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, в статерийский период 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 образца 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%.
Открытие ископаемых реакторов Окло
[ редактировать ]
В мае 1972 года на полигоне по обогащению урана Трикастин в Пьерлатте, Франция, рутинная масс-спектрометрия, сравнивающая образцы UF 6 из шахты Окло, показала несоответствие в количестве урана. 235
В
изотоп. Обычно концентрация составляет 0,72%, в то время как в этих образцах она составляла только 0,60%, что является значительной разницей (в образцах содержалось примерно на 17% меньше U-235, чем ожидалось). [5] Это несоответствие требует объяснения, поскольку все гражданские предприятия по обращению с ураном должны тщательно учитывать все расщепляющиеся изотопы, чтобы гарантировать, что ни один из них не будет использован для создания ядерного оружия . Более того, поскольку люди добывают уран именно из-за расщепляющегося материала , «пропажа» значительного количества также представляла собой прямую экономическую проблему.
- Зоны ядерного реактора
- Песчаник
- Слой урановой руды
- Гранит
Таким образом, Французский комиссариат по атомной энергии (CEA) начал расследование. Серия измерений относительного содержания двух наиболее значимых изотопов урана, добытого в Окло, показала аномальные результаты по сравнению с результатами, полученными для урана из других рудников. 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 рутений, также выявило аномалии, более подробно описанные ниже. Однако следы радиоизотопа 234
Концентрация урана существенно не отличалась от других природных образцов. Как обедненный уран , так и переработанный уран обычно имеют 234
Концентрации урана значительно отличаются от векового равновесия 55 частей на миллион. 234
Ты относительно 238
У. Это связано с 234
Вы обогащаетесь вместе с 235
U и поскольку он одновременно потребляется при захвате нейтронов и образуется из 235
U в результате быстрыми нейтронами реакций (n,2n), индуцированных , в ядерных реакторах. В Окло любое возможное отклонение 234
Концентрация урана , существовавшая в то время, когда реактор был активен, давно бы распалась. 236
U также должен был присутствовать в более высоких, чем обычно, количествах во время работы реактора, но из-за периода его полураспада 2,348 × 10 7 лет, что почти на два порядка короче времени, прошедшего с момента эксплуатации реактора, оно распалось примерно до 1,4 × 10 −22 его первоначальное значение и, следовательно, практически ничего и ниже любых возможностей обнаружения текущего оборудования.
Эта потеря в 235
В
именно это и происходит в ядерном реакторе. Возможное объяснение заключалось в том, что в далеком геологическом прошлом урановая руда работала как естественный реактор деления. Другие наблюдения привели к тому же выводу, и 25 сентября 1972 года CEA объявило о своем открытии, что самоподдерживающиеся цепные ядерные реакции произошли на Земле около 2 миллиардов лет назад. Позже в регионе были обнаружены и другие природные ядерные реакторы. [4]
| Нд | 143 | 144 | 145 | 146 | 148 | 150 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| СМ | 0.99 | 1.00 | 1.00 | 1.01 | 0.98 | 1.06 |
Сигнатуры изотопов продуктов деления
[ редактировать ]
В
который подвергся воздействию тепловых нейтронов.
Неодим
[ редактировать ]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
. Два изотопа 143
Нд
и 145
Нд
привести к образованию 144
Нд
и 146
Нд
путем захвата нейтронов. Это превышение необходимо скорректировать (см. выше), чтобы получить согласие между этим исправленным изотопным составом и составом, полученным на основе выходов деления.
Рутений
[ редактировать ]
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.
Подобные 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
[ редактировать ]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.
При делении урана обычно образуются пять известных изотопов газообразного ксенона , образующегося в результате деления ; 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. [6] 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 . [7]
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 другие природные ядерные реакторы когда-то работали, но с тех пор были настолько геологически нарушены, что их невозможно было узнать, возможно, даже «разбавляя» уран настолько, что соотношение изотопов больше не могло служить «отпечатком пальца». Лишь 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 позволили 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] [8] Большинство нелетучих продуктов деления и актинидов за последние 2 миллиарда лет переместились в венах лишь на сантиметры. [4] Исследования показали, что это полезный природный аналог утилизации ядерных отходов. [9] 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).
Связь с константой тонкой структуры атома
[ редактировать ]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 пришли к выводу, что ядерные реакции тогда были во многом такими же, как и сегодня, а это означает, что α тоже была такой же. [10] [11] [12]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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: а б с д и 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 .
- ^ Дэвис, Эд; Гулд, ЧР; Шарапов, Е.И. (2014). «Реакторы Окло и значение для ядерной науки». Международный журнал современной физики Э. 23 (4): 1430007–236. arXiv : 1404.4948 . Бибкод : 2014IJMPE..2330007D . дои : 10.1142/S0218301314300070 . ISSN 0218-3013 . S2CID 118394767 .
- ^ 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 Лаетер-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 нейтронофизики 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
[ редактировать ]- 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
[ редактировать ]
