Шевелим мозгами

2 декабря 1942 года команда ученых Чикагского университета под руководством нобелевского лауреата Энрико Ферми создала первый рукотворный ядерный реактор. Это достижение держалось в секрете в период Второй мировой войны, как часть так называемого "Манхэттенского проекта" по созданию атомной бомбы.

Спустя 15 лет после создания человеком реактора расщепления учёные задумались о возможности существования атомного реактора, созданного самой природой. Первая официальная публикация на тему принадлежит перу японского профессора Пола Куроды (1956 год), который установил подробные требования для любых вероятных естественных реакторов, если таковые существуют в природе.
Во время проведения рутинных спектрометрических исследований коэффициента содержания изотопов 235U/238U в руде с месторождения Окло в лаборатории французского уранообогатительного завода Пьеррлатт ученый-химик обнаружил небольшое отклонение (в 0,00717, по сравнению с нормой в 0,00720).

Для природы характерна стабильность изотопного состава различных элементов. Он неизменен на всей планете. В природе, конечно, протекают процессы распада изотопов, но тяжелым элементам это не свойственно, потому что разница в их массах недостаточна, для того чтобы данные изотопы делились в ходе каких-либо геохимических процессов. Но в месторождении Окло изотопный состав урана был нехарактерным. Этого маленького различия было достаточно, для того чтобы заинтересовать ученых.

Сразу появились различные гипотезы о причинах странного явления. Одни утверждали, что месторождение было заражено отработанным топливом инопланетных космических аппаратов, другие считали его местом захоронения ядерных отходов, доставшихся нам в "наследство" от древних высокоразвитых цивилизаций. Тем не менее, детальные исследования показали, что столь необычное соотношение изотопов урана образовалось естественным путем.

Вот какова смоделированная история этого "чуда природы".

Заработал реактор около двух миллиардов лет назад во времена протерозоя. Протерозой щедр на открытия. Именно в протерозое были разработаны основные принципы существования живой материи и развития жизни на Земле. Появились первые многоклеточные организмы и начали осваивать прибрежные воды, количество свободного кислорода в атмосфере Земли достигло 1%, и появились препосылки для бурного расцвета жизни, произошел переход от простого деления к половому размножению.

И вот, в столь важное для Земли время появляется и наш "ядерный природный феномен".

Все-таки удивительно, что в мире не найдено больше ни одного аналогичного реактора. Правда, по некоторым сведениям, следы похожего реактора найдены в Австралии. Объяснить это можно только тем, что в далекий кембрийский период Африка и Австралия представляли собой единое целое. Еще одна окаменелая реакторная зона также была обнаружена в Габоне, но в другом месторождении урана - в Бангомбе, в 35 километрах к юго-востоку от Окло.

На Земле известны урановые месторождения того же возраста, в которых, однако, ничего похожего не происходило. Вот только самые известные из них: Девилз-Хоул и Рэйниер-Мейса в штате Невада, Пенья-Бланка в Мексике, Бокс-Кэньон в Айдахо, Каймакли в Турции, Шове-Кав во Франции, Сигар-Лейк в Канаде и Оуэнс-Лейк в Калифорнии.

По-видимому, в протерозое в Африке возникли ряд уникальных условий, необходимых для запуска естественного реактора.

Каков же механизм столь удивительного процесса?

Вероятно, сначала в некой впадине, возможно, в дельте древней реки, образовался богатый урановый рудой слой песчаника, который покоился на крепком базальтовом ложе. После очередного землетрясения, обычного в ту эпоху, базальтовый фундамент будущего реактора опустился на несколько километров, потянув за собой урановую жилу. Жила растрескалась, в трещины проникла грунтовая вода. При этом уран охотно мигрирует с водой, содержащей большое количество кислорода, то есть в окислительной обстановке.

Насыщенная кислородом вода пробирается сквозь толщу горной породы, вымывает из нее уран, увлекает его за собой и постепенно расходует содержащийся в ней кислород на окисление органики и двухвалентного железа. Когда запас кислорода исчерпан, химическая обстановка в земных глубинах из окислительной становится восстановительной. "Странствие" урана после этого завершается: он отлагается в горных породах, накапливаясь на протяжении многих тысячелетий. Затем очередной катаклизм поднял фундамент до современного уровня. Такой схемы придерживаются многие ученые, в том числе и предложившие ее.
Как только масса и толщина слоев, обогащённых ураном, достигла критических размеров, в них возникла цепная реакция, и "агрегат" заработал.

Несколько слов следует сказать и о самой цепной реакции, которая является следствием сложных химических процессов, проходящих в "природном реакторе". Легче всего расщепляются ядра 235U, которые, поглощая нейтрон, делятся на два фрагмента расщепления и испускают при этом два-три нейтрона. Изгнанные нейтроны могут, в свою очередь, быть поглощены другими урановыми ядрами, провоцируя нарастание распада.

Такая самоподдерживающаяся реакция управляема, чем и воспользовались люди, создавшие ядерный реактор расщепления. В нем контроль осуществляется при помощи управляющих стержней (произведенных из хорошо поглощающих нейтроны материалов, например, из кадмия), спускаемых в "горячую зону". В своем реакторе Энрико Ферми использовал именно такие кадмиевые пластины для регуляции ядерной реакции. Реактор же в Окло никем не управлялся в обычном понимании этого термина.

Цепная реакция сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому до сих пор было неясно, почему природные реакторы в Габоне не взрывались, а реакции саморегулировались.

Ныне ученые уверены, что знают ответ. Исследователи из Вашингтонского университета считают, что взрывов не случалось благодаря присутствию горных водных источников. В различных реакторах, созданных человеком, в качестве замедлителя используется графит, необходимый для поглощения испускаемых нейтронов и поддержания цепной реакции, а в Окло роль замедлителя реакции исполняла вода. Когда в природный реактор попадала вода, она закипала и испарялась, в результате чего цепная реакция на время приостанавливалась. На охлаждение реактора и накопление воды требовались примерно два с половиной часа, а длительность активного периода составляла порядка 30 минут, сообщает Nature.

Когда порода остывала, вода вновь просачивалась и запускала ядерную реакцию. И так, то вспыхивая, то угасая, реактор, мощность которого составляла порядка 25 кВт (что в 200 раз меньше, чем у самой первой атомной электростанции), проработал приблизительно 500 тысяч лет.

В Окло, как и на всей остальной Земле и в Солнечной системе в целом, два миллиарда лет назад относительное содержание изотопа 235U в урановой руде составляло 3000 на миллион атомов. В настоящее же время образование на Земле ядерного реактора естественным путём уже невозможно, поскольку в природном уране ощущается нехватка 235U.