На Землі 2 млрд років тому з'явився перший ядерний реактор: хто його побудував

Фізик Франсіс Перрен вивчав шматок уранової руди на заводі з переробки ядерного палива у Франції. Уран із шахти в африканській Габоні приховував секрет, який кинув виклик усьому, що вчені знали про природний уран.

Про це пише ZME Science.

Зазвичай уран має незмінне співвідношення ізотопів: уран-238, уран-234 і жаданий уран-235. У земній корі співвідношення урану-235 стабільно становить 0,720%. У цей же час, зразок із Габону містив лише 0,717%. На перший погляд різниця не надто велика, але її було достатньо, щоб спантеличити вчених. Було очевидним, що уран зазнав поділу, але як таке могло статися з природним зразком?

Подальші дослідження піднесли ще більше сюрпризів. Деякі зразки урану з регіону Окло в Габоні мали співвідношення урану-235 ще нижче — до 0,4%. Такі показники явно були чимось більшим, ніж проста статистична випадковість. Щось глибоко під поверхнею землі змінило руду.

Подальший аналіз показав, що уран зазнав поділу, того ж процесу, який відбувається в ядерних реакторах. Але цей процес не був результатом людської діяльності або інопланетян. Усі докази вказували на подію, що сталася на Землі 2 млрд років тому.

Усе вказувало на те, що природа самостійно створила перший ядерний реактор на планеті.

Перрен і його команда підтвердили, що це природний зразок урану, який пройшов через термоядерний синтез ще тоді, коли Земля була молодою.

Відомо, що ядерні реактори, збудовані людиною, ретельно контролюють ланцюгову реакцію, в якій атоми урану-235 розщеплюються нейтронами, вивільняючи енергію і більше нейтронів. Останні, зрештою, розщеплюються на додаткові атоми. Щоб підтримувати цю реакцію, необхідний збагачений уран, у якому концентрація урану-235 збільшується.

Для створення таких реакторів знадобилися передові технології, точна інженерія і суворі протоколи безпеки. Здається, що це зовсім не той процес, який міг би спонтанно виникнути в природі. Проте в Окло мільярди років тому в природі спонтанно склалися правильні умови для підтримки контрольованої реакції поділу. Йдеться про певне поєднання концентрації урану, води та геологічної стабільності.

Як з'явився природний реактор

Ще 1956 року хімік Пол Курода припустив, що за певних обставин у природі можуть спонтанно утворюватися природні реактори поділу. Тоді робота вченого не привернула особливого інтересу, і мало хто сподівався знайти щось подібне в природі.

Згідно з підрахунками хіміка, глибина родовища урану має становити щонайменше 0,66 метра для підтримання природної реакції ядерного поділу. Більш дрібні родовища не змогли б досягти критичної маси. Тоді в родовищі має бути достатньо урану-235.

На Землі 2 млрд років тому уран-235 був більш поширеним, ніж у наші дні. Тоді на його частку припадало близько 3% природного урану — аналогічно збагаченому урану, що використовується в сучасних ядерних реакторах.

Як і в рукотворних реакторах, процес потребував сповільнювача, щоб загальмувати нейтрони і зробити розподіл більш імовірним. В Окло вирішальну роль зіграли ґрунтові води, вони сповільнили нейтрони, сприяючи стійкій ланцюговій реакції.

"Як і в штучному легководному ядерному реакторі, реакції ділення, без будь-чого, що уповільнює нейтрони, просто зупиняються. Вода діяла в Окло як сповільнювач, поглинаючи нейтрони, контролюючи ланцюгову реакцію", — каже керівник групи, що відповідає за виробництво урану в Міжнародній асоціації з атомної енергії Пітер Вудс.

Розподіл могли зупинити такі елементи, як бор або літій, але в Окло такі "забруднювачі" були відсутні.

Природний реактор перезапускався

За словами вчених, стародавній природний реактор в Окло не працював безперервно, а скоріше циклічно. У міру того, як ґрунтові води просочувалися в уранові родовища, вони сповільнювали нейтрони, що призводило до поділу. Під час реакції вода нагрівалася і випаровувалася у вигляді пари, а без води реакція припинялася.

"Ось що робить це таким захопливим: обставини часу, геології, води зійшлися разом, щоб це взагалі сталося", — підкреслює Вудс.

Коли ж уранове родовище остигало, в нього починала знову просочуватися вода, і реакція починалася знову. Весь процес повторювався протягом сотень тисяч років.

"За цей час було вироблено близько 15 тис. мегават-рік енергії, що можна порівняти з роботою реактора потужністю 1500 МВт протягом десяти років", — додають науковці.

Зрештою, природний реактор зупинився, оскільки з часом уран-235 поступово витрачався, скорочуючи запас палива нижче критичного порогу, необхідного для підтримки поділу.

Нагадаємо, китайські вчені здійснили прорив у ядерній енергетиці. Вперше в історії вчені в Китаї заправили експериментальний ядерний реактор, не зупиняючи його. Цей прорив прокладає шлях до переходу на більш ефективні ядерні реактори, які не забруднюють навколишнє середовище.