Přírodní jaderný reaktor v Oklo

Přírodní jaderný reaktor v Oklo  - několik rudných těles v uranovém ložisku Oklo v Gabonu , ve kterém asi před 1,8 miliardami let [ 1] došlo ke spontánní řetězové reakci štěpení jader uranu. Reakce nyní ustala v důsledku vyčerpání izotopu 235 U o vhodné koncentraci.

Jev objevil francouzský fyzik Francis Perrinv roce 1972 jako výsledek studia izotopového složení prvků v rudách ložiska Oklo. Přirozené podmínky, za kterých je možná samoudržující reakce jaderného štěpení, předpověděl Paul  Kazuo Kuroda v roce 1956 [2] a ukázalo se, že jsou blízké realitě.

Rudná tělesa, ve kterých probíhala řetězová reakce, jsou čočkovité útvary uraninitu (UO 2 ), o průměru asi 10 ma tloušťce 20 až 90 cm , uložené v porézním pískovci ; obsah uranu se v nich pohyboval od 20 do 80 % (hmotn.). Ve třech různých částech pole bylo identifikováno 16 jednotlivých reaktorů: Oklo, Okelobondo (Okelobondo, 1,6 km od Oklo) a Bangombe (Bangombe, 20 km jižně od Oklo). Všech 16 rudných těles je sjednoceno pod obecným názvem „Oklo Natural Nuclear Reactor“.

Oklo je jediný známý přírodní jaderný reaktor na Zemi. Řetězová reakce zde začala asi před 2 miliardami let a pokračovala několik set tisíc let. Průměrný tepelný výkon reaktoru byl asi 100 kW [3] [4] . A přestože přirozené řetězové reakce jsou v současné době nemožné kvůli nízkému izotopovému obsahu uranu-235 v přírodním uranu v důsledku přirozeného radioaktivního rozpadu, přírodní jaderné reaktory mohly existovat před více než miliardou let, kdy byl obsah uranu-235 vyšší (např. například před dvěma miliardami let byla koncentrace uranu-235 3,7 %, před 3 miliardami let - 8,4 % a před 4 miliardami let - 19,2 %) [5] .

Historie

V květnu 1972 v továrně na obohacování uranu v Pierrelat(Francie) při rutinní hmotnostní spektrometrické analýze hexafluoridu uranu UF 6 z Oklo bylo zjištěno abnormální izotopové složení uranu. Obsah izotopu 235 U byl 0,717 % místo obvyklých 0,720 %. Tento rozpor si vyžádal vysvětlení, protože všechna jaderná zařízení podléhají přísné kontrole, aby se zabránilo nezákonnému použití štěpných materiálů pro vojenské účely. Francouzský komisariát pro atomovou energii (CEA) zahájil vyšetřování. Série měření odhalila významné odchylky v poměru izotopů 235U / 238U v několika dolech. V jednom z dolů byl obsah 235 U 0,440 %. Anomálie byly také nalezeny v izotopových distribucích neodymu a ruthenia .

Snížení koncentrace izotopu 235 U je charakteristickým znakem vyhořelého jaderného paliva, neboť právě tento izotop je hlavním štěpným materiálem v uranovém jaderném reaktoru . 25. září 1972 CEA oznámila objev přirozené, soběstačné jaderné štěpné reakce. Stopy takových reakcí byly nalezeny celkem v 16 bodech.

Izotopové znaky jaderného štěpení

Izotopové obsahy některých prvků ze středu periodické tabulky v rudách Oklo dokládají existenci štěpného centra uranu-235 zde v minulosti .

Neodym

Neodym je jedním z prvků, jehož izotopové složení v Oklo je ve srovnání s jinými oblastmi anomální. Například přírodní neodym obsahuje 27 % izotopu 142Nd , zatímco v Oklo je to pouze 6 %. Zároveň rudy Oklo obsahovaly více izotopu 143 Nd. Pokud se obsah pozadí (přirozený, existující v neporušených částech zemské kůry) odečte od izotopového obsahu neodymu naměřeného v Oklo, získané izotopové složení neodymu je charakteristické pro štěpné produkty 235 U.

Ruthenium

Podobné anomálie v izotopovém složení v Oklo jsou také pozorovány u ruthenia . Izotop 99 Ru se nachází ve větším množství než v přírodních podmínkách (27-30 % místo 12,7 %). Anomálii lze vysvětlit rozpadem 99 Tc → 99 Ru , protože technecium -99 je relativně krátkodobý ( T 1/2 = 212 tisíc let ) štěpný produkt 235 U. Izotop 100 Ru se nachází v mnohem menších množství, pouze díky svému přirozenému množství, takže nevzniká štěpením uranu-235. Jeho izobar 100 Mo , který je štěpným produktem a rozpadá se (prostřednictvím dvojitého beta rozpadu ) na 100 Ru, má příliš dlouhou životnost ( ~10 19 let ), než aby mohl nějak měřitelně přispět k obsahu ruthenia-100 v minerálech Oklo.

Mechanismus vzdělávání

Reaktor vznikl v důsledku zaplavení porézních hornin bohatých na uran spodní vodou, která fungovala jako moderátory neutronů. Teplo uvolněné z reakce způsobilo varu a odpařování vody, což zpomalilo nebo zastavilo řetězovou reakci. Poté, co hornina vychladla a rozpadly se produkty rozpadu s krátkou životností ( neutronové jedy ), voda zkondenzovala a reakce se obnovila. Tento cyklický proces pokračoval několik set tisíc let.

Štěpením uranu vzniká mezi štěpnými produkty pět izotopů xenonu . Všech pět izotopů bylo nalezeno v různých koncentracích v přírodních reaktorových horninách. Izotopové složení xenonu izolovaného z hornin umožňuje vypočítat, že typický provozní cyklus reaktoru byl přibližně 3 hodiny: asi 30 minut kritičnosti a 2 hodiny a 30 minut chlazení [6] .

Klíčovým faktorem, který umožnil provoz reaktoru, byl v té době přibližně 3,7% izotopický výskyt 235 U v přírodním uranu. Toto množství izotopů je srovnatelné s obsahem uranu v nízko obohaceném jaderném palivu používaném ve většině moderních jaderných reaktorů. (Zbývajících 96 % je 238 U , nevhodné pro tepelné neutronové reaktory). Vzhledem k tomu, že uran-235 má poločas rozpadu pouze 0,7 miliardy let (výrazně kratší než uran-238), současné množství uranu-235 je pouze 0,72 %, což nestačí pro provoz lehkovodního moderovaného reaktoru bez předchozího obohacení izotopy. . V současné době je tedy vytvoření přirozeného jaderného reaktoru na Zemi nemožné.

Uranové ložisko Oklo je jediným známým místem, kde existoval přírodní jaderný reaktor. Jiná bohatá tělesa uranové rudy měla v té době také dostatek uranu pro samoudržující štěpnou řetězovou reakci, ale kombinace fyzikálních podmínek v Oklo (zejména přítomnost vody jako moderátoru neutronů atd.) byla jedinečná.

Dalším faktorem, který pravděpodobně přispěl ke spuštění reakce v Oklo přesně před 2 miliardami let , a nikoli dříve, bylo zvýšení obsahu kyslíku v zemské atmosféře [4] . Uran se ve vodě dobře rozpouští pouze v přítomnosti kyslíku , proto v zemské kůře byl přenos a koncentrace uranu podzemními vodami, které tvoří bohatá rudní tělesa, možný až po dosažení dostatečného obsahu volného kyslíku.

Odhaduje se, že štěpné reakce, které probíhaly v uranových minerálních formacích o velikosti od centimetrů do metrů, spálily asi 5 tun uranu-235 . Teploty v reaktoru stouply na několik set stupňů Celsia. Většina netěkavých štěpných produktů a aktinidů se za poslední 2 miliardy let rozptýlila pouze o centimetry [4] . To umožňuje studovat transport radioaktivních izotopů v zemské kůře, což je důležité pro predikci jejich dlouhodobého chování na skládkách radioaktivního odpadu [7] .

Spojení s variacemi základních konstant

Krátce po objevu přirozeného reaktoru v Oklo byly studie poměrů izotopů v jeho horninách použity [8] [9] k testování, zda se za poslední 2 miliardy let změnily základní fyzikální konstanty . Zejména rezonanční záchyt tepelného neutronu jádrem 149 Sm se vznikem 150 Sm přestává být možný i při nepatrné změně konstanty jemné struktury α , která určuje sílu elektromagnetických interakcí , a podobné konstanty pro silné resp . slabé interakce . Měření relativního obsahu 149 Sm/ 150 Sm v minerálech Oklo umožnilo zjistit, že v rámci experimentální chyby byla hodnota těchto konstant stejná jako v naší době, protože rychlost záchytu tepelných neutronů samarium- 149 se za poslední 2 miliardy let nezměnilo [10] [11] . Pro rok 2015 byla provedena ještě citlivější měření a považuje se za prokázané [12] , že při provozu reaktoru Oklo se relativní rozdíl | ∆α/α | konstanty jemné struktury z moderní hodnoty nepřesáhla 1,1 × 10 −8 s hladinou spolehlivosti 95 %. Za předpokladu lineární změny α v čase to znamená omezení rychlosti ročních změn konstanty jemné struktury [12] :

rok −1 .

Poznámky

  1. ↑ V různých zdrojích je stáří reaktoru stanoveno v rozmezí od 2 do 1,8 miliardy let.
  2. ↑ Kuroda PK On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals  //  Journal of Chemical Physics . - 1956. - Sv. 25 . - str. 781-782; 1295-1296 . - doi : 10.1063/1.1743058 . — .
  3. ↑ Meshik AP Fungování starověkého jaderného reaktoru  // Scientific American  . - 2005. - Iss. 11 .
  4. ↑ 1 2 3 Gauthier-Lafaye F., Holliger P., Blanc, P.-L. Přírodní štěpné reaktory v pánvi Franceville, Gabon: přehled podmínek a výsledků „kritické události“ v geologickém systému  // Geochimica et  Cosmochimica Acta. - 1996. - Sv. 60 , č. 25 . - S. 4831-4852 . - doi : 10.1016/S0016-7037(96)00245-1 . — .
  5. ↑ Shukolyukov A. Yu. Uran. Přírodní jaderný reaktor  // Chemie a život. - 1980. - č. 6 . - S. 20-24 .
  6. ↑ Meshik A. P. a kol.  Záznam cyklického provozu přírodního jaderného reaktoru v oblasti Oklo / Okelobondo v Gabonu  // Physical Review Letters . - 2004. - Sv. 93 , č. 18 . — S. 182302 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.93.182302 . - . — PMID 15525157 .
  7. ↑ De Laeter JR, Rosman KJR, Smith, CL The Oklo Natural Reactor: Kumulativní štěpné výtěžky a retence štěpných produktů v oblasti symetrické hmoty   // Earth and Planetary Science Letters. - 1980. - Sv. 50 . - str. 238-246 . - doi : 10.1016/0012-821X(80)90135-1 . - .
  8. ↑ Shlyakhter AI Přímý test stálosti základních jaderných konstant   // Nature . - 1976. - 25. listopadu ( sv. 264 ). — S. 340 . - doi : 10.1038/264340a0 . Archivováno z originálu 22. září 2015.
  9. ↑ Shlyakhter A. I. Přímé ověření stálosti základních konstant podle údajů o přírodním jaderném reaktoru Oklo  // Preprint LINP . - 1976. - září ( č. 260 ).
  10. ↑ New Scientist: Oklo Reactor a hodnota jemné struktury. 30. června 2004 . Získáno 4. října 2017. Archivováno z originálu 12. července 2015.
  11. ↑ Petrov Yu. V., Nazarov AI, Onegin MS, Sakhnovsky EG Přírodní jaderný reaktor v Oklo a variace základních konstant: Výpočet neutroniky čerstvého jádra  (anglicky)  // Phys. Rev. C. _ - 2006. - Sv. 74 , č. 6 . — S. 064610 . - doi : 10.1103/PHYSREVC.74.064610 . - . - arXiv : hep-ph/0506186 .
  12. ↑ 1 2 Davis ED, Hamdan L. Přehodnocení limitu variace v α implikované přirozenými štěpnými reaktory Oklo   // Phys . Rev. C. - 2015. - Sv. 92 . — S. 014319 . - doi : 10.1103/PhysRevC.92.014319 . - arXiv : 1503.06011 .

Literatura

Odkazy