Reactorul nuclear natural din Oklo

Reactorul nuclear natural din Oklo  - mai multe corpuri de minereu din zăcământul de uraniu Oklo din Gabon , în care în urmă cu aproximativ 1,8 miliarde de ani [ 1] a avut loc o reacție spontană în lanț de fisiune a nucleelor ​​de uraniu. Reacția a încetat acum datorită epuizării izotopului 235 U de o concentrație adecvată.

Fenomenul a fost descoperit de fizicianul francez Francis Perrinîn 1972 ca urmare a studierii compoziţiei izotopice a elementelor din minereurile zăcământului Oklo. Condițiile naturale în care este posibilă o reacție de fisiune nucleară auto-susținută au fost prezise de Paul  Kazuo Kuroda în 1956 [2] și s-au dovedit a fi apropiate de realitate.

Corpurile de minereu în care a avut loc reacția în lanț sunt formațiuni lenticulare de uraninit (UO 2 ), cu diametrul de circa 10 m și grosime de 20 până la 90 cm , înglobate în gresie poroasă ; conținutul de uraniu din acestea a variat între 20 și 80% (în masă). Au fost identificate 16 reactoare unice în trei părți diferite ale câmpului: Oklo, Okelobondo (Okelobondo, la 1,6 km de Oklo) și Bangombe (Bangombe, la 20 km sud de Oklo). Toate cele 16 corpuri de minereu sunt unite sub denumirea generală „Reactor nuclear natural Oklo”.

Oklo este singurul reactor nuclear natural cunoscut de pe Pământ. Reacția în lanț a început aici cu aproximativ 2 miliarde de ani în urmă și a continuat timp de câteva sute de mii de ani. Puterea termică medie a reactorului a fost de aproximativ 100 kW [3] [4] . Și deși reacțiile naturale în lanț sunt în prezent imposibile din cauza conținutului izotopic scăzut de uraniu-235 din uraniul natural din cauza dezintegrarii radioactive naturale, reactoarele nucleare naturale ar fi putut exista în urmă cu mai bine de un miliard de ani când conținutul de uraniu-235 era mai mare (pentru de exemplu, acum două miliarde de ani concentrația de uraniu-235 era de 3,7%, 3 miliarde de ani - 8,4% și 4 miliarde de ani - 19,2%) [5] .

Istorie

În mai 1972 la uzina de îmbogățire a uraniului din Pierrelat(Franța) în timpul unei analize spectrometrice de masă de rutină a hexafluorurii de uraniu UF 6 de la Oklo, a fost detectată o compoziție izotopică anormală a uraniului. Conținutul de izotop 235 U a fost de 0,717% în loc de 0,720% obișnuit. Această discrepanță a necesitat o explicație, deoarece toate instalațiile nucleare sunt supuse unui control strict pentru a preveni utilizarea ilegală a materialelor fisionabile în scopuri militare. Comisariatul francez pentru energie atomică (CEA) a lansat o anchetă. O serie de măsurători au relevat abateri semnificative ale raportului izotopului 235U / 238U în mai multe mine. Într-una dintre mine, conținutul de 235 U a fost de 0,440%. Au fost găsite și anomalii în distribuțiile izotopice ale neodimului și ruteniului .

O scădere a concentrației izotopului 235 U este o trăsătură caracteristică a combustibilului nuclear uzat, deoarece acest izotop special este principalul material fisionabil dintr-un reactor nuclear cu uraniu . La 25 septembrie 1972, CEA a anunțat descoperirea unei reacții naturale de fisiune nucleară auto-susținută. Urme ale unor astfel de reacții au fost găsite în total 16 puncte.

Semne izotopice ale fisiunii nucleare

Conținutul izotopic al unor elemente din mijlocul tabelului periodic din minereurile Oklo demonstrează existența aici în trecut a unui centru de fisiune a uraniului-235 .

Neodim

Neodimul este unul dintre elementele a căror compoziție izotopică în Oklo este anormală în comparație cu alte zone. De exemplu, neodimul natural conține 27% din izotopul 142Nd , în timp ce în Oklo este doar 6%. În același timp, minereurile Oklo conțineau mai mult izotop 143 Nd. Dacă conținutul de fond (natural, existent în părțile intacte ale scoarței terestre) este scăzut din conținutul izotopic de neodim măsurat la Oklo, compoziția izotopică obținută a neodimului este caracteristică produselor de fisiune de 235 U.

Ruteniu

Anomalii similare în compoziția izotopică din Oklo sunt observate și pentru ruteniu . Izotopul 99 Ru se găsește în cantități mai mari decât în ​​condiții naturale (27-30% în loc de 12,7%). Anomalia poate fi explicată prin dezintegrarea 99 Tc → 99 Ru , deoarece tehnețiul -99 este un produs de fisiune relativ scurt ( T 1/2 = 212 mii ani ) de 235 U. Izotopul 100 Ru se găsește în mult mai mici. cantități, datorită numai abundenței sale naturale, astfel încât nu provine din fisiunea uraniului-235. Isobarul său de 100 Mo , care este un produs de fisiune și se descompune (prin descompunere dublă beta ) în 100 Ru, are o durată de viață prea lungă ( ~ 10-19 ani ) pentru a contribui la conținutul de ruteniu-100 al mineralelor Oklo.

Mecanismul educației

Reactorul a apărut ca urmare a inundării rocilor poroase bogate în uraniu cu apă subterană, care acționau ca moderatori de neutroni. Căldura eliberată din reacție a făcut ca apa să fiarbă și să se evapore, ceea ce a încetinit sau a oprit reacția în lanț. După ce roca s-a răcit și produsele de descompunere de scurtă durată ( neutron poisons ) s-au degradat, apa s-a condensat și reacția a reluat. Acest proces ciclic a continuat câteva sute de mii de ani.

Fisiunea uraniului produce cinci izotopi ai xenonului printre produsele de fisiune . Toți cei cinci izotopi au fost găsiți în concentrații diferite în rocile naturale ale reactoarelor. Compoziția izotopică a xenonului izolat din roci face posibil să se calculeze că un ciclu tipic de funcționare a unui reactor a fost de aproximativ 3 ore: aproximativ 30 de minute de criticitate și 2 ore și 30 de minute de răcire [6] .

Factorul cheie care a făcut posibilă funcționarea reactorului a fost abundența izotopică de aproximativ 3,7% a 235 U în uraniul natural la acel moment. Această abundență izotopică este comparabilă cu conținutul de uraniu al combustibilului nuclear slab îmbogățit utilizat în majoritatea reactoarelor nucleare moderne. (Rămânul de 96% este 238 U , nu este potrivit pentru reactoare cu neutroni termici). Deoarece uraniul-235 are un timp de înjumătățire de numai 0,7 miliarde de ani (semnificativ mai scurt decât uraniul-238), abundența actuală de uraniu-235 este de doar 0,72%, ceea ce nu este suficient pentru a funcționa un reactor moderat cu apă ușoară fără îmbogățire izotopică prealabilă. . Astfel, în prezent, formarea unui reactor nuclear natural pe Pământ este imposibilă.

Zăcământul de uraniu Oklo este singurul sit cunoscut unde a existat un reactor nuclear natural. Alte corpuri bogate de minereu de uraniu aveau, de asemenea, suficient uraniu pentru o reacție în lanț de fisiune auto-susținută la acel moment, dar combinația de condiții fizice de la Oklo (în special prezența apei ca moderator de neutroni etc.) a fost unică.

Un alt factor care a contribuit probabil la declanșarea reacției de la Oklo cu exact 2 miliarde de ani în urmă, și nu mai devreme, a fost creșterea conținutului de oxigen din atmosfera Pământului [4] . Uraniul se dizolvă bine în apă numai în prezența oxigenului , prin urmare, în scoarța terestră, transferul și concentrarea uraniului de către apele subterane, care formează corpuri bogate de minereu, au devenit posibile numai după atingerea unui conținut suficient de oxigen liber.

Se estimează că reacțiile de fisiune care au avut loc în formațiunile minerale de uraniu cu dimensiuni variate de la centimetri la metri au ars aproximativ 5 tone de uraniu-235 . Temperaturile din reactor au crescut la câteva sute de grade Celsius. Majoritatea produselor de fisiune nevolatile și a actinidelor au difuzat doar centimetri în ultimii 2 miliarde de ani [4] . Acest lucru face posibilă studierea transportului izotopilor radioactivi în scoarța terestră, ceea ce este important pentru prezicerea comportamentului lor pe termen lung în depozitele de deșeuri radioactive [7] .

Legătura cu variațiile constantelor fundamentale

La scurt timp după descoperirea reactorului natural de la Oklo, au fost folosite studii ale raporturilor izotopilor din rocile sale [8] [9] pentru a testa dacă constantele fizice fundamentale s-au schimbat în ultimii 2 miliarde de ani. În special, captarea rezonantă a unui neutron termic de către un nucleu de 149 Sm cu formarea de 150 Sm încetează să fie posibilă chiar și cu o ușoară modificare a constantei structurii fine α , care determină puterea interacțiunilor electromagnetice și constante similare pentru puternice și interacțiuni slabe . Măsurarea conținutului relativ de 149 Sm/ 150 Sm în mineralele Oklo a permis să se stabilească că, în cadrul erorii experimentale, valoarea acestor constante a fost aceeași ca în epoca noastră, deoarece rata de captare a neutronilor termici de către samariu- 149 nu sa schimbat în ultimii 2 miliarde de ani [10] [11] . Pentru anul 2015 au fost efectuate măsurători și mai sensibile, și se consideră stabilit [12] că în timpul funcționării reactorului Oklo, diferența relativă | ∆α/α | a constantei structurii fine din valoarea modernă nu a depășit 1,1 × 10 −8 cu un nivel de încredere de 95%. Presupunând o modificare liniară a α în timp, aceasta înseamnă o limitare a ratei de variație anuală a constantei structurii fine [12] :

anul −1 .

Note

  1. ↑ În diverse surse, vârsta reactorului este determinată în intervalul de la 2 la 1,8 miliarde de ani în urmă.
  2. ↑ Kuroda PK Despre stabilitatea fizică nucleară a mineralelor de uraniu  //  Journal of Chemical Physics . - 1956. - Vol. 25 . - P. 781-782; 1295-1296 . - doi : 10.1063/1.1743058 . — Cod .
  3. ↑ Meshik AP Funcționarea unui reactor nuclear antic  // Scientific American  . - 2005. - Nr. 11 .
  4. ↑ 1 2 3 Gauthier-Lafaye F., Holliger P., Blanc, P.-L. Reactoarele naturale de fisiune din bazinul Franceville, Gabon: o revizuire a condițiilor și a rezultatelor unui „eveniment critic” într-un sistem geologic  // Geochimica et  Cosmochimica Acta. - 1996. - Vol. 60 , nr. 25 . - P. 4831-4852 . - doi : 10.1016/S0016-7037(96)00245-1 . — Cod .
  5. ↑ Shukolyukov A. Yu. Uraniu. Reactor nuclear natural  // Chimie și viață. - 1980. - Nr 6 . - S. 20-24 .
  6. ↑ Meshik A. P. și colab.  Înregistrarea funcționării ciclice a reactorului nuclear natural din zona Oklo / Okelobondo din Gabon  // Scrisori de revizuire fizică . - 2004. - Vol. 93 , nr. 18 . — P. 182302 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.93.182302 . - Cod . — PMID 15525157 .
  7. ↑ De Laeter JR, Rosman KJR, Smith, CL The Oklo Natural Reactor: Cumulative Fission Yields and Retentivity of the Symmetric Mass Region Fission Products   // Earth and Planetary Science Letters. - 1980. - Vol. 50 . - P. 238-246 . - doi : 10.1016/0012-821X(80)90135-1 . - Cod biblic .
  8. ↑ Shlyakhter AI Test direct al constanței constantelor nucleare fundamentale   // Nature . - 1976. - 25 noiembrie ( vol. 264 ). — P. 340 . - doi : 10.1038/264340a0 . Arhivat din original pe 22 septembrie 2015.
  9. ↑ Shlyakhter A. I. Verificarea directă a constanței constantelor fundamentale conform datelor privind reactorul nuclear natural Oklo  // Preprint LINP . - 1976. - Septembrie ( Nr. 260 ).
  10. ↑ Un nou om de știință: Reactorul Oklo și valoarea de structură fină. 30 iunie 2004. . Preluat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 12 iulie 2015.
  11. ↑ Petrov Yu. V., Nazarov AI, Onegin MS, Sakhnovsky EG Reactorul nuclear natural la Oklo și variația constantelor fundamentale: Calculul neutronicii unui nucleu proaspăt  (engleză)  // Fizic. Rev. C. _ - 2006. - Vol. 74 , nr. 6 . — P. 064610 . - doi : 10.1103/PHYSREVC.74.064610 . - Cod . - arXiv : hep-ph/0506186 .
  12. ↑ 1 2 Davis ED, Hamdan L. Reevaluarea limitei variației în α implicată de reactoarele de fisiune naturală Oklo   // Phys . Rev. C. - 2015. - Vol. 92 . — P. 014319 . - doi : 10.1103/PhysRevC.92.014319 . - arXiv : 1503.06011 .

Literatură

Link -uri