Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Геологическая ситуация в Габоне, ведущая к естественным ядерным реакторам деления
  1. Зоны ядерных реакторов
  2. Песчаник
  3. Слой урановой руды
  4. Гранит

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 . [1] Явление было обнаружено в 1972 году в Окло , Габон , французским физиком Фрэнсисом Перреном в условиях, очень похожих на предсказанные.

Окло - единственное известное место для этого в мире и состоит из 16 участков, в которых, как считается, происходили самоподдерживающиеся реакции ядерного деления примерно 1,7 миллиарда лет назад и протекали в течение нескольких сотен тысяч лет, в среднем, вероятно, менее 100 лет. кВт тепловой мощности за это время. [2] [3] [4]

История [ править ]

В мае 1972 года 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. [5] 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 [ править ]

Изотопные сигнатуры природного неодима и неодима продуктов деления из 235
U
 которые подверглись воздействию тепловых нейтронов.

Неодим [ править ]

Неодим и другие элементы были обнаружены с изотопным составом, отличным от того, что обычно встречается на Земле. Например, Окло содержало менее 6%142Ndизотоп, в то время как природный неодим содержит 27%; однако Окло содержал больше143
Nd
изотоп. Если вычесть естественное содержание изотопов Nd из Oklo-Nd, изотопный состав соответствовал составу, полученному при делении235
U
.

Рутений [ править ]

Изотопные сигнатуры природного рутения и продукта деления рутения из 235
U
которые подверглись воздействию тепловых нейтронов. В100
Пн
 (долгоживущий двойной бета-излучатель) не успел распасться до 100
RU
 за время, прошедшее с момента прекращения работы реакторов.

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 [ править ]

Естественный ядерный реактор образовался, когда месторождение богатых ураном полезных ископаемых было затоплено грунтовыми водами, которые действовали как замедлитель нейтронов , и произошла цепная ядерная реакция . Тепло, образовавшееся в результате ядерного деления, привело к выкипанию грунтовых вод, что замедлило или остановило реакцию. 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. [6]

Ключевым фактором, сделавшим возможной реакцию, 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 . [7]

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 . [4] Уран естественным образом присутствует в земных породах, и большое количество делящихся235
U
до запуска реактора всегда 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. [4] [8] Большинство нелетучих продуктов деления и актинидов за последние 2 миллиарда лет переместились в жилах только на сантиметры. [4] Исследования показали, что это полезный природный аналог утилизации ядерных отходов. [9]

Связь с атомной постоянной тонкой структуры [ править ]

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,149См 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. [10] [11] [12]

См. Также [ править ]

  • Глубокое геологическое хранилище
  • Mounana

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Kuroda, PK (1956). «О ядерно-физической устойчивости урановых минералов». Журнал химической физики . 25 (4): 781–782, 1295–1296. Bibcode : 1956JChPh..25..781K . DOI : 10.1063 / 1.1743058 .
  2. ^ Мешик, AP (ноябрь 2005). «Работа древнего ядерного реактора» . Scientific American . 293 (5): 82–6, 88, 90–1. Bibcode : 2005SciAm.293e..82M . DOI : 10.1038 / Scientificamerican1105-82 . PMID 16318030 . 
  3. ^ Mervine, Эвелин (13 июля 2011). «Природные ядерные реакторы: естественные реакторы деления, которым 2 миллиарда лет, в Габоне, Западная Африка» . blogs.scientificamerican.com . Проверено 7 июля 2017 года .
  4. ^ a b c d Gauthier-Lafaye, F .; Holliger, P .; Блан, П.-Л. (1996). «Реакторы естественного деления в бассейне Франсвиль, Габон: обзор условий и результатов« критического события »в геологической системе». Geochimica et Cosmochimica Acta . 60 (25): 4831–4852. Bibcode : 1996GeCoA..60.4831G . DOI : 10.1016 / S0016-7037 (96) 00245-1 .
  5. ^ Дэвис, ED; Гулд, CR; Шарапов, Е.И. (2014). «Реакторы Окло и их значение для ядерной науки». Международный журнал современной физики E . 23 (4): 1430007–236. arXiv : 1404,4948 . Bibcode : 2014IJMPE..2330007D . DOI : 10.1142 / S0218301314300070 . ISSN 0218-3013 . S2CID 118394767 .  
  6. ^ Мешик, AP; и другие. (2004). «Отчет о циклической эксплуатации природного ядерного реактора в районе Окло / Окелобондо в Габоне». Письма с физическим обзором . 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 . п. 1257. ISBN 978-0-08-037941-8.
  8. ^ Де Лаэтер, младший; Росман, KJR; Смит, CL (1980). "Природный реактор Окло: кумулятивные выходы деления и удерживающая способность продуктов деления в области симметричной массы". Письма о Земле и планетах . 50 (1): 238–246. Bibcode : 1980E и PSL..50..238D . DOI : 10.1016 / 0012-821X (80) 90135-1 .
  9. ^ Готье-Lafaye, F. (2002). «Природные аналоги для захоронения 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. ^ Новый ученый: Реактор Окло и значение тонкой структуры. 30 июня 2004 г.
  11. ^ Петров, Ю. V .; Назаров А.И.; Онегин, М.С. Сахновский, Э.Г. (2006). «Естественный ядерный реактор в Окло и изменение фундаментальных констант: расчет нейтронно-физических свойств свежей активной зоны». 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, предполагаемого естественными реакторами деления в Окло». Physical Review C . 92 (1): 014319. arXiv : 1503.06011 . Bibcode : 2015PhRvC..92a4319D . DOI : 10.1103 / physrevc.92.014319 . S2CID 119227720 . 
  • 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 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Естественный ядерный реактор в Окло: сравнение с современными ядерными реакторами, Radiation Information Network, апрель 2005 г.
  • Ископаемые реакторы Oklo
  • НАСА Astronomy Picture of the Day: НАСА, Окло, ископаемый реактор, зона 15 (16 октября 2002 г.)