Реактор естественного ядерного деления
| Часть серии на |
| бассейн Франсвилльский |
|---|
 |
Естественным реактором ядерного деления является урановым месторождением , где возникают самоотверженные ядерные цепные реакции . Условия, при которых мог существовать естественный ядерный реактор, были предсказаны в 1956 году Полом Куродой . [ 1 ] Остатки вымершего или ископаемого реактора ядерного деления , где в прошлом происходили самоподдерживающиеся ядерные реакции, подтверждаются анализом изотопных соотношений урана и продуктов деления (и стабильных дочери этих продуктов деления). Впервые это было обнаружено в 1972 году в Окла , Габон, исследователями из французского комиссариата атомика (CEA) в условиях в условиях, очень похожих на прогнозы Куроды.
Окли-единственное место, где, как известно, произошло это явление, и состоит из 16 участков с участками рудных слоев размером с сантиметром . Считается , что самодостаточные реакции ядерного деления имели место примерно 1,7 миллиарда лет назад, в течение Статерианского периода палеопротерозоя и продолжались в течение нескольких сотен тысяч лет, вероятно, в среднем менее 100 кВт тепловой энергии в течение этого времени. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] В эту эпоху жизнь на земле состояла из чуть более чем водных одноклеточных организмов.
Обнаружение окласкосных реакторов
[ редактировать ]
В мае 1972 года, в месте обогащения урана трикастина в Пьерелатте, Франция, обычная масс -спектрометрия, сравнивая образцы UF 6 с шахты оло. 235
В
изотоп. Обычно концентрация составляет 0,72%, в то время как эти образцы имели всего 0,60%, что значительное различие (примерно на 17% меньше U-235 содержалось в образцах, чем ожидалось). [ 5 ] Это несоответствие требовало объяснения, поскольку все гражданские учреждения по обработке урана должны тщательно учитывать все делящие изотопы, чтобы гарантировать, что ни один из них не направляется на строительство ядерного оружия . Кроме того, поскольку расщепляемый материал - это то, почему люди добывают уран, значительная сумма «пропадает без вести» также представляла прямую экономическую озабоченность.
- Зоны ядерного реактора
- Песчаник
- Урановая руда слой
- Гранит
Таким образом, французский комиссариат атомика (CEA) начал расследование. Ряд измерений относительной численности двух наиболее значимых изотопов урана, добываемого в Окла, показала аномальные результаты по сравнению с тем, которые были получены для урана из других шахт. Дальнейшие исследования этого уранового месторождения обнаружили урановую руду с 235
В
Концентрация всего 0,44% (почти на 40% ниже нормального значения). Последующее исследование изотопов продуктов деления, таких как неодим и рутения, также показали аномалии, как описано более подробно ниже. Тем не менее, трассировский радиоизотоп 234
U значительно отклонился от своей концентрации от других натуральных образцов. Как истощенный уран , так и переработанный уран обычно имеют 234
Концентрации U значительно отличаются от светского равновесия 55 ч / млн. 234
U относительно 238
U. Это связано с 234
Ты обогащен 235
U и из -за того, что он был поглощен захватом нейтронов и производится из 235
U с помощью быстрого нейтрона (N, 2n) реакций в ядерных реакторах. В океи любое возможное отклонение 234
Концентрация U , присутствующая в то время, когда реактор был активным, была бы давно с тех пор, как распадалась. 236
U , должно быть, также присутствовали в более высоких, чем обычные соотношения в течение времени, когда работал реактор, но из -за его полураспада 2,348 × 10 7 Годы почти на два порядка меньше, чем время, прошедшее с момента работы реактора, он распадался примерно до 1,4 × 10 −22 его первоначальное значение и, следовательно, в основном ничего, и ниже любых способностей текущего оборудования для обнаружения.
Эта потеря в 235
В
именно то, что происходит в ядерном реакторе. Возможным объяснением было то, что урановая руда действовала как реактор естественного деления в отдаленном геологическом прошлом. Другие наблюдения привели к тому же выводу, и 25 сентября 1972 года CEA объявила о своем выводе о том, что самоподдерживающиеся реакции ядерной цепной цепей произошли на Земле около 2 миллиардов лет назад. Позже в регионе были обнаружены другие естественные реакторы ядерного деления. [ 4 ]
| Н.д. | 143 | 144 | 145 | 146 | 148 | 150 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| СМ | 0.99 | 1.00 | 1.00 | 1.01 | 0.98 | 1.06 |
Подписи изотопов продукта деления
[ редактировать ]
В
которые были подвергнуты термическим нейтронам.
Неодим
[ редактировать ]Недим, обнаруженный в оклах 142
Н.д.
, в то время как в ОКЛо содержится менее 6%. А 142
Н.д.
не производится делением; Руда содержит как делярный, так и естественный неодим. Из этого 142
Н.д.
содержание, мы можем вычесть естественный неодим и получить доступ к изотопному составу неодима, полученного путем деления 235
В
Полем Два изотопа 143
Н.д.
и 145
Н.д.
привести к формированию 144
Н.д.
и 146
Н.д.
по захвату нейтронов. Этот избыток должен быть исправлен (см. Выше) для получения согласия между этим исправленным изотопным составом и выведенным из выходов на деление.
Рутений
[ редактировать ]
В
которые были подвергнуты термическим нейтронам. А 100
Для
(чрезвычайно долгоживущий двойной бета-эмиттер ) не успел распасться до 100
Ру
В более чем трассировках за время, так как реакторы перестали работать.
Аналогичные исследования изотопных соотношений рутения в ОКЛо обнаружили гораздо выше 99
Ру
концентрация, чем в противном случае в природе (27–30% против 12,7%). Эта аномалия может быть объяснена распадом 99
ТК
к 99
Ру
Полем В батонной диаграмме нормальная натуральная изотопная сигнатура рутения сравнивается с той для рутения продукта деления является результатом деления , что 235
В
с тепловыми нейтронами. Рутения деления имеет другую сигнатуру изотопа. Уровень 100
Ру
В смесь продукта деления низкая, потому что деление создает богатые нейтронными изотопами , которые впоследствии бета -распад и 100
Ру
будет производиться только в заметных количествах только путем двойного бета-распада очень долгоживущего (Half Life 7,1 × 10 18 Годы) молибдена Изотоп 100
МО На временем, когда реакторы были в работе, очень мало (около 0,17 м.д. ). 100
Ру
произошло. Другие пути 100
RU Производство , как захват нейтронов в 99
Ru или 99
ТС (быстро следовал бета -распад) мог произойти только во время высокого потока нейтронов и, таким образом, прекратилась, когда реакция цепной деления остановилась.
Механизм
[ редактировать ]Естественный ядерный реактор в ОКЛо сформировался, когда богатое ураном минеральное месторождение было затоплено подземными водами , что могло выступать в качестве модератора для нейтронов, полученных ядерным делением. Происходила цепная реакция , создавая тепло, которое заставило закисление грунтовых вод; Однако без модератора, который мог замедлить нейтроны, реакция замедлилась или остановилась. Таким образом, реактор имел отрицательный коэффициент недействительной производимой человеком реактивности, который использовался в качестве механизма безопасности в реакторах легкой воды, . После охлаждения минерального отложения вода вернулась, и реакция перезапустилась, завершая полный цикл каждые 3 часа. Циклы реакции деления продолжались в течение сотен тысяч лет и заканчивались, когда постоянно украшающие расщепления материалы в сочетании с наращиванием нейтронных ядов больше не могли выдержать цепную реакцию.
продюса Деление урана обычно производит пять известных изотопов газового ксенона ; Все пять были найдены в ловушке в остатках естественного реактора, в различных концентрациях. Концентрации изотопов ксенонов, обнаруженных в ловушке в минеральных формациях через 2 миллиарда лет, позволяйте рассчитать конкретные временные интервалы работы реактора: приблизительно 30 минут критичности с последующим 2 часами 30 минут охлаждения (экспоненциально уменьшается остаточное распад. ) для завершения 3-часового цикла. [ 6 ] Ксенон-135 -самый сильный известный нейтронный яд. Тем не менее, он производится не непосредственно в заметных количествах, а скорее как продукт распада йода-135 (или один из его родительских нукли ). Ксенон-135 сам нестабилен и распадается до Цезиума-135, если не позволяет поглощать нейтроны. В то время как Цезий-135 относительно долго прожил, весь Цезий-135, продуцированный реактором Оклай, с тех пор распадался до стабильного бария-135 . Между тем, Xenon-136, продукт захвата нейтронов в ксеноне-135 распадается чрезвычайно медленно с помощью двойного бета-распада , и, таким образом Полем
Ключевым фактором, который сделал возможным реакцию, заключался в том, что в то время, когда реактор стал критично 1,7 миллиарда лет назад, расщепляемый изотоп 235
В
составлял около 3,1% естественного урана, что сопоставимо с количеством, используемым в некоторых из современных реакторов. (Оставшиеся 96,9% были бездельническими 238
В
и примерно 55 ч / млн 234
U. ) Потому что 235
В
имеет более короткий период полураспада , чем 238
В
и, следовательно, разлагаются быстрее, нынешнее изобилие 235
В
При натуральном уране составляет всего 0,72%. Таким образом, натуральный ядерный реактор больше невозможна на Земле без тяжелой воды или графита . [ 7 ]
Урановые отложения урановой руды являются единственными известными участками, в которых существовали естественные ядерные реакторы. Другие богатые урановые руды также имели бы достаточный уран для поддержки ядерных реакций в то время, но комбинация урана, воды и физических условий, необходимых для поддержки цепной реакции тела. Также возможно, что другие реакторы естественного ядерного деления когда -то работали, но с тех пор были геологически нарушены настолько, чтобы быть неузнаваемыми, возможно, даже «разбавляя» уран настолько, что соотношение изотопа больше не будет служить «отпечатком пальца». Только небольшая часть континентальной коры и ни одна часть океанической коры не достигает возраста отложений в Окла или возраста, в течение которого изотопные отношения естественного урана позволили бы самостоятельно устойчивую цепную реакцию с водой в качестве модератора.
Другим фактором, который, вероятно, способствовал началу естественного ядерного реактора Оклале через 2 миллиарда лет, а не ранее, было увеличение содержания кислорода в атмосфере Земли . [ 4 ] Уран естественным образом присутствует в скалах Земли, и изобилие расщепления 235
В
был не менее 3% или выше во все времена до запуска реактора. Уран растворим в воде только в присутствии кислорода . [ Цитация необходима ] Следовательно, повышение уровня кислорода во время старения земли могло позволить урану растворять и транспортироваться с помощью подземных вод в места, где может накапливаться достаточно высокая концентрация, образуя богатые урановые руды. Без новой аэробной среды, доступной на Земле в то время, эти концентрации, вероятно, не могли бы иметь место.
Предполагается, что ядерные реакции в уране в сантиметрах-до метра потребляли около пяти тонн 235
В
и повышенные температуры до нескольких сотен градусов по Цельсию. [ 4 ] [ 8 ] Большинство нелетующих продуктов деления и актинидов перемещали только сантиметры в жилах в течение последних 2 миллиардов лет. [ 4 ] Исследования показали, что это полезный естественный аналог для утилизации ядерных отходов. [ 9 ] Общий массовый дефект от деления пяти тонн 235
U составляет около 4,6 килограмма (10 фунтов). В течение своего срока службы реактор производил примерно 100 мегатоннов TNT (420 PJ) в тепловой энергии, включая нейтрино . Если кто-то игнорирует деление плутония (который составляет примерно треть событий деления в течение нормального сгорания в современных реакторах легкой воды человека ), то продукт деления дает примерно 129 килограммов (284 фунта) технеция-99 ( С тех пор, как распадается до рутения-99), 108 килограммов (238 фунтов) циркония-93 (с тех пор, как распадается до ниобия -93), 198 килограммов (437 фунтов) Цезиума-135 (с тех пор, как распадается до бария-135, но реальное значение является Вероятно, ниже, поскольку его родительский нуклид, ксенон-135, является сильным нейтронным ядом и будет поглощать нейтроны, прежде чем распадаться до 135
CS
в некоторых случаях), 28 килограммов (62 фунта) палладия-107 (с тех пор, как распадается серебром), 86 килограммов (190 фунтов) стронция-90 (давно распадаясь до циркония) и 185 килограммов (408 фунтов) кезия- 137 (давно с тех пор, как распадается в бариум).
Отношение к постоянной атомной тонкой структуре
[ редактировать ]Естественный реактор Оклай использовался для проверки, была ли изменена константа атомной тонкой структуры α за последние 2 миллиарда лет. Это потому, что α влияет на скорость различных ядерных реакций. Например, 149
СМ
захватывает нейтрон, чтобы стать 150
СМ
, и, поскольку скорость захвата нейтронов зависит от значения α , соотношение двух изотопов самария в образцах из окла может использоваться для расчета значения α от 2 миллиардов лет назад.
В нескольких исследованиях проанализировано относительные концентрации радиоактивных изотопов, оставленных в Окла, и большинство из них пришли к выводу, что ядерные реакции были почти такими же, как и сегодня, что подразумевает, что α тоже был таким же. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Курода, П.К. (1956). «О ядерной физической стабильности урановых минералов». Журнал химической физики . 25 (4): 781–782, 1295–1296. Bibcode : 1956jchph..25..781k . doi : 10.1063/1.1743058 .
- ^ Мешик, AP (ноябрь 2005 г.). «Работа древнего ядерного реактора» . Scientific American . 293 (5): 82–86, 88, 90–91. Bibcode : 2005sciam.293e..82m . doi : 10.1038/Scientificamerican1105-82 . PMID 16318030 .
- ^ Мервин, Эвелин (13 июля 2011 г.). «Ядерные реакторы природы: 2-миллиардные реакторы природного деления в Габоне, Западная Африка» . blogss.sientificamerican.com . Получено 7 июля 2017 года .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и Gauthier-Lafaye, F.; Holliger, P.; Blanc, P.-L. (1996). «Естественные реакторы деления в бассейне Франсвилля, Габон: обзор условий и результатов« критического события »в геологической системе». Geochimica et Cosmochimica Acta . 60 (23): 4831–4852. Bibcode : 1996gecoa..60.4831g . doi : 10.1016/s0016-7037 (96) 00245-1 .
- ^ Дэвис, Эд; Гулд, кр; Шарапов, EI (2014). «Реакторы окла и последствия 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 .
- ^ Мешик, AP; и др. (2004). «Запись о велосипедной работе натурального ядерного реактора в области Окла -/Окелобондо в Габоне». Письма о физическом обзоре . 93 (18): 182302. BIBCODE : 2004PHRVL..93R2302M . doi : 10.1103/physrevlett.93.182302 . PMID 15525157 .
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2 -е изд.). Баттерворт-Хейнеманн . п. 1257. ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ Де Лейтер, младший; Росман, KJR; Смит, Кл (1980). «Натуральный реактор Окла: кумулятивная доходность деления и удержание продуктов деления симметричной массовой области». Земля и планетарные научные письма . 50 (1): 238–246. Bibcode : 1980e & psl..50..238d . doi : 10.1016/0012-821x (80) 90135-1 .
- ^ Gauthier-Lafaye, F. (2002). «2 миллиарда лет природные аналоги для утилизации ядерных отходов: естественные реакторы ядерного деления в Габоне (Африка)» . Comptes Rendus Physique . 3 (7–8): 839–849. Bibcode : 2002crphy ... 3...839g . doi : 10.1016/s1631-0705 (02) 01351-8 .
- ^ Новый ученый: реактор Окла и значение тонкой структуры. 30 июня 2004 г.
- ^ Петров, Ю. V.; Назаров, ИИ; Onegin, MS; Sakhnovsky, EG (2006). «Естественный ядерный реактор в Окла и изменение фундаментальных констант: вычисление нейники свежего ядра». Физический обзор c . 74 (6): 064610. ARXIV : HEP-PH/0506186 . BIBCODE : 2006 PHRVC..74F4610P . doi : 10.1103/physrevc.74.064610 . S2CID 118272311 .
- ^ Дэвис, Эдвард Д.; Хамдан, Лейла (2015). «Переоценка ограничения на изменение α, подразумеваемое реакторами естественного деления оклайца». Физический обзор c . 92 (1): 014319. Arxiv : 1503.06011 . BIBCODE : 2015 PHRVC..92A4319D . doi : 10.1103/physrevc.92.014319 . S2CID 119227720 .
Источники
[ редактировать ]- Bentridi, SE; Галл, б.; Gauthier-Lafaye, F.; Seghour, A.; Medjadi, D. (2011). «Генезис и эволюция естественных реакторов оклай» [Начало и эволюция природных ядерных реакторов окла в окламе]. Отчеты о геоссауке (по -французски). 343 (11–12): 738–748. Bibcode : 2011crgeo.343..738b . Doi : 10.1016/j.crte.2011.09.008 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
