Природный ядерный реактор деления
| Часть серии о |
| Французский бассейн |
|---|
 |
Природный ядерный реактор деления — это урана месторождение , где происходят самоподдерживающиеся цепные ядерные реакции . Условия, при которых мог бы существовать природный ядерный реактор, были предсказаны в 1956 году Полом Куродой . [1] Остатки потухшего или ископаемого ядерного реактора деления , в котором в прошлом происходили самоподдерживающиеся ядерные реакции, проверяются путем анализа изотопных соотношений урана и продуктов деления (и стабильных дочерних нуклидов этих продуктов деления). Впервые это было обнаружено в 1972 году в Окло , Габон, исследователями из Французского комиссариата по атомной энергии (CEA) в условиях, очень похожих на предсказания Куроды.
Окло — единственное место, где, как известно, имело место это явление, и состоит из 16 участков с участками рудных слоев сантиметрового размера . Считается , что там самоподдерживающиеся реакции ядерного деления произошли примерно 1,7 миллиарда лет назад, во время статерийского периода палеопротерозоя , и продолжались в течение нескольких сотен тысяч лет, вероятно, в среднем за это время вырабатывалась менее 100 кВт тепловой энергии. [2] [3] [4] В ту эпоху жизнь на Земле состояла не более чем из водных одноклеточных организмов.
«Феномен Окло» был открыт в июне 1972 года в лаборатории завода по обогащению урана в Пьерлате, Франция. Рутинный анализ пробы природного урана выявил небольшой, но аномальный дефицит урана-235 ( 235 У). Нормальная пропорция 235 U составляет 0,7202%, тогда как этот образец показал только 0,7171%.
ископаемых Открытие реакторов Окло
История [ править ]
Рутинный анализ пробы природного урана выявил небольшой, но аномальный дефицит урана-235 ( 235 У). Нормальная пропорция 235 U составляет 0,7202%, тогда как в этом образце было всего 0,7171%. Поскольку количества делящихся изотопов точно каталогизированы, эту разницу необходимо было объяснить; поэтому CEA начало расследование образцов со всех рудников, эксплуатируемых CEA во Франции, Габоне и Нигере, а также на всех стадиях переработки руды и очистки урана.
Для анализа содержания урана и 235 U содержание, производственный отдел CEA опирается на аналитическую лабораторию на заводе в Пьерлатте и на центральную лабораторию анализа и контроля CEA в центре CEA в Кадараше, которой руководит Мишель Нейи, где Жан Франсуа Дозол отвечает за масс-спектрометрический анализ.
Анализы, проведенные в Пьерлатте и Кадараше, показали, что уранаты магния из Габона имеют переменную, но постоянную величину. 235 Дефицит У. 7 июля 1972 года исследователи из CEA Cadarache обнаружили аномалию в урановой руде из Окло в Габоне. Его 235 Содержание урана было значительно ниже, чем обычно наблюдается10. Изотопный анализ выявил источник 235 Истощение U: обедненный уран был получен из руды Окло, добытой COMUF. Затем в лабораториях Кадараш и Пьерлат была проведена кампания систематических анализов (измерения содержания урана, измерения изотопного содержания). Аналитики Кадараша обнаружили в образцах Окло 235 Дефицит урана в уранате магнезита завода Мунана ( 235 U = 0,625%) и еще больший дефицит ураната магнезита (Окло М) ( 235 U = 0,440%): руды Окло 310 и 311 имеют содержание урана 12% и 46% соответственно и 235 Содержание U 0,592% и 0,625%. [5]
продуктов деления неодима в рудах Свидетельства наличия Окло
На этом фоне компания JF Dozol выступила с инициативой анализа образцов ураната магния и руды из Окло на масс-спектрометре с искровым источником AEI MS 702 (SMSE).
Преимуществом SMSE является его способность производить значительные количества ионов из всех элементов, присутствующих в электродах. Электроды, между которыми возникает искра, должны быть токопроводящими (для этого образцы Окло смешивают с серебром высокой чистоты). На фотопластинке мы получаем все изотопы от лития до урана в образце (см. фото пластинки ниже). Исследуя пластину, Дж. Ф. Дозол, в частности, отметил для руды Окло 311 очень высокое содержание урана:
- элементы присутствуют в значительных количествах с массами 85–105 и 130–150, что соответствует двум скачкам выходов деления 235 U. (Массовое распределение продуктов деления следует кривой «верблюжьего горба» с двумя максимумами);
- последние лантаноиды (от гольмия до лютеция) не обнаружены (после массы 166). В природе встречаются все 14 лантаноидов; в ядерном топливе, подвергшемся реакциям деления, изотопы последних лантаноидов не обнаруживаются.
Фотопластинка, полученная для образца ОКЛО 311 методом искровой масс-спектрометрии, выявляющая все изотопы, присутствующие в образце:
Следующий этап – изотопный анализ на термоионизационном масс-спектрометре (ЭН) некоторых элементов после химического разделения неодима и самария. Из первых анализов ураната Окло М и руды «Окло 311» становится ясно, что неодим и самарий имеют изотопный состав, гораздо более близкий к тому, который содержится в облученном топливе, чем к составу природного элемента. Обнаружение изотопов, не образующихся при делении 142 Нд и 144 Sm указывает на то, что эти элементы также присутствуют в естественном состоянии, из чего можно вычесть их вклад. [6]
Неодим, найденный в Окло, имеет изотопный состав, отличный от природного неодима: последний содержит 27% 142
Нд
, а у Окло - менее 6%. 142
Нд
не образуется путем деления; руда содержит как полученный в результате деления, так и природный неодим. Из этого 142
Нд
содержание, мы можем вычесть природный неодим и получить доступ к изотопному составу неодима, полученного в результате деления 235
В
Результаты анализа были переданы нейтронному ученому Жан-Клоду Нималу (CEA Saclay), который оценил поток нейтронов, получаемый анализируемой пробой, по ее 235 Дефицит У. Это позволило оценить захват нейтронов изотопами 143 Нд и 145 Nd, что приводит к дополнительному образованию 144 Нд и 146 Нд соответственно. Этот избыток необходимо вычесть, чтобы получить выходы деления для 235 U. Отмечаем (см. изображение) согласие между выходами деления и результатами, скорректированными на наличие природного неодима и захвата нейтронов: [7]
Рутений [ править ]
В
который подвергся воздействию тепловых нейтронов. 100
Мо
(чрезвычайно долгоживущий двойной бета-излучатель ) не успел распасться до 100
Ру
в более чем следовых количествах с тех пор, как реакторы перестали работать.
Аналогичные исследования изотопных отношений рутения в Окло обнаружили гораздо более высокие 99
Ру
концентрации, чем встречающиеся в природе (27–30% против 12,7%). Эту аномалию можно объяснить распадом 99
Тс
к 99
Ру
. На гистограмме нормальный природный изотопный признак рутения сравнивается с таковым для продукта деления рутения является результатом деления , который 235
В
с тепловыми нейтронами. Делящийся рутений имеет другую изотопную сигнатуру. Уровень 100
Ру
в смеси продуктов деления мало, поскольку в результате деления образуются изотопы, богатые нейтронами , которые впоследствии бета-распад и 100
Ру
будет производиться в заметных количествах только в результате двойного бета-распада очень долгоживущих (период полураспада 7,1 × 10 18 лет) молибдена изотоп 100
Мо . За время работы реакторов очень незначительное (около 0,17 частей на миллиард ) распад до 100
Ру
произойдет. Другие пути 100
Ру, Производство такое как захват нейтронов в 99
Ру или 99
Tc (за которым быстро следует бета-распад) мог возникнуть только во время сильного потока нейтронов и, следовательно, прекратиться, когда остановилась цепная реакция деления.
Механизм [ править ]
Природный ядерный реактор в Окло образовался, когда богатое ураном месторождение полезных ископаемых было затоплено грунтовыми водами , которые могли действовать как замедлитель нейтронов, образующихся в результате ядерного деления. , Произошла цепная реакция в результате которой образовалось тепло, из-за которого грунтовые воды выкипели; Однако без замедлителя, который мог бы замедлять нейтроны, реакция замедлялась или останавливалась. Таким образом, реактор имел отрицательный пустотный коэффициент реактивности, который использовался в качестве механизма безопасности в созданных человеком легководных реакторах . После остывания минерального осадка вода вернулась, и реакция возобновилась, совершая полный цикл каждые 3 часа. Циклы реакций деления продолжались сотни тысяч лет и закончились, когда постоянно уменьшающееся количество делящихся материалов в сочетании с накоплением нейтронных поглотителей больше не могло поддерживать цепную реакцию.
- Зоны ядерного реактора
- Песчаник
- Слой урановой руды
- Гранит
При делении урана обычно образуются пять известных изотопов газообразного продукта деления – ксенона ; все пятеро были найдены в разной концентрации в остатках природного реактора. Концентрации изотопов ксенона, обнаруженные в минеральных образованиях 2 миллиарда лет спустя, позволяют рассчитать конкретные временные интервалы работы реактора: примерно 30 минут критичности с последующими 2 часами 30 минутами охлаждения (экспоненциально уменьшающееся остаточное тепло распада). ), чтобы завершить 3-часовой цикл. [8] Ксенон-135 — самый сильный из известных нейтронных ядов. Однако он не производится непосредственно в заметных количествах, а скорее является продуктом распада йода-135 (или одного из его родительских нуклидов ). Ксенон-135 сам по себе нестабилен и распадается до цезия-135, если ему не позволить поглощать нейтроны. Хотя цезий-135 относительно долгоживущ, весь цезий-135, произведенный реактором Окло, с тех пор распался до стабильного бария-135 . Между тем, ксенон-136, продукт захвата нейтронов в ксеноне-135, распадается чрезвычайно медленно посредством двойного бета-распада , и поэтому ученые смогли определить нейтронофизику этого реактора с помощью расчетов, основанных на этих соотношениях изотопов, почти через два миллиарда лет после того, как он прекратил деление урана. .
Ключевым фактором, сделавшим эту реакцию возможной, было то, что в то время, когда реактор стал критическим 1,7 миллиарда лет назад, делящийся изотоп 235
В
составлял около 3,1% природного урана, что сопоставимо с количеством, используемым в некоторых сегодняшних реакторах. (Остальные 96,9% были неделящимися. 238
В
и примерно 55 частей на миллион 234
У. ) Потому что 235
В
имеет более короткий период полураспада , чем 238
В
и, таким образом, распадается быстрее, текущее содержание 235
В
в природном уране составляет всего 0,72%. Поэтому природный ядерный реактор на Земле больше невозможен без тяжелой воды и графита . [9]
Месторождения урановых руд Окло — единственные известные места, где существовали естественные ядерные реакторы. В других богатых урановых рудных телах в то время также было достаточно урана для поддержания ядерных реакций, но сочетание урана, воды и физических условий, необходимых для поддержания цепной реакции, было, насколько известно в настоящее время, уникальным для руды Окло. тела. Также возможно, что когда-то работали и другие природные ядерные реакторы деления, но с тех пор они были настолько геологически нарушены, что их невозможно было узнать, возможно, даже «разбавив» уран настолько, что соотношение изотопов больше не могло служить «отпечатком пальца». Только небольшая часть континентальной коры и ни одна часть океанической коры не достигает возраста месторождений в Окло или возраста, в течение которого изотопные соотношения природного урана позволяли бы протекать самоподдерживающуюся цепную реакцию с водой в качестве замедлителя.
Еще одним фактором, который, вероятно, способствовал запуску природного ядерного реактора Окло через 2 миллиарда лет, а не раньше, стало увеличение содержания кислорода в атмосфере Земли . [4] Уран естественным образом присутствует в земных горных породах, а обилие делящихся 235
В
составлял не менее 3% или выше в любое время до запуска реактора. Уран растворим в воде только в присутствии кислорода . [ нужна ссылка ] Следовательно, повышение уровня кислорода во время старения Земли могло привести к растворению урана и его переносу с грунтовыми водами в места, где могла накопиться достаточно высокая концентрация, образуя богатые урановые рудные тела. Без новой аэробной среды, доступной на Земле в то время, эти концентрации, вероятно, не могли бы иметь место.
Подсчитано, что ядерные реакции в уране в жилах размером от сантиметра до метра потребляют около пяти тонн 235
В
и повышенная температура до нескольких сотен градусов по Цельсию. [4] [10] Большинство нелетучих продуктов деления и актинидов за последние 2 миллиарда лет переместились в жилах лишь на сантиметры. [4] Исследования показали, что это полезный природный аналог утилизации ядерных отходов. [11] Общий дефект массы от деления пяти тонн 235
U составляет около 4,6 кг (10 фунтов). За время своего существования реактор произвел около 100 мегатонн тротила (420 ПДж) в виде тепловой энергии, включая нейтрино . Если игнорировать деление плутония (которое составляет примерно треть случаев деления в ходе нормального выгорания в современных легководных реакторах, созданных человеком ), то выход продуктов деления составит примерно 129 килограммов (284 фунта) технеция-99 ( с момента распада на рутений-99), 108 килограммов (238 фунтов) циркония-93 (с момента распада на ниобий -93), 198 килограммов (437 фунтов) цезия-135 (с момента распада на барий-135, но реальная стоимость составляет вероятно, ниже, поскольку его родительский нуклид, ксенон-135, является сильным нейтронным ядом и поглощает нейтроны, прежде чем распасться на 135
Cs
в некоторых случаях) 28 килограммов (62 фунта) палладия-107 (после распада на серебро), 86 килограммов (190 фунтов) стронция-90 (давно распавшегося до циркония) и 185 килограммов (408 фунтов) цезия- 137 (давно распавшийся до бария).
тонкой структуры с константой Связь атома
Природный реактор Окло использовался для проверки того, могла ли константа тонкой структуры атома α измениться за последние 2 миллиарда лет. Это связано с тем, что α влияет на скорость различных ядерных реакций. Например, 149
см
захватывает нейтрон и становится 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 2 миллиарда лет назад.
В нескольких исследованиях были проанализированы относительные концентрации радиоактивных изотопов, оставшихся в Окло, и большинство из них пришло к выводу, что ядерные реакции тогда были во многом такими же, как и сегодня, а это означает, что α тоже была такой же. [12] [13] [14]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Курода, ПК (1956). «О ядерно-физической стабильности урановых минералов». Журнал химической физики . 25 (4): 781–782, 1295–1296. Бибкод : 1956ЖЧФ..25..781К . дои : 10.1063/1.1743058 .
- ^ Мешик, АП (ноябрь 2005 г.). «Работа древнего ядерного реактора» . Научный американец . 293 (5): 82–86, 88, 90–91. Бибкод : 2005SciAm.293e..82M . doi : 10.1038/scientificamerican1105-82 . ПМИД 16318030 .
- ^ Мервин, Эвелин (13 июля 2011 г.). «Природные ядерные реакторы: реакторы естественного деления возрастом 2 миллиарда лет в Габоне, Западная Африка» . blogs.scientificamerican.com . Проверено 7 июля 2017 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Готье-Лафай, Ф.; Холлигер, П.; 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 (23): 4831–4852. Бибкод : 1996GeCoA..60.4831G . дои : 10.1016/S0016-7037(96)00245-1 .
- ^ Дозол, Жан Франсуа (23–27 июня 1975 г.). «Изотопный анализ редких земель, содержащихся в оклоской руде» .
- ^ Дозол, Жан Франсуа (2023). «От рутинных измерений проб в CEA до феномена Окло» . Дозиметрия радиационной защиты, том 199, выпуск 18, ноябрь 2023 г., страницы 2258–2261 . 199 (ноябрь 2023 г.): 2258–2261. дои : 10.1093/rpd/ncad014 . ПМИД 37934987 .
- ^ Нимал, Жан-Клод (2023). «Окло: история и извлеченные уроки» . Дозиметрия радиационной защиты, том 199, выпуск 18, ноябрь 2023 г., страницы 2262–2268 . 199 (18): 2262–2268. дои : 10.1093/rpd/ncad043 . ПМИД 37934999 .
- ^ Мешик, АП; и др. (2004). «Отчет о циклической работе природного ядерного реактора в районе Окло / Окелобондо в Габоне». Письма о физических отзывах . 93 (18): 182302. Бибкод : 2004PhRvL..93r2302M . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.182302 . ПМИД 15525157 .
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 1257. ИСБН 978-0-08-037941-8 .
- ^ Де Лаэтер-младший; Росман, KJR; Смит, CL (1980). «Природный реактор Окло: кумулятивные выходы деления и удерживаемость продуктов деления в области симметричной массы». Письма о Земле и планетологии . 50 (1): 238–246. Бибкод : 1980E&PSL..50..238D . дои : 10.1016/0012-821X(80)90135-1 .
- ^ Готье-Лафай, Ф. (2002). «Природные аналоги для утилизации ядерных отходов возрастом 2 миллиарда лет: естественные ядерные реакторы деления в Габоне (Африка)» . Comptes Rendus Physique . 3 (7–8): 839–849. Бибкод : 2002CRPhy...3..839G . дои : 10.1016/S1631-0705(02)01351-8 .
- ^ Новый учёный: Реактор Окло и значение тонкой структуры. 30 июня 2004 г.
- ^ Петров, Ю. В.; Назаров А.И.; Онегин, М.С.; Сахновский, Э.Г. (2006). «Природный ядерный реактор в Окло и изменение фундаментальных констант: расчет нейтрононики свежей активной зоны». Физический обзор C . 74 (6): 064610. arXiv : hep-ph/0506186 . Бибкод : 2006PhRvC..74f4610P . дои : 10.1103/PHYSREVC.74.064610 . S2CID 118272311 .
- ^ Дэвис, Эдвард Д.; Хамдан, Лейла (2015). «Переоценка предела изменения α, подразумеваемого реакторами естественного деления Окло». Физический обзор C . 92 (1): 014319. arXiv : 1503.06011 . Бибкод : 2015PhRvC..92a4319D . дои : 10.1103/physrevc.92.014319 . S2CID 119227720 .
Источники [ править ]
- Бентриди, SE; Галл, Б.; Готье-Лафай, Ф.; Сегур, А.; Меджади, Д. (2011). «Создание и эволюция природных ядерных реакторов Окло». Comptes Rendus Geoscience (на французском языке). 343 (11–12): 738–748. Бибкод : 2011CRGeo.343..738B . дои : 10.1016/j.crte.2011.09.008 .
Внешние ссылки [ править ]
