Как работал древний ядерный реактор возрастом около 2-х миллиардов лет
По итогам Второй мировой войны Франция, вернула себе статус великой державы (потерянный в ее ходе), но это было довольно-таки условное возвращение. Даже Англия к концу Второй мировой войны превратилась в младшего партнера по коалиции с США, что уж говорить про Францию. Официальному Парижу для более полного восстановления статуса требовалось войти в клуб ядерных держав, да и перспективы атомной энергетики оказались весьма перспективны для государства.
Но для атомного оружия и энергетики требуется уран, во Франции он имеется, но уран такая вещь, что много его не бывает. Французы занимались изысканием этого вещества не только на территории метрополии, но и в колониях. И поиски в Габоне завершились успехом. Первое предприятие по добычи урана заработало в 1956 году, когда Габон был еще французской колонией. Основным заказчиком радиоактивного металла и стала Франция, еще немало его поступило на реакторы Японии.
Гром грянул в мае 1972 года. В земной коре в урановых рудах имеются 3 изотопа урана — U-234, U-235 и U-238. По всей планете эти изотопы в урановой руде распространены равномерно — на долю первого приходится 0,006% всего урана, на второй и третий 0,72% и 99,274% соответственно, отклонений быть не может. Для поддержания цепной ядерной реакции подходят только U-235 и U-238, причем практически всегда в промышленности и оружейном деле используется первый из этих изотопов.
Но для поддержания цепной ядерной реакции в природной урановой руде концентрация урана-235 слишком мала. Приходится проводить обогащение. В обычных ядерных реакторах применяется урановая руда с концентрацией 3-5% U-235, а в атомных бомбах его концентрация достигает уже 90%.
В мае 1972 года на фабрике обогащения урана во французском Пьерлате проводилась стандартная масс-спектрометрия гексафторида урана UF6, поставленного из месторождения урана в габонском Окло. Неожиданно специалисты обратили внимание, что вместо привычных 0,72% концентрация U-235 составляет 0,717%. Казалось разница невелика, но быть ее не могло, разве что часть U-235 была непостижимым образом украдена из исходной руды. Непонятное расхождение требовало объяснения, поскольку движение урана строго контролировалось с целью недопущения использования его террористами или странами-изгоями для производства оружия.
За дело взялся французский комиссариат атомной энергетики, который проверил концентрацию урана в габонских шахтах. В некоторых из них концентрация урана-235 оказалась ниже нормы, причем в одной из шахт она составляла всего 0,44%. Зато было отмечено ненормально большое содержание изотопа неодима-143. Для людей далеких от атомной энергетики пониженная, по сравнению с природной, концентрация урана-235 и повышенная неодима-143 ничего не скажут, а вот специалисты сразу отметят, что подобное происходит в результате цепной реакции в ядерном реакторе.
Из курса школьной физики всем выпускникам должно быть известно, что радиоактивные элементы имеют период полураспада. Так U-235 имеет период полураспада порядка 700 млн лет. А вот у гораздо более стабильного U-238 период полураспада примерно 4,5 млрд лет. Несложно понять, что в прошлом концентрация урана-235 была в руде повыше. 2 млрд лет назад эта концентрация достигала 3,7% (а этого уже хватает для самоподдерживающейся цепной реакции), а 3 млрд лет она составляла и вовсе 8,4%.
Еще в 1956 году Пол Кодзуо Курода вывел теоретические условия, при которых в природе может возникнуть самоподдерживающаяся цепная реакция. Исследования проведенные Франсисом Перреном в 1972 году показало, что в урановом месторождении Окло в Габоне условия вполне соответствовали описанным Куродой, и в этом районе действительно функционировал природный ядерный реактор, правда было это примерно 1,8 млрд лет тому назад. В ходе дальнейших исследований в 1972 году французский физик Франсис Перрен обнаружил 17 мест на 3-х рудных месторождениях рудников Окло в Габоне, где в далеком прошлом протекала самопроизвольная цепная реакция, правда, разной интенсивности. Сейчас все эти места объединены одним названием "Природный ядерный реактор Окло".
Механизм работы реактора был примерно следующим — богатые ураном пористые породы заливались водой содержащейся в грунте, вода выступала в качестве замедлителя нейтронов, начиналась цепная реакция (концентрации урана-235 в то время хватало для возникновения цепной ядерной реакции). Спустя примерно полчаса работы, из-за выделившегося тепла вода испарялась, замедлитель нейтронов исчезал, цепная ядерная реакция прерывалась. Затем, где-то примерно 2,5 часа природный реактор остывал, снова набиралась вода, и цикл повторялся.
Мощность, вырабатываемая таким образом была невелика — всего в районе 100 кВт, но этого достаточно для того, чтобы называть природное явление ядерным реактором. Как полагают ученые, самопроизвольная цепная реакция в Окло протекала на протяжении нескольких сотен тысяч лет.
Считается что за время функционирования этой «ядерной печки» выгорело около 5 тонн U-235, а выделявшееся тепло во время активной фазы разогревало породу до несколько сотен градусов по Цельсию. В те давние годы были разные места на планете, где концентрация урана-235 позволяла протекать самоподдерживающейся цепной реакции, но подходящие условия (пористая породы, грунтовые воды и прочее) сложились только в Окло, который и стал единственным обнаруженным природным ядерным реакторном за все время существования планеты Земля. Сейчас на нашей планете из-за низкой концентрации урана-235 появление природных ядерных реакторов невозможно.