значение и, таким образом, по сути, ничто и ниже любых возможностей обнаружения современным оборудованием.

Эта потеря в²³⁵
У
именно то, что происходит в ядерном реакторе. Возможным объяснением было то, что урановая руда действовала как естественный реактор деления в далеком геологическом прошлом. Другие наблюдения привели к такому же выводу, и 25 сентября 1972 года CEA объявила о своем открытии, что самоподдерживающиеся ядерные цепные реакции происходили на Земле около 2 миллиардов лет назад. Позже в этом регионе были обнаружены другие естественные ядерные реакторы деления. ^[4]

Изотопные сигнатуры продуктов деления

Изотопные сигнатуры природного неодима и продукта деления неодима из²³⁵
У
которые подверглись воздействию тепловых нейтронов.

неодимовый

Неодим, найденный в Окло, имеет другой изотопный состав, нежели природный неодим: последний содержит 27%¹⁴²
нд
, тогда как в Окло содержится менее 6%.¹⁴²
нд
не производится делением; руда содержит как полученный делением, так и природный неодим. Из этого¹⁴²
нд
содержание, мы можем вычесть природный неодим и получить доступ к изотопному составу неодима, полученного при делении²³⁵
У
. Два изотопа¹⁴³
нд
и¹⁴⁵
нд
привести к образованию¹⁴⁴
нд
и¹⁴⁶
нд
захватом нейтронов. Этот избыток должен быть скорректирован (см. выше), чтобы получить согласие между этим скорректированным изотопным составом и тем, который выведен из выходов деления.

Рутений

Изотопные сигнатуры природного рутения и продукта деления рутения из²³⁵
У
которые были подвергнуты воздействию тепловых нейтронов.¹⁰⁰
Мо
(чрезвычайно долгоживущий двойной бета-излучатель ) не успел распасться до¹⁰⁰
Ру
в количествах, превышающих следовые, за время, прошедшее с момента остановки реакторов.

Аналогичные исследования изотопных соотношений рутения в Окло обнаружили гораздо более высокий⁹⁹
Ру
концентрация, чем в естественных условиях (27–30% против 12,7%). Эта аномалия может быть объяснена распадом99Тск⁹⁹
Ру
. На гистограмме нормальная природная изотопная сигнатура рутения сравнивается с таковой для продукта деления рутения , который является результатом деления²³⁵
У
с тепловыми нейтронами. Рутений деления имеет другую изотопную сигнатуру. Уровень¹⁰⁰
Ру
в смеси продуктов деления низкая, поскольку деление производит изотопы, богатые нейтронами , которые впоследствии бета-распадаются и¹⁰⁰
Ру
будет производиться в заметных количествах только путем двойного бета-распада очень долгоживущего (период полураспада7,1 × 10 ¹⁸ лет) изотоп молибдена¹⁰⁰
Mo. В масштабе времени, когда реакторы работали, очень мало (около 0,17  ppb ) распадалось на¹⁰⁰
Ру
произойдет. Другие пути¹⁰⁰
Производство Ru , как захват нейтронов в⁹⁹
Ру или⁹⁹
Tc (с последующим быстрым бета-распадом) мог произойти только во время высокого потока нейтронов и, таким образом, прекратиться, когда остановилась цепная реакция деления.

Механизм

Естественный ядерный реактор в Окло образовался, когда богатое ураном месторождение полезных ископаемых было затоплено грунтовыми водами , которые могли действовать как замедлитель нейтронов, образующихся при ядерном делении. Произошла цепная реакция , вырабатывающая тепло, которое заставило грунтовые воды выкипеть; однако без замедлителя, который мог бы замедлить нейтроны, реакция замедлилась или остановилась. Таким образом, реактор имел отрицательный пустотный коэффициент реактивности, что использовалось в качестве механизма безопасности в рукотворных легководных реакторах . После охлаждения месторождения полезных ископаемых вода возвращалась, и реакция возобновлялась, завершая полный цикл каждые 3 часа. Циклы реакции деления продолжались сотни тысяч лет и закончились, когда постоянно уменьшающиеся делящиеся материалы в сочетании с накоплением нейтронных ядов больше не могли поддерживать цепную реакцию.

Деление урана обычно производит пять известных изотопов продукта деления газа ксенона ; все пять были обнаружены в остатках естественного реактора в различных концентрациях. Концентрации изотопов ксенона, обнаруженные в минеральных образованиях 2 миллиарда лет спустя, позволяют рассчитать конкретные временные интервалы работы реактора: приблизительно 30 минут критичности, за которыми следуют 2 часа и 30 минут охлаждения (экспоненциально уменьшающееся остаточное тепло распада ), чтобы завершить 3-часовой цикл. ^[6] Ксенон-135 является самым сильным известным нейтронным ядом. Однако он не производится напрямую в заметных количествах, а скорее как продукт распада йода-135 (или одного из его родительских нуклидов ). Сам ксенон-135 нестабилен и распадается на цезий-135 , если ему не позволить поглотить нейтроны. Хотя цезий-135 является относительно долгоживущим, весь цезий-135, произведенный реактором Окло, с тех пор распался до стабильного бария-135 . Между тем, ксенон-136, продукт захвата нейтронов в ксеноне-135, распадается крайне медленно посредством двойного бета-распада , и поэтому ученые смогли определить нейтронные характеристики этого реактора с помощью расчетов, основанных на этих изотопных соотношениях, почти через два миллиарда лет после того, как он прекратил делить уран.

Изменение содержания урана-235 в природном уране; 2 млрд лет назад содержание составляло 3,65%.

Ключевым фактором, сделавшим реакцию возможной, было то, что в то время, когда реактор достиг критического состояния 1,7 миллиарда лет назад, делящийся изотоп²³⁵
У
составил около 3,1% природного урана, что сопоставимо с количеством, используемым в некоторых современных реакторах. (Оставшиеся 96,9% были²³⁸
У
и примерно 55 частей на миллион²³⁴
U , ни один из которых не делится медленными или замедленными нейтронами.) Поскольку²³⁵
У
имеет более короткий период полураспада , чем²³⁸
У
, и, таким образом, распадается быстрее, текущее изобилие²³⁵
У
в природном уране составляет всего 0,72%. Поэтому природный ядерный реактор на Земле больше невозможен без тяжелой воды или графита . ^[7]

Месторождения урановой руды Окло являются единственными известными местами, где существовали естественные ядерные реакторы. Другие богатые урановые рудные тела также имели достаточно урана для поддержания ядерных реакций в то время, но сочетание урана, воды и физических условий, необходимых для поддержания цепной реакции, было уникальным, насколько известно в настоящее время, для рудных тел Окло. Также возможно, что когда-то работали и другие естественные ядерные реакторы деления, но с тех пор были геологически нарушены настолько, что стали неузнаваемыми, возможно, даже «разбавив» уран настолько, что изотопное соотношение больше не будет служить «отпечатком пальца». Только небольшая часть континентальной коры и ни одна часть океанической коры не достигает возраста месторождений в Окло или возраста, в течение которого изотопные соотношения природного урана позволили бы самоподдерживающуюся цепную реакцию с водой в качестве замедлителя.

Другим фактором, который, вероятно, способствовал началу естественного ядерного реактора в Окло 2 миллиарда лет назад, а не раньше, было увеличение содержания кислорода в атмосфере Земли . ^[4] Уран естественным образом присутствует в породах Земли, и обилие делящихся²³⁵
У
составляло не менее 3% или выше в любое время до запуска реактора. Уран растворяется в воде только в присутствии кислорода . ^{[ требуется ссылка ]} Таким образом, повышение уровня кислорода в процессе старения Земли могло привести к растворению урана и его переносу с грунтовыми водами в места, где могла накопиться достаточно высокая концентрация для формирования богатых урановых рудных тел. Без новой аэробной среды, доступной на Земле в то время, эти концентрации, вероятно, не могли бы иметь место.

Подсчитано, что ядерные реакции в уране в жилах размером от сантиметра до метра потребляли около пяти тонн²³⁵
У
и повышенные температуры до нескольких сотен градусов по Цельсию. ^{[4] [8]} Большинство нелетучих продуктов деления и актинидов переместились только на сантиметры в жилах за последние 2 миллиарда лет. ^[4] Исследования показали, что это полезный природный аналог для утилизации ядерных отходов. ^[9] Общий дефект массы от деления пяти тонн²³⁵
U составляет около 4,6 кг (10 фунтов). За время своего существования реактор произвел около 100 мегатонн тротила (420 ПДж) тепловой энергии, включая нейтрино . Если проигнорировать деление плутония (которое составляет примерно треть событий деления в ходе обычного выгорания в современных рукотворных легководных реакторах ), то выход продуктов деления составит примерно 129 килограммов (284 фунта) технеция-99 (после распада на рутений-99), 108 килограммов (238 фунтов) циркония-93 (после распада на ниобий -93), 198 килограммов (437 фунтов) цезия-135 (после распада на барий-135, но реальное значение, вероятно, ниже, поскольку его родительский нуклид, ксенон-135, является сильным нейтронным ядом и поглотит нейтроны, прежде чем распадется на¹³⁵
Сс
в некоторых случаях), 28 килограммов (62 фунта) палладия-107 (уже распавшегося на серебро), 86 килограммов (190 фунтов) стронция-90 (давно распавшегося на цирконий) и 185 килограммов (408 фунтов) цезия-137 (давно распавшегося на барий).

Связь с постоянной тонкой структуры атома

Природный реактор Окло использовался для проверки того, могла ли атомная постоянная тонкой структуры α измениться за последние 2 миллиарда лет. Это потому, что α влияет на скорость различных ядерных реакций. Например,¹⁴⁹
См
захватывает нейтрон, чтобы стать¹⁵⁰
См
, и поскольку скорость захвата нейтронов зависит от значения α , соотношение двух изотопов самария в образцах из Окло можно использовать для расчета значения α 2 миллиарда лет назад.

В нескольких исследованиях анализировались относительные концентрации радиоактивных изотопов, оставшихся в Окло, и большинство из них пришли к выводу, что ядерные реакции тогда были примерно такими же, как и сегодня, что подразумевает, что α также был таким же. ^{[10] [11] [12]}

Смотрите также

• Глубокое геологическое хранилище
• Геология Габона
• Мунана

Ссылки

1. Курода, П. К. (1956). «О ядерной физической стабильности урановых минералов» (PDF) . Журнал химической физики . 25 (4): 781–782, 1295–1296. Bibcode : 1956JChPh..25..781K. doi : 10.1063/1.1743058.
2. Meshik, AP (ноябрь 2005 г.). «Работа древнего ядерного реактора». Scientific American . 293 (5): 82–86, 88, 90–91. Bibcode : 2005SciAm.293e..82M. doi : 10.1038/scientificamerican1105-82. PMID  16318030.
3. Мервин, Эвелин (13 июля 2011 г.). «Ядерные реакторы природы: естественные реакторы деления возрастом 2 миллиарда лет в Габоне, Западная Африка». blogs.scientificamerican.com . Получено 7 июля 2017 г. .
4. Готье-Лафай, Ф.; Холлигер, П.; Бланк, П.-Л. (1996). «Естественные реакторы деления в бассейне Франсвиль, Габон: обзор условий и результатов «критического события» в геологической системе». Geochimica et Cosmochimica Acta . 60 (23): 4831–4852. Bibcode : 1996GeCoA..60.4831G. doi : 10.1016/S0016-7037(96)00245-1.
5. Дэвис, Э. Д.; Гулд, К. Р.; Шарапов, Э. И. (2014). «Реакторы Окло и их значение для ядерной науки». International Journal of Modern Physics E. 23 ( 4): 1430007–236. arXiv : 1404.4948 . Bibcode : 2014IJMPE..2330007D. doi : 10.1142/S0218301314300070. ISSN  0218-3013. S2CID  118394767.
6. Мешик, А. П. и др. (2004). «Отчет о циклической работе естественного ядерного реактора в районе Окло/Окелобондо в Габоне». Physical Review Letters . 93 (18): 182302. Bibcode : 2004PhRvL..93r2302M. doi : 10.1103/PhysRevLett.93.182302. PMID  15525157.
7. Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 1257. ISBN 978-0-08-037941-8.
8. De Laeter, JR; Rosman, KJR; Smith, CL (1980). «Природный реактор Окло: кумулятивные выходы деления и сохраняемость продуктов деления симметричной области масс». Earth and Planetary Science Letters . 50 (1): 238–246. Bibcode : 1980E&PSL..50..238D. doi : 10.1016/0012-821X(80)90135-1.
9. Готье-Лафай, Ф. (2002). «Природные аналоги для утилизации ядерных отходов возрастом 2 миллиарда лет: естественные ядерные реакторы деления в Габоне (Африка)». Comptes Rendus Physique . 3 (7–8): 839–849. Bibcode : 2002CRPhy...3..839G. doi : 10.1016/S1631-0705(02)01351-8.
10. New Scientist: Реактор Окло и значение тонкой структуры. 30 июня 2004 г.
11. Петров, Ю. В.; Назаров, А. И.; Онегин, М. С.; Сахновский, Э. Г. (2006). "Естественный ядерный реактор в Окло и вариация фундаментальных констант: Расчет нейтронной физики свежего ядра". Physical Review C. 74 ( 6): 064610. arXiv : hep-ph/0506186 . Bibcode : 2006PhRvC..74f4610P. doi : 10.1103/PHYSREVC.74.064610. S2CID  118272311.
12. Дэвис, Эдвард Д.; Хамдан, Лейла (2015). «Переоценка предела изменения α, подразумеваемого реакторами естественного деления Окло». Physical Review C. 92 ( 1): 014319. arXiv : 1503.06011 . Bibcode : 2015PhRvC..92a4319D. doi : 10.1103/physrevc.92.014319. S2CID  119227720.

Источники

• Бентриди, SE; Галл, Б.; Готье-Лафай, Ф.; Сегур, А.; Меджади, Д. (2011). «Génèse et évolution des Réacteurs Naturels d'Oklo» [Создание и эволюция природных ядерных реакторов Окло]. Comptes Rendus Geoscience (на французском языке). 343 (11–12): 738–748. Бибкод : 2011CRGeo.343..738B. doi :10.1016/j.crte.2011.09.008.

Внешние ссылки

• Естественный ядерный реактор в Окло: сравнение с современными ядерными реакторами, Radiation Information Network, апрель 2005 г.
• Окло Фоссил Реакторы
• Астрономическая картинка дня от NASA: NASA, Окло, ископаемый реактор, зона 15 (16 октября 2002 г.)
• הכור הגרעיני של הטבע (на иврите )