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%, тогда 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
Поэтому 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 работы 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.
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
[ 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 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 остывания (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 как продукт 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 современных 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 или 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 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». 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 не принимать во внимание 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 распадаться 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 пришло 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). «Зарождение 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 ]
