Доводилось ли вам смотреть приключенческий фильм «Индиана Джонс и храм судьбы»? Там археолог Джонс находит священные камни Санкары, – если поднести такие камни друг к другу, они начинают не только ярко светиться, но и давать людям свет и тепло... «Ну, это красивая киносказка!» – скажете вы. «А на самом деле таких камней не бывает!». А вот и бывают. Где? Сейчас расскажем.

Вы когда-нибудь видели топливо для ядерного реактора? Это невзрачные маленькие чёрные цилиндрики из оксида урана. Лёгкие – 4 с половиной грамма. Холодные, твёрдые.

Когда мы слышим слово «топливо», мы представляем себе вещество, которое может гореть – бензин, уголь, природный газ в плите на кухне. Урановую таблетку поджечь не получится, она не горит. Какое же это тогда топливо? Но что самое удивительное – одна такая четырёхграммовая таблетка способна заменить... полтонны нефти. Или пятьсот кубометров природного газа. Как же такое может быть?

На заводах таблетки из оксида урана укладывают в тонкие длинные металлические стержни, а стержни собирают в «пучки» или «связки», которые называют тепловыделяющими сборками (ТВС). «Но какие же они тепловыделяющие» – спросите вы – «если они совсем холодные?». Да, холодные. Но стоит их уложить (или поставить) рядом друг с другом – и они начнут чуть-чуть нагреваться. Сами по себе! А если упакованные топливные сборки опустить в воду, «просто добавить водички» – они вдруг начнут нагреваться быстро, причём до очень высокой температуры, да ещё и засияют при этом красивым голубоватым светом! Прямо как те самые священные камни из кино про Индиану Джонса..

Что происходит дальше? Горячая вода, окружающая сборки, гонится насосами в парогенератор, а затем всё уже привычно – пар вращает турбины, турбины вращают электрогенераторы, генераторы вырабатывают электрический ток...

Но почему урановые таблетки в сборках ядерного топлива ведут себя так необычно? Поодиночке не работают, а собранные вместе начинают выделять много энергии? Как будто бы говорят: «Вместе мы – сила!». Или как в кино про Дениску Кораблёва – «Без друзей меня чуть-чуть, а с друзьями много!».

Дело в том что уран – вещество радиоактивное, нестабильное, «неустойчивое». Атомы урана сами по себе (просто от природы, потому что уран – это уран) медленно распадаются – то есть превращаются в атомы других веществ, выделяя энергию. Скажем, атом урана (точнее, изотопа урана-235) может «расколоться» на атом тория и ядро гелия (альфа-частицу). Или на атом свинца и атом неона. А иногда такими вот осколками деления могут быть атом криптона, атом бария и несколько свободных нейтронов...

И вот тут начинается самое интересное! Дело в том, что ядро атома урана может расколоться «просто так», «само по себе». Физики называют это «спонтанным делением». А ещё ядро может расколоться под воздействием элементарной частицы – того же самого нейтрона. Это называется «вынужденным делением». То есть вполне возможна ситуация, когда один атом урана распадается, «выстреливает» нейтронами, эти нейтроны «цепляют» другие атомы урана, они тоже начинают распадаться...

Цепная реакция может быть лавинообразной, неуправляемой, когда огромное количество энергии освобождается за тысячные доли секунды – в этом случае происходит ядерный взрыв. А вот если цепную реакцию «обуздать», научиться контролировать – тогда энергия будет выделяться постепенно и её можно будет превратить в то же самое электричество. На атомной электростанции.

Теперь понимаете, почему урановые таблетки работают «по закону Дениски Кораблёва»? То есть по принципу «без друзей меня чуть-чуть, а с друзьями много»? Допустим, у нас раскололся атом урана внутри маленькой таблетки. Но тогда получившиеся нейтроны просто вылетят наружу, не успев «зацепить» другие атомы урана. И выделение энергии будет мизерным, таблетка останется холодной. Но вот если этих таблеток собрать много (в реакторе может находиться больше 10 миллионов таких таблеток!), начинается выделение энергии.

«Понятно!» – скажете вы. «Но отчего выделение энергии настолько усиливается, когда мы добавляем к ядерному топливу воду?». Оттого, что вода очень хорошо замедляет скорость нейтронов. Обычно при делении атома урана вылетают «быстрые» нейтроны. На высокой скорости нейтрон может легко «вылететь» из активной зоны и не принять участие в общей цепной реакции. А вот если с помощью воды нейтрон замедлить, тогда этот нейтрон останется в активной зоне, и наверняка «попадёт» в другой атом урана (что, собственно, нам и требуется).

Как люди управляют ядерным реактором? Для этого применяются специальные управляющие стержни. В их состав входят химические элементы, способные хорошо останавливать летящие нейтроны – например, бор, кадмий или серебро. Управляющие стержни «отделяют» урановые тепловыделяющие элементы друг от друга, не дают им «работать вместе», «кидаться нейтронами друг в друга». Как будто дети играют в снежки на перемене – и вдруг их отделили друг от друга стенками. Ведь игра сразу же прекратится, верно? Поднимая и опуская управляющие стержни, инженеры получают возможность контролировать цепную реакцию, запускать и останавливать ядерный «котёл»...

Все мы с вами привыкли, что ядерный реактор – это сложное инженерное сооружение, которое относительно недавно было придумано человечеством и заставило приносить пользу путем управляемой ядерной реакцией.

Но наша с вами природа настолько уникальна и разнообразна, что создала свой природный ядерный реактор, который умудрился проработать не одну сотню лет, и было это почти два миллиарда лет тому назад. Про историю открытия и принцип работы этого природного явления и пойдет речь в сегодняшнем материале.

Итак, 1956 год, так называемая Холодная Война идет полным ходом, и каждая более-менее крупная страна стремиться заполучить уран 235, чтобы войти в закрытый клуб ядерных держав. Такое же стремление проявляла и Франция, но на своей территории ей не удалось найти месторождений урана.

Но на удачу французским специалистам удалось отыскать богатый регион Окло в такой стране, как Габон (Франция обладала властью над данной страной как метрополия). Вот только добытый в данном месторождении уран оказался очень странным. Ведь выглядел он так, как будто уже побывал в действующем реакторе.

Это стало известно после проведения обычного масс-спектрометрического анализа, выполненного в 1972 году на обогатительной фабрике. Просто инженеры столкнулись с уникальным природным явлением – природным ядерным реактором, который, как оказалось, успешно проработал порядка двух миллиардов лет.

В природе можно найти несколько изотопов урана, но для работы в ядерных реакторах и для начинки ядерных бомб подходит только уран 235. При этом период полураспада этого изотопа равен 700 миллионам лет и в результате этого распада образуется торий 231. Но стоит только оказать воздействие на уран 235 медленным нейтроном, как он тут же распадется. Это и делает данный элемент таким уникальным.

В природе есть множество источников нейтронного излучения, которые вполне способны запустить реакцию распада. Вот только они движутся слишком быстро, чтобы вступать во взаимодействие с ураном 235, а, значит, должны пройти этап замедления внешним воздействием. Оказывается, если поместить U235 в обычную воду, то она достаточно замедлит нейтроны, и они окажутся поглощены ураном 235. При этом получится изотоп уран 236, который крайне нестабильный и быстро распадается на барий 141 и криптон 92, а также три нейтрона высокой энергии.

Так вот как только выделенные эти три нейтрона окажутся замедлены водой, они также могут быть поглощены уже тремя изотопами урана 235, которые, в свою очередь, тоже пройдут процесс распада с выделением быстрых нейтронов. Это и спровоцирует возрастающую по экспоненте цепную реакцию ядерного деления.

Ученые уже давно научились выполнять так называемый углеродный анализ, который как раз основан на определении остаточной доли урана 235. В этом плане все просто, если вы знаете, когда образовался уран и что каждые 700 миллионов лет его доля в руде уменьшается вдвое, то определить каково его содержание в руде дело техники.

Так вот считается, что абсолютно весь уран на нашей планете сформировался тогда, тогда наше с вами Солнце стало сверхновой, то есть порядка 6 миллиардов лет тому назад. Отталкиваясь от этих данных получаем, что в урановой руде на Земле концентрация урана 235 должна быть равна 0,72%. Но проведенный анализ руды с месторождения в Окло показало содержание в 0,717%. На первый взгляд, разница не существенная, но, учитывая объем месторождения, было подсчитано, что в Окло недостает порядка 200 кг чистого урана, а этого на минуточку хватит, чтобы создать несколько атомных бомб.

Мы думаем, не стоит говорить, что удивлению французов не было предела, так как, учитывая всю политическую ситуацию и развернувшуюся гонку вооружений между Советским Союзом и США, «пропажа» такого количества урана вызывала огромные опасения и множество вопросов.

Вот только при более тщательном исследовании руды в месторождении ученые так же обнаружили большое количество так называемых продуктов распада урана 235. Это навело на мысль, что добытый уран 235 уже отработал свое в реакторе и был обратно возвращен в землю. И, на первый взгляд, это полнейшая бессмыслица, но дальнейшая работа над месторождением показала, что это уникальный объект – единственный в мире природный ядерный реактор.

Реактор находился в активной фазе очень давно, а именно порядка 2 миллиардов лет тому назад. При этом в то время концентрация урана в руде была равна 3% прямо как в современных ядерных реакторах.

Проблему замедления нейтронов природа решила за счет грунтовых вод, так как оказалось, что урановая руда была погружена в грунтовый пласт вод. И именно эта вода замедляла нейтроны, которые вступали в реакцию и запускали цепную ядерную реакцию. И если бы вода постоянно находилась в «реакторе», то все усиливающаяся реакция перешла бы в сверхкритическое состояние и неминуемо произошел бы взрыв. Но природный реактор в Окло так и не перешел в такое критическое состояние. Ведь вода как запускает реакцию, так и может ее остановить.

Так вот проходящая вода через реактор запускала цепную реакцию и заставляла эту область сильно разогреваться, затем спустя определенное время вода закипала и испарялась. Таким образом, реакция останавливалась, так как нечему было замедлять нейтроны. Когда реактор остывал, то вода вновь набиралась в нем и реакция запускалась. В таком «рабочем» состоянии реактор пробыл очень много лет, пока концентрация урана не упала до такой отметки, что достичь состояния критичности оказалось уже невозможно.

Вот таким образом и работал уникальный природный реактор в Окло, и ученые даже подсчитали, что его мощность была порядка 100 кВт. Этот факт указывает, что, на первый взгляд, невозможное в природе явление вполне может существовать и природа та еще выдумщица.

Задолго до того, как люди разработали концепцию ядерной энергии, природа уже создала собственный реактор. Геологическое чудо – подземная камера, в которой урановая руда, омываемая водой, самопроизвольно воспламенялась, создавая единственный на Земле природный ядерный реактор.

И это не сюжет научно-фантастического романа, а ядерный реактор Окло, созданный природой в недрах Габона (Западная Африка) около 2 миллиардов лет назад. Ряд редких и точных природных условий объединился здесь, чтобы создать то, что учёные признают единственным известным природным ядерным реактором на Земле.

Это открытие позволило заглянуть в редкие возможности природы, обогащая наше понимание ядерной физики и возможностей использования ядерной энергии природного происхождения.

История началась в 1972 году, когда физик Фрэнсис Перрен, работавший на заводе по переработке ядерного топлива во Франции, столкнулся с загадочной аномалией. Образец урановой руды, взятый из шахты в Габоне, демонстрировал необычное изотопное соотношение урана-235 (U-235), которое не соответствовало существующим научным представлениям.

Природный уран обычно содержит 0,720% U-235, но в этом конкретном образце его было всего 0,717%. Несмотря на кажущуюся незначительность, эта разница была достаточно существенной, чтобы вызвать недоумение и побудить физика к дальнейшему расследованию. Далее последовала серия анализов, которые привели к революционному открытию.

Первоначально возникло подозрение, что уран мог подвергнуться каким-то искусственным манипуляциям или обогащению – обычная практика при производстве ядерной энергии. Однако дальнейшие исследования подтвердили, что руда была полностью натуральной, без каких-либо признаков человеческого вмешательства. Единственное правдоподобное объяснение заключалось в том, что этот кусок урановой руды был частью природного реактора деления ядер, который спонтанно заработал миллиарды лет назад, когда условия на Земле были совершенно иными.

Существование природного ядерного реактора в Окло стало возможным благодаря стечению необычных геологических и экологических условий, которые в чём-то отражают инженерные аспекты современных ядерных реакторов. Центральное место в этом явлении занимала концентрация урана-235 (U-235), природного расщепляющегося изотопа. Примерно 2 миллиарда лет назад процентное содержание U-235 в природном уране составляло около 3%, что значительно выше современных 0,720%. Такая повышенная концентрация была крайне важна, поскольку позволяла поддерживать устойчивую цепную ядерную реакцию, которая тщательно воспроизводится в процессе обогащения топлива в современных ядерных реакторах.

Не менее важную роль в природном реакторе Окло играла вода, выступавшая в качестве замедлителя нейтронов. В ядерной физике замедлитель – это вещество, которое замедляет нейтроны, высвобождающиеся при делении, чтобы они могли поддерживать цепную реакцию с контролируемой скоростью. В Окло грунтовые воды, проникающие в урановые залежи, служили замедлителем нейтронов ровно настолько, чтобы обеспечить непрерывное деление без перегрева и расплавления – процесс, который тщательно контролируется в современных реакторах с усовершенствованными системами охлаждения.

Геологическая стабильность региона также способствовала долговечности реактора. Естественная конфигурация урановой руды, окружающий песчаник и отсутствие разрушительной геологической активности, обеспечили стабильную матрицу, которая сохраняла целостность реактора на протяжении тысячелетий. Это контрастирует с современными высокоинженерными защитными конструкциями и системами безопасности, разработанными для изоляции реакций и защиты от вмешательства окружающей среды в промышленных реакторах.

Открытие реактора Окло позволило глубоко изучить поведение ядерных материалов в природных условиях, что существенно повлияло на области ядерной физики и экологии. Одним из интригующих открытий, сделанных в Окло, стала роль органических соединений, обнаруженных в урановых месторождениях. Эти органические материалы, вероятно, помогали связывать побочные продукты ядерного деления, не позволяя им рассеиваться в окружающей среде.

Такая естественная изоляция параллельна современным методам обращения с ядерными отходами, где для изоляции радиоактивных отходов используются синтетические барьеры и геологические хранилища. Кроме того, изучение продуктов деления и закономерностей их миграции в реакторе Окло представляет уникальный пример для понимания долгосрочных взаимодействий между радиоактивными материалами и окружающей средой.

Эти знания стали бесценны для разработки более безопасных и эффективных методов хранения и захоронения ядерных отходов. Исследователи и сейчас особенно заинтересованы в том, как природные аналоги, подобные Окло, могут помочь в проектировании будущих хранилищ ядерных отходов, обеспечивая безопасное их хранение в течение геологического времени.

Уроки, полученные из Окло, выходят за рамки практических применений в области ядерной энергетики и обращения с отходами. Они бросают вызов нашему пониманию, что возможно в природе, и побуждают к переоценке того, как ядерные процессы рассматриваются в контексте геологической истории Земли и, возможно, других планет.

Сегодня природный ядерный реактор Окло продолжает восхищать учёных и общественность не только как исторический уникум, но и как образовательный инструмент и научный ресурс.

Ощутимая часть этого древнего явления представлена в Венском музее естественной истории, где образец с места реактора Окло стал частью постоянной экспозиции с 2019 года. Этот образец, наряду с другими, хранящимися во французской компании Orano, занимающейся ядерной энергетикой и возобновляемыми источниками энергии, служит прямой связью с прошлым, представляя вещественное доказательство естественного деления ядер.

Выставление этих образцов горных пород также играет важнейшую роль в просвещении общественности о естественной радиоактивности. Людовик Ферьер, хранитель коллекции горных пород в музее, подчёркивает важность этих экспонатов для объяснения радиоактивности.

Представляя реальные примеры радиоактивных материалов естественного происхождения, музей помогает посетителям понять, что радиоактивность – это не только побочный продукт человеческих технологий, но и нормальная часть экологических и геологических систем нашей планеты.