Просмотр кода страницы Природный ядерный реактор в Окло

{{ПозКарта+|Габон|width=200|float=right|caption=Окло|places=
{{ПозКарта~|Габон|lat=-1.38|lon=13.01|position=left|background= |label=}}
}}
[[Файл:Gabon Geology Oklo.svg|right|thumb|Геологический разрез естественного ядерного реактора Окло<br>1. Зоны деления<br>2. Песчаник<br>3. Слой урановой руды<br>4. Гранит]]
'''Приро́дный я́дерный реа́ктор в О́кло''' — несколько рудных тел в [[Уран (элемент)|урановом]] месторождении [[Окло]] в [[Габон]]е, в которых около {{nobr|1,8 млрд лет}} назад<ref>В различных источниках возраст реактора определён в диапазоне от 2 до 1,8 млрд лет назад.</ref> (то есть, ещё в [[Палеопротерозой|палеопротерозойскую эру]]) происходила самопроизвольная [[Цепная ядерная реакция|цепная реакция]] деления ядер урана. В настоящее время реакция прекратилась из-за истощения запасов изотопа [[Уран-235|<sup>235</sup>U]] подходящей концентрации.

Это явление было обнаружено в 1972 году аналитиками завода по обогащению урана в Пьерлатте, Франция. Естественные условия, при которых возможна самоподдерживающаяся реакция деления ядер, были предсказаны Полом Кадзуо Куродой в 1956 году и оказались близки к реальности.

Рудные тела, в которых происходила цепная реакция, представляют собой залегающие в пористом песчанике линзовидные образования из [[уранинит]]а (UO<sub>2</sub>) диаметром порядка {{nobr|10 м}} и толщиной от 20 до {{nobr|90 см}}; содержание урана в них составляло от 20 до 80 % (по массе). Определены 16 одиночных реакторов в трёх различных частях месторождения: в Окло, в Окелобондо (Okelobondo, 1,6 км от Окло) и в Бангомбе (Bangombe, 20 км к югу от Окло). Все 16 рудных тел объединяют под общим названием «Природный ядерный реактор Окло».

Окло — единственный известный на Земле естественный ядерный реактор. Цепная реакция началась здесь около {{nobr|2 млрд лет}} назад и продолжалась в течение нескольких сотен тысяч лет. Средняя тепловая мощность реактора составляла около {{nobr|100 кВт}}<ref>{{статья |автор=Meshik A. P. |заглавие=The Workings of an Ancient Nuclear Reactor |издание=[[Scientific American]] |год=2005 |выпуск=11 |ссылка=http://www.sciam.com/article.cfm?id=ancient-nuclear-reactor |язык=en |archivedate=2009-02-02 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20090202181336/http://www.sciam.com/article.cfm?id=ancient-nuclear-reactor }}</ref><ref name="Gauthier-Lafaye1996">{{статья |автор=Gauthier-Lafaye F., Holliger P., Blanc, P.-L. |заглавие=Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a «critical event» in a geologic system |издание={{Нп3|Geochimica et Cosmochimica Acta}} |том=60 |номер=25 |страницы=4831—4852 |doi=10.1016/S0016-7037(96)00245-1 |bibcode=1996GeCoA..60.4831G |язык=en |год=1996}}</ref>. И хотя природные цепные реакции в настоящее время невозможны из-за низкого изотопного содержания урана-235 в природном уране вследствие естественного радиоактивного распада, естественные ядерные реакторы могли существовать более миллиарда лет назад, когда содержание урана-235 было выше (например, два миллиарда лет назад концентрация урана-235 составляла 3,7 %, 3 млрд лет — 8,4 %, а 4 млрд лет — 19,2 %)<ref>{{статья
|автор=Шуколюков А. Ю.
|заглавие=Уран. Природный ядерный реактор
|издание=Химия и жизнь
|год=1980
|номер=6
|страницы=20—24
|ссылка=http://nts.virtbox.ru/Online/chem/uran.html
|язык=ru
}}</ref>.

== Открытие ядерных реакторов Окло ==
"Феномен Окло" был обнаружен в 1972 году в лаборатории на заводе по обогащению урана в Пьерлатте, Франция. Обычные анализы образца природного урана выявили незначительный, но аномальный дефицит урана 235 (<sup>235</sup>U). Нормальная доля <sup>235</sup>U составляет 0,7202 %, в то время как в данном образце было всего 0,7171 %. Поскольку количество делящихся изотопов точно каталогизировано, эта разница должна была быть объяснена, поэтому CEA начало расследование, в котором участвовали образцы со всех рудников, эксплуатируемых CEA во Франции, Габоне и Нигере, на всех этапах переработки руды и очистки урана.

Для анализа содержания урана и <sup>235</sup>U производственный отдел CEA использует аналитическую лабораторию на заводе Pierrelatte и центральную лабораторию анализа и контроля CEA в центре CEA Cadarache, возглавляемую Мишель Нейи, где за масс-спектрометрические анализы отвечает Жан Франсуа Дозоль.<ref>{{Cite news|title=Le phénomène d'Oklo [archive]|author=Roger Naudet|url=PDF], sur iaea.org, Agence internationale de l'énergie atomique}}</ref>

Анализы, проведенные в Пьерлатте и Кадараше, показали, что магниевые уранаты из Габона имели различный, но постоянный во времени дефицит <sup>235</sup>U. 7 июля 1972 года исследователи из CEA Cadarache обнаружили аномалию в урановой руде из Окло в Габоне. Содержание <sup>235</sup>U в ней было гораздо ниже, чем обычно наблюдается. Изотопные анализы позволили установить источник обеднения <sup>235</sup>U: обедненный уран поступал из руды Окло, добываемой компанией COMUF. Затем в лабораториях Кадараш и Пьерлатт была проведена кампания систематических анализов (измерение содержания урана, измерение изотопного содержания). Аналитики Cadarache обнаружили недостаток <sup>235</sup>U в магнезитовом уранате с завода Mounana (<sup>235</sup>U = 0,625%) и еще больший недостаток в магнезитовом уранате (Oklo M) (<sup>235</sup>U = 0,440%): в рудах Oklo 310 и 311 содержание урана составляет 12% и 46% соответственно, а содержание <sup>235</sup>U - 0,592% и 0,625%.<ref>{{Cite news|title=Isotopic analysis of the rare earths contained in the Oklo ores|author=Jean François Dozol|url=IAEA; Vienna; Symposium on the Oklo phenomenon; Libreville, Gabon; 23 Jun 1975; IAEA-SM--204/29, vol. Proceedings series;, no IAEA-SM--204/29, 1975, p. 357-369}}</ref>

В связи с этим Дж. Ф. Дозол выступил с инициативой проанализировать образцы ураната магния и руды из Окло на масс-спектрометре AEI MS 702 с искровым источником (SSMS).

Преимуществом SSMS является его способность производить значительные количества ионов всех элементов, присутствующих в электродах. Электроды, между которыми генерируется искра, должны быть проводящими (для этого образцы Окло были смешаны с высокочистым серебром). Все изотопы в образце, от лития до урана, наносятся на фотопластинку (см. фото пластинки ниже). Изучив пластину, Ж.Ф. Дозоль отметил, в частности, для руды Окло 311 с очень высоким содержанием урана :

   элементы, присутствующие в значительных количествах в районе масс 85-105 и 130-150, которые соответствуют двум скачкам в выходах деления <sup>235</sup>U (массовое распределение продуктов деления следует кривой "верблюжий горб" с двумя максимумами);

   последние лантаниды (от гольмия до лютеция) не обнаруживаются (выше массы 166). В природе встречаются все 14 лантанидов; в ядерном топливе, подвергшемся реакциям деления, изотопы последних лантанидов не обнаруживаются.<ref>{{Cite news|title=From routine sample measurements in CEA to the Oklo phenomenon|author=Jean François Dozol|url=Radiation Protection Dosimetry, vol. 199, no 18, 2 novembre 2023, p. 2258–2261 (ISSN 0144-8420 et 1742-3406, DOI 10.1093/rpd/ncad014, lire en ligne [archive]}}</ref>
[[Файл:Plaque spectro de masse OKLO 311.jpg|мини|альт=Фотопластинка, полученная для образца OKLO 311|544x544пкс|Фотопластинка, полученная для образца OKLO 311 методом искрового масс-спектрометрического анализа, выявляющего все изотопы, присутствующие в образце.]]
 
Следующий шаг - изотопный анализ некоторых элементов на термоионизационном масс-спектрометре после химического разделения неодима и самария. Из первых анализов ураната Окло и руды Окло 311 ясно, что изотопный состав неодима и самария гораздо ближе к составу облученного топлива, чем к составу природного элемента. Обнаружение изотопов <sup>142</sup>Nd и <sup>144</sup>Sm, не образующихся при делении, указывает на то, что эти элементы присутствуют и в естественном состоянии, из которого можно вычесть их вклад.

Эти результаты были переданы Жану Клоду Нималю, нейтроноведу из CEA Saclay, который оценил поток нейтронов, полученный анализируемым образцом, на основе его дефицита <sup>235</sup>U. Это позволило оценить захват нейтронов изотопами <sup>143</sup>Nd и <sup>145</sup>Nd, что привело к дополнительному образованию <sup>144</sup>Nd и <sup>146</sup>Nd соответственно. Этот избыток необходимо вычесть, чтобы получить выход деления урана 235. Видно (см. таблицу ниже), что существует согласие между выходами деления (M) и результатами, скорректированными (C) с учетом присутствия природного неодима и захвата нейтронов.<ref>{{Cite news|title=Historical simulations of Oklo cores|author=Jean Claude Nimal|publisher=Radiation Protection Dosimetry, vol. Volume 199, Issue18, novembre 2023, p. 2262-2268}}</ref>
{| class="wikitable"
|Изотопы неодима
|143
|144
|145
|146
|148
|150
|-
|C/M
|0,99
|1,00
|1,00
|1,01
|0,98
|1,06
|}

== Изотопные признаки ядерного деления ==
Изотопные содержания некоторых элементов из середины таблицы Менделеева в рудах Окло демонстрируют существование здесь в прошлом очага деления [[уран-235|урана-235]].

=== Неодим ===
[[Файл:Neodymium isotope signatures.svg|thumb|Изотопный состав неодима в естественной среде (синий) и в продуктах деления <sup>235</sup>U (красный)]]
[[Неодим]] является одним из элементов, изотопный состав которого в Окло аномален по сравнению с другими территориями. Например, естественный неодим содержит 27 % изотопа <sup>142</sup>Nd, тогда как в Окло он составляет всего 6 %. В то же время руды Окло содержали больше изотопа <sup>143</sup>Nd. Если из измеренного в Окло изотопного содержания неодима вычесть фоновое (природное, существующее в интактных частях земной коры) содержание, полученный изотопный состав неодима характерен для продуктов деления <sup>235</sup>U.

=== Рутений ===
[[Файл:Ruthenium isotope signatures.svg|thumb|Изотопный состав рутения в естественной среде (синий) и в продуктах деления <sup>235</sup>U (красный)]]
Похожие аномалии изотопного состава в Окло наблюдаются и для [[Рутений|рутения]]. Изотоп <sup>99</sup>Ru обнаруживается в бо́льших количествах, чем в естественных условиях (27—30 % вместо 12,7 %). Аномалию можно объяснить распадом {{nobr|<sup>99</sup>Tc → <sup>99</sup>Ru}}, так как [[технеций]]-99 является относительно короткоживущим ({{nobr|[[Период полураспада|{{math|''T''<sub>1/2</sub>}}]] {{=}} 212 тыс. лет}}) продуктом деления <sup>235</sup>U. Изотоп <sup>100</sup>Ru обнаруживается в значительно меньших количествах, обусловленных лишь его природной распространённостью, так как он не возникает при делении урана-235. Его изобар [[молибден|<sup>100</sup>Mo]], который является продуктом деления и распадается (посредством [[Двойной бета-распад|двойного бета-распада]]) в <sup>100</sup>Ru, имеет слишком длинное время жизни ({{nobr|~10<sup>19</sup> лет}}), чтобы внести какой-либо измеримый вклад в содержание рутения-100 в минералах Окло.

== Механизм образования ==
Реактор возник в результате затопления пористых богатых ураном пород грунтовыми водами, которые выступили в качестве замедлителей нейтронов. Тепло, выделявшееся в результате реакции, вызывало кипение и испарение воды, что замедляло или останавливало цепную реакцию. После того, как порода охлаждалась и распадались короткоживущие продукты распада ({{нп4|нейтронные яды||en|Neutron poison}}), вода конденсировалась, и реакция возобновлялась. Этот циклический процесс продолжался несколько сотен тысяч лет.

При делении урана среди продуктов деления образуются пять изотопов [[ксенон]]а. Все пять изотопов в варьирующихся концентрациях были обнаружены в породах природного реактора. Изотопный состав выделенного из пород ксенона позволяет рассчитать, что типичный цикл работы реактора составлял примерно 3 часа: около 30 минут критичности и 2 часа 30 минут охлаждения<ref>{{статья |автор=Meshik A. P. et al.|заглавие=Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon |издание=[[Physical Review Letters]] |год=2004 |том=93 |номер=18 |страницы=182302 |doi=10.1103/PhysRevLett.93.182302 |pmid=15525157 |bibcode=2004PhRvL..93r2302M |язык=en  }}</ref>.

Ключевой фактор, сделавший возможной работу реактора, — это примерно 3,7 % изотопное содержание [[уран-235|<sup>235</sup>U]] в природном уране в те времена. Это изотопное содержание сравнимо с содержанием урана в низкообогащённом ядерном топливе, используемом в большинстве современных энергетических ядерных реакторов. (Оставшиеся 96 % составляет [[уран-238|<sup>238</sup>U]], не подходящий для реакторов на тепловых нейтронах). Поскольку уран-235 имеет период полураспада лишь {{nobr|0,7 млрд лет}} (значительно короче, чем уран-238), современная распространённость урана-235 составляет лишь 0,72 %, чего недостаточно для работы реактора с легководным замедлителем без предварительного изотопного обогащения. Таким образом, в настоящее время образование природного ядерного реактора на Земле невозможно.

Урановое месторождение Окло — единственное известное место, где существовал природный ядерный реактор. Другие богатые урановые рудные тела тоже имели достаточное количество урана для самоподдерживающейся цепной реакции деления в то время, но комбинация физических условий в Окло (в частности, наличие воды как замедлителя нейтронов, и пр.) была уникальной.

Ещё одним фактором, который, вероятно, способствовал началу реакции в Окло именно {{nobr|2 млрд лет}} назад, а не ранее, был [[Кислородная катастрофа|рост содержания кислорода в атмосфере Земли]]<ref name="Gauthier-Lafaye1996" />. Уран хорошо растворяется в воде лишь в присутствии [[кислород]]а, поэтому в земной коре перенос и концентрация урана подземными водами, формирующими богатые рудные тела, стали возможными только после достижения достаточного содержания свободного кислорода.

По оценке, в реакциях деления, проходивших в урановых минеральных образованиях размером от сантиметров до метров, выгорело около {{nobr|5 тонн}} {{nobr|урана-235}}. Температуры в реакторе поднимались до нескольких сотен градусов Цельсия. Большинство нелетучих продуктов деления и актиноидов за прошедшие {{nobr|2 млрд лет}} диффундировали лишь на сантиметры<ref name="Gauthier-Lafaye1996" />. Это позволяет исследовать перенос радиоактивных изотопов в земной коре, важный для прогноза их долгосрочного поведения в местах захоронения радиоактивных отходов<ref>{{статья |автор=De Laeter J. R., Rosman K. J. R., Smith, C. L.|заглавие=The Oklo Natural Reactor: Cumulative Fission Yields and Retentivity of the Symmetric Mass Region Fission Products |издание={{Нп3|Earth and Planetary Science Letters}} |год=1980 |том=50 |страницы=238—246 |doi=10.1016/0012-821X(80)90135-1 |bibcode=1980E&PSL..50..238D |язык=en }}</ref>.

== Связь с вариациями фундаментальных констант ==
Вскоре после открытия природного реактора в Окло исследования изотопных соотношений в его породах были использованы<ref>{{статья|автор=Shlyakhter A. I.|заглавие=Direct test of the constancy of fundamental nuclear constants|ссылка=http://broadinstitute.org/~ilya/alexander_shlyakhter/76c_oklo_fundamental_nuclear_constants.pdf |издание=Nature|год=1976|том=264|месяц=11|число=25|страницы=340 |язык=en |doi=10.1038/264340a0 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150922155413/http://broadinstitute.org/~ilya/alexander_shlyakhter/76c_oklo_fundamental_nuclear_constants.pdf|archivedate=2015-09-22|deadlink=да}}</ref><ref>{{статья|автор= Шляхтер А. И.|заглавие=Прямая проверка постоянства фундаментальных констант по данным о естественном ядерном реакторе Окло|ссылка=https://web.archive.org/web/20140518210350fw_/http://www.broadinstitute.org/~ilya/alexander_shlyakhter/76c_oklo_fundamental_nuclear_constants.pdf|издание=Препринт [[ЛИЯФ]]|месяц=сентябрь|год=1976|номер=260 |язык=ru}}</ref> для проверки, изменялись ли [[Фундаментальные физические постоянные|фундаментальные физические константы]] в течение последних 2 млрд лет. В частности, резонансный захват теплового нейтрона ядром <sup>149</sup>Sm с образованием <sup>150</sup>Sm перестаёт быть возможным уже при небольшом изменении [[Постоянная тонкой структуры|постоянной тонкой структуры]] {{math|α}}, определяющей силу [[Электромагнитное взаимодействие|электромагнитных взаимодействий]], и аналогичных констант для [[Сильное взаимодействие|сильного]] и [[Слабое взаимодействие|слабого взаимодействия]]. Измерение относительного содержания <sup>149</sup>Sm/<sup>150</sup>Sm в минералах Окло позволило установить, что в пределах экспериментальной погрешности значение этих констант было тем же, что и в наше время, поскольку скорость захвата тепловых нейтронов самарием-149 не изменилась за истекшие 2 млрд лет<ref>{{Cite web |url=https://www.newscientist.com/article/dn6092 |title=New Scientist: Oklo Reactor and fine-structure value. June 30, 2004. |access-date=2017-10-04 |archive-date=2015-07-12 |archive-url=https://web.archive.org/web/20150712115811/http://www.newscientist.com/article/dn6092 |deadlink=no }}</ref><ref>{{статья |автор=Petrov Yu. V., Nazarov A. I., Onegin M. S., Sakhnovsky E. G.|заглавие=Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core |издание=[[Physical Review|Phys. Rev. C]] |год=2006 |том=74 |номер=6 |страницы=064610 |doi=10.1103/PHYSREVC.74.064610 |arxiv=hep-ph/0506186 |bibcode=2006PhRvC..74f4610P |язык=en }}</ref>. На 2015 год проведены ещё более чувствительные измерения, и считается установленным<ref name=davis>{{статья|автор=Davis E. D., Hamdan L.|заглавие=Reappraisal of the limit on the variation in α implied by the Oklo natural fission reactors|издание=Phys. Rev. C|год=2015|том=92|страницы=014319|ссылка=http://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.92.014319|язык=en|doi=10.1103/PhysRevC.92.014319|arXiv=1503.06011|archivedate=2021-06-17|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210617194905/https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.92.014319}}</ref>, что во время работы реактора в Окло относительное отличие |{{math|Δα/α}}| постоянной тонкой структуры от современного значения не превосходило 1,1×10<sup>−8</sup> с доверительной вероятностью 95 %. В предположении линейного изменения {{math|α}} со временем это означает ограничение на скорость годичной вариации постоянной тонкой структуры<ref name=davis/>:

: <math>\left(\frac{1}{\alpha}\left|\frac{d\alpha}{dt}\right|\right) \leqslant 0{,}61 \times 10^{-17}</math> год<sup>−1</sup>.

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{статья
|автор=Шуколюков А. Ю.
|заглавие=Уран. Природный ядерный реактор
|издание=Химия и жизнь
|год=1980
|номер=6
|страницы=20—24
|ссылка=http://nts.virtbox.ru/Online/chem/uran.html
|язык=ru
}}
* {{статья
|автор=Мешик А.
|заглавие=Древний ядерный реактор
|издание=В мире науки
|год=2006
|номер=2
|страницы=40—45
|ссылка=http://wsyakayawsyachina.narod.ru/earth_sciences/oklo_3.html
|язык=ru
}}
* {{статья
|автор=Petrov Yu. V.; Nazarov A. I., Onegin M. S., Sakhnovsky E. G.
|заглавие=Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core
|издание=[[Physical Review|Physical Review C]]
|год=2006
|том=74
|номер=6
|страницы=064610
|doi=10.1103/PHYSREVC.74.064610
|arxiv=hep-ph/0506186
|bibcode=2006PhRvC..74f4610P
|язык=en
}}

== Ссылки ==
* [http://www.physics.isu.edu/radinf/Files/Okloreactor.pdf  The natural nuclear reactor at Oklo: A comparison with modern nuclear reactors, Radiation Information Network, April 2005]
* [https://web.archive.org/web/20100329090935/http://oklo.curtin.edu.au/ Oklo Fossil Reactors]
* [https://web.archive.org/web/20120115164630/http://www.aip.org/pnu/2004/split/706-1.html A Natural Nuclear Reactor In Gabon]{{ref-en}}
* {{apod|021016|Oklo: Ancient African Nuclear Reactors|16 октября 2006|2014-02-16}}

{{Coord|1|23|40|S|13|09|39|E|display=title|region:GA_type:mountain_source:dewiki}}

{{interwiki extra|qid=Q64470499}}

[[Категория:Ядерные реакторы]]
[[Категория:Габон]]
[[Категория:Ядерная физика]]
[[Категория:Уран (элемент)]]
[[Категория:Урановые месторождения]]