В мае 1972 года плановая проверка урана на французском предприятии по переработке ядерного топлива дала необычный результат. В материале отсутствовала небольшая часть изотопа урана-235. Сначала это могло показаться погрешностью измерения, однако повторные исследования подтвердили аномалию.
Происхождение сырья привело учёных к месторождению Окло в Габоне. Выяснилось, что задолго до появления человечества здесь происходили самоподдерживающиеся цепные реакции деления ядер. Геология, вода и состав руды создали условия, которые люди научились воспроизводить лишь в XX веке.
Природные реакторы
Слово «реактор» обычно ассоциируется со сложным сооружением, системами охлаждения и операторами. Однако физический процесс, на котором основана его работа, не требует обязательного вмешательства человека. При определенных условиях нейтроны, высвобождающиеся при делении одного ядра, могут вызывать деление последующих ядер и поддерживать реакцию.
Еще до открытия Окло ученые предполагали, что такие условия могли возникать в древних урановых месторождениях. В 1953 году эту возможность рассматривали Джордж Ветерилл и Марк Ингрэм. Через три года химик Пол Курода описал условия, при которых природное месторождение могло вести себя как реактор.
Долгое время эта идея оставалась теоретической. Необходимо было найти породы, которые не только пережили миллиарды лет геологических изменений, но и сохранили достаточно отчетливые следы древних ядерных процессов. Именно руда из Габона стала таким свидетельством.
Сложные условия
Одного лишь наличия урана недостаточно. Его концентрация, размеры месторождения и окружающая среда должны позволять нейтронам вызывать новые реакции деления, прежде чем они покинут зону реакции или будут поглощены другими веществами.
Важное значение имеет и соотношение изотопов. Сегодня природный уран состоит преимущественно из урана-238, тогда как доля урана-235 составляет примерно 0,72 %. Именно последний особенно важен для поддержания реакции с участием медленных нейтронов.
В далеком прошлом его доля была больше. Период полураспада урана-235 составляет около 704 миллионов лет, а урана-238 — примерно 4,5 миллиарда. Поэтому первый изотоп исчезает быстрее, а их соотношение со временем меняется. Около двух миллиардов лет назад природный уран содержал несколько процентов урана-235.
Еще одним условием был замедлитель нейтронов. В «Окло» эту роль выполняла вода, проникавшая в породы. Она снижала скорость нейтронов, повышая вероятность деления последующих атомов урана-235.
В то же время в месторождении не должно было быть слишком много примесей, способных поглощать нейтроны и прерывать цепную реакцию. Таким образом, для естественного реактора требовалось редкое стечение нескольких обстоятельств, а не просто богатое урановое месторождение.
Неожиданные результаты
В образце, привлекшем внимание французских специалистов, доля урана-235 составляла около 0,717% вместо ожидаемых 0,720%. Разница составляла всего три тысячных процентного пункта, однако для анализа ядерного сырья этого было достаточно, чтобы начать проверку.
Как поясняет Международное агентство по атомной энергии, поначалу необычный состав мог наводить на мысль, что материал уже подвергся искусственному делению. Однако исследования подтвердили его природное происхождение.
Решающим доказательством стало не только отсутствие урана-235. В породах обнаружили характерные продукты деления и необычные соотношения изотопов других элементов. В совокупности эти признаки указывали на процессы, подобные тем, которые происходят в ядерном топливе во время работы реактора.
Часть урана-235 была израсходована в древних цепных реакциях. Именно поэтому его современное содержание отличалось от обычного. Порода фактически сохранила химическую запись своей ядерной истории.
Дальнейшее изучение региона показало, что речь идет не об одном изолированном участке. Исследователи обнаружили как минимум 16 реакторных зон. Это были отдельные очаги в недрах, где соответствующее сочетание руды и воды позволяло поддерживать деление ядер.
Сложный процесс, который удивил учёных
Предпосылки для появления Окло сформировались задолго до начала реакций. Увеличение количества кислорода в атмосфере изменило химический состав земной поверхности. Уран мог переходить в растворимые формы, переноситься водой и вновь осаждаться там, где геохимические условия способствовали его накоплению.
Так постепенно образовались достаточно концентрированные залежи. Вода, проникавшая в них, стала не только участницей геологического процесса, но и естественным регулятором реактора.
Когда цепная реакция усиливалась, выделялось тепло. Оно нагревало воду и превращало её в пар. Из-за уменьшения количества жидкой воды нейтроны замедлялись хуже, и реакция затухала. После охлаждения и возвращения воды условия для деления могли восстанавливаться.
Такой механизм позволял системе работать циклически. В исследовании, опубликованном Американским физическим обществом, анализ одной из реакторных зон показал, что период активности длился примерно 30 минут, после чего наступала пауза продолжительностью около 2,5 часа. Эти цифры представляют собой реконструкцию на основе сохранившихся следов, а не универсальное расписание всех зон Окло.
Восстановить ритм помогли изотопы ксенона — газа, связанного с продуктами распада. Различные цепочки радиоактивных превращений образуют его изотопы за разное время. Их соотношение в минералах позволило исследователям проследить чередование активных и спокойных периодов.
Часть этих газов сохранилась в минеральных зернах в течение огромного промежутка времени. Благодаря этому ученые получили возможность исследовать не только сам факт древнего расщепления, но и особенности работы природного реактора.
Неожиданное разделение
Окло не мог работать бесконечно. Постепенное истощение материала, пригодного для разделения, изменяло состав руды. В конце концов условия переставали обеспечивать самоподдерживающуюся реакцию, и природные очаги угасали.
В ходе этого процесса происходили и другие превращения. Часть нейтронов поглощалась ураном-238, после чего в результате последовательности радиоактивных распадов образовывался плутоний-239. Он также мог участвовать в делении. До наших дней древний плутоний не сохранился, однако последствия его образования учитываются при восстановлении истории месторождения.
Работа природных реакторов продолжалась десятки и сотни тысяч лет. Оценки их мощности достигают порядка 100 кВт — это несравнимо меньше, чем у современных энергетических реакторов. Речь идет о выделении тепла: электроэнергии Окло, разумеется, не производил.
Подобные системы могли существовать и в других местах. Но древние породы разрушаются, изменяются и исчезают под воздействием тектонических процессов и эрозии. Особенность Окло заключается не только в том, что природа запустила ядерные реакции, но и в том, что их следы сохранились на протяжении почти двух миллиардов лет и остались доступными для исследования.
