Естественный ядерный реактор деления - Natural nuclear fission reactor
Ископаемый естественный ядерный реактор деления - это месторождение урана, где произошли самоподдерживающиеся цепные ядерные реакции . Это можно проверить с помощью анализа изотопных соотношений . Условия, при которых мог существовать естественный ядерный реактор , были предсказаны в 1956 году Полом Кадзуо Курода . Явление было обнаружено в 1972 году в Окло , Габон , французским физиком Фрэнсисом Перреном в условиях, очень похожих на предсказанные.
Окло - единственное известное для этого место в мире и состоит из 16 участков с участками рудных пластов сантиметрового размера. Считается, что здесь самоподдерживающиеся реакции ядерного деления имели место примерно 1,7 миллиарда лет назад и длились несколько сотен тысяч лет, в среднем, вероятно, менее 100 кВт тепловой энергии за это время.
История
В мае 1972 г. на заводе по обогащению урана Tricastin в Пьерлатте, Франция, обычная масс-спектрометрия, сравнивающая образцы UF 6 с рудника Окло , расположенного в Габоне , показала несоответствие в количестве235
U
изотоп. Обычно концентрация составляет 0,72%, в то время как в этих образцах было только 0,60%, что является значительной разницей. Это несоответствие требовало объяснения, поскольку все гражданские предприятия по обращению с ураном должны тщательно учитывать все делящиеся изотопы, чтобы гарантировать, что ни один из них не будет перенаправлен на создание ядерного оружия . Таким образом, Французский комиссариат по атомной энергии (CEA) начал расследование. Серия измерений относительного содержания двух наиболее важных изотопов урана, добываемого в Окло, показала аномальные результаты по сравнению с результатами, полученными для урана из других рудников. Дальнейшие исследования этого уранового месторождения обнаружили урановую руду с235
U
концентрация всего 0,44%. Последующее исследование изотопов продуктов деления, таких как неодим и рутений, также показало аномалии, как более подробно описано ниже.
Эта потеря в 235
U
это именно то, что происходит в ядерном реакторе. Возможное объяснение состояло в том, что урановая руда работала как естественный реактор деления. Другие наблюдения привели к такому же выводу, и 25 сентября 1972 года CEA объявило о своем открытии, что самоподдерживающиеся ядерные цепные реакции произошли на Земле около 2 миллиардов лет назад. Позже в этом районе были обнаружены и другие природные реакторы ядерного деления.
Изотопные сигнатуры продуктов деления
Неодим
Неодим и другие элементы были обнаружены с изотопным составом, отличным от того, что обычно встречается на Земле. Например, Окло содержало менее 6%142
Nd
изотоп, в то время как природный неодим содержит 27%; однако Окло содержал больше143
Nd
изотоп. Если вычесть естественное изотопное содержание Nd из Oklo-Nd, изотопный состав соответствовал составу, полученному при делении235
U
.
Рутений
Аналогичные исследования изотопных отношений рутения в Окло показали, что99
RU
концентрации, чем обычно встречающиеся в природе (27–30% против 12,7%). Эту аномалию можно объяснить распадом99
Tc
к 99
RU
. В гистограмме нормальная природная изотопная подпись рутении сравниваются с таковым для продукта деления рутения , который является результатом деления из235
U
с тепловыми нейтронами. Ясно, что рутений деления имеет другую изотопную сигнатуру. Уровень100
RU
в смеси продуктов деления низкий из-за долгоживущего (период полураспада = 10 19 лет) изотопа молибдена . В масштабе времени, когда реакторы работали, очень мало распада до100
RU
произойдет.
Механизм
Природный ядерный реактор образовался, когда месторождение богатых ураном полезных ископаемых было затоплено грунтовыми водами , которые могли действовать как замедлитель нейтронов, образующихся при ядерном делении. Произошла цепная реакция с выделением тепла, которое вызвало выкипание грунтовых вод; однако без замедлителя, который мог бы замедлить нейтроны, реакция замедлялась или прекращалась. После охлаждения минерального отложения вода возвращалась, и реакция возобновлялась, выполняя полный цикл каждые 3 часа. Циклы реакции деления продолжались сотни тысяч лет и закончились, когда постоянно уменьшающиеся делящиеся материалы больше не могли выдерживать цепную реакцию.
При делении урана обычно образуются пять известных изотопов газообразного продукта деления ксенона ; все пятеро были обнаружены в остатках природного реактора в различных концентрациях. Концентрации изотопов ксенона, обнаруженных в минеральных образованиях 2 миллиарда лет спустя, позволяют рассчитать конкретные временные интервалы работы реактора: примерно 30 минут критичности, затем 2 часа 30 минут охлаждения для завершения 3-часового периода. цикл.
Ключевым фактором, который сделал реакцию возможной, было то, что в то время, когда реактор стал критическим 1,7 миллиарда лет назад, делящийся изотоп235
U
составляет около 3,1% природного урана, что сопоставимо с количеством, используемым в некоторых современных реакторах. (Остальные 96,9% были неделящимися238
U
.) Потому что 235
U
имеет более короткий период полураспада, чем238
U
, и, таким образом, уменьшается быстрее, текущее содержание 235
U
в природном уране составляет около 0,70–0,72%. Поэтому естественный ядерный реактор на Земле больше невозможен без тяжелой воды или графита .
Месторождения урановых руд Окло - единственные известные участки, на которых существовали природные 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. .
Еще одним фактором, который, вероятно, способствовал запуску природного ядерного реактора в Окло через 2 миллиарда лет, а не раньше, было увеличение содержания кислорода в атмосфере Земли . Уран естественным образом присутствует в земных породах, и изобилие делящихся235
U
всегда до запуска реактора составляла не менее 3% или выше. Уран растворим в воде только в присутствии кислорода . Следовательно, повышение уровня кислорода во время старения Земли, возможно, позволило урану раствориться и транспортироваться с грунтовыми водами в места, где может накапливаться достаточно высокая концентрация для образования богатых урановых рудных тел. Без новой аэробной среды, существовавшей на Земле в то время, эти концентрации, вероятно, не могли бы иметь место.
Подсчитано, что ядерные реакции в уране в жилах от сантиметров до метра потребляли около пяти тонн 235
U
и повышение температуры до нескольких сотен градусов по Цельсию. Большинство нелетучих продуктов деления и актинидов за последние 2 миллиарда лет переместились в жилах только на сантиметр. Исследования показали, что это полезный природный аналог для захоронения ядерных отходов.
Связь с постоянной тонкой структуры атома
Природный реактор Окло использовался, чтобы проверить, могла ли постоянная тонкой структуры атома α измениться за последние 2 миллиарда лет. Это потому, что α влияет на скорость различных ядерных реакций. Например,149
См
захватывает нейтрон, чтобы стать 150
См
, а поскольку скорость захвата нейтронов зависит от значения α, соотношение двух изотопов самария в образцах из Окло можно использовать для расчета значения α, полученного 2 миллиарда лет назад.
В нескольких исследованиях были проанализированы относительные концентрации радиоактивных изотопов, оставшихся в Окло, и большинство из них пришли к выводу, что тогда ядерные реакции были такими же, как и сегодня, а это означает, что α был таким же.
Смотрите также
использованная литература
- Bentridi, SE; Gall, B .; Gauthier-Lafaye, F .; Сегур, А .; Меджади, Д. (2011). "Génèse et évolution des réacteurs naturels d'Oklo" [Начало и развитие естественных ядерных реакторов Окло]. Comptes Rendus Geoscience (на французском языке). 343 (11–12): 738–748. Bibcode : 2011CRGeo.343..738B . DOI : 10.1016 / j.crte.2011.09.008 .