Геологічний розріз природного ядерного реактора Окло
1. Зони поділу
2. Пісковик
3. Шар уранової руди
4. Граніт
Природний ядерний реактор в Окло - кілька рудних тіл в урановому родовищі Окло в Габоні. в яких близько 1,8 млрд років тому [1] відбувалася мимовільна ланцюгова реакція поділу ядер урану. В даний час реакція припинилася через виснаження запасів ізотопу 235 U підходящої концентрації.
Феномен був виявлений французьким фізиком Франсисом Перреном (фр.) Рос. в 1972 році в результаті вивчення ізотопного складу елементів в рудах родовища Окло. Природні умови, при яких можливе протікання реакції, що самопідтримується ядерного ділення, передбачені Полом Кадзуо Курода (англ. Paul Kazuo Kuroda) в 1956 році [2] і виявилися близькими до реальності.
Окло - єдиний відомий на Землі природний ядерний реактор. Ланцюгова реакція почалася тут близько 2 млрд. Років тому і тривала протягом декількох сотень тисяч років. Середня теплова потужність реактора становила близько 100 кВт [3] [4].
Продукти ядерного ділення
Неодім є одним з елементів, ізотопний склад якого в Окло аномальний в порівнянні з іншими територіями. Наприклад, природний неодим містить 27% ізотопу 142 Nd, тоді як в Окло він становить лише 6%. У той же час руди Окло містили більше ізотопу 143 Nd. Такий ізотопний склад характерний для продуктів розпаду 235 U.
Схожі аномалії ізотопного складу в Окло спостерігаються для рутенію. Ізотоп 99 Ru виявляється у великих кількостях, ніж в природних умовах (27-30% замість 12,7%). Аномалію можна пояснити розпадом 99 Tc → 99 Ru. Ізотоп 100 Ru виявляється в менших кількостях, так як він виходить в результаті надзвичайно повільного розпаду 100 Mo → 100 Ru, який з часу існування ланцюгової реакції не встиг накопичити достатньої кількості продуктів.
Ізотопний склад неодиму в природному середовищі і в продуктах розпаду 235 U
Ізотопний склад рутенію в природному середовищі і в продуктах розпаду 235 U
механізм утворення
Реактор виник в результаті затоплення пористих багатих ураном порід грунтовими водами, які виступили в якості сповільнювачів нейтронів. Тепло, що виділяється в результаті реакції, викликало кипіння і випаровування води, що уповільнювало або зупиняло ланцюгову реакцію. Після того, як порода охолоджувалася і розпадалися короткоживучі продукти розпаду (нейтронні отрути), вода конденсувалась, і реакція поновлювалася. Цей циклічний процес тривав кілька сот тисяч років.
При розподілі урану серед продуктів поділу утворюються п'ять ізотопів ксенону. Всі п'ять ізотопів в варіюються концентраціях були виявлені в породах природного реактора. Ізотопний склад виділеного з порід ксенону дозволяє розрахувати, що типовий цикл роботи реактора становив близько 3 год: близько 30 хвилин критичності і 2 години 30 хвилин охолодження [5].
Уранове родовище Окло - єдине відоме місце, де існував природний ядерний реактор. Інші багаті уранові рудні тіла теж мали достатню кількість урану для самопідтримуваної ланцюгової реакції поділу в той час, але комбінація фізичних умов в Окло (зокрема, наявність води як сповільнювач нейтронів, і ін.) Була унікальною.
Ще одним фактором, який, ймовірно, сприяв початку реакції в Окло саме 2 млрд років тому, а не раніше, було зростання вмісту кисню в атмосфері Землі [4]. Уран добре розчиняється в воді лише в присутності кисню, тому в земній корі перенесення і концентрація урану підземними водами, що формують багаті рудні тіла, стали можливими лише після досягнення достатнього вмісту вільного кисню.
За оцінкою, в реакціях ділення, що проходили в уранових мінеральних утвореннях розміром від сантиметрів до метрів, вигоріло близько 5 тонн урану-235. Температури в реакторі піднімалися до декількох сотень градусів Цельсія. Більшість нелетких продуктів поділу та актиноїдів за минулі 2 млрд років дифундувати лише на сантиметри [4]. Це дозволяє досліджувати перенесення радіоактивних ізотопів в земній корі [6].
Зв'язок з постійної тонкої структури
Дослідження природного реактора в Окло були використані для перевірки варіації фундаментальної фізичної константи - постійної тонкої структури α - протягом останніх 2 млрд років. Мале зміна α викликало б суттєва зміна швидкості деяких ядерних реакцій. Зокрема, резонансний захоплення теплового нейтрона ядром 149 Sm з утворенням 150 Sm перестає бути можливим вже при невеликій зміні α. Вимірювання відносного змісту 149 Sm / 150 Sm в мінералах Окло дозволило встановити, що в межах експериментальної похибки значення постійної тонкої структури було тим же, що і в наш час [7] [8].