Naturlig kärnreaktor i Oklo

Naturlig kärnreaktor i Oklo -  flera malmkroppar i Oklo - uranfyndigheten i Gabon , där en spontan kedjereaktion av klyvning av urankärnor för cirka 1,8 miljarder år sedan [1] inträffade. Reaktionen har nu upphört på grund av utarmningen av isotopen 235 U av en lämplig koncentration.

Fenomenet upptäcktes av den franske fysikern Francis Perrin1972 som ett resultat av att studera den isotopiska sammansättningen av grundämnen i malmerna i Oklofyndigheten. De naturliga förhållanden under vilka en självförsörjande kärnklyvningsreaktion är möjlig förutspåddes av Paul  Kazuo Kuroda 1956 [2] och visade sig ligga nära verkligheten.

Malmkropparna i vilka kedjereaktionen ägde rum är linsformade formationer av uraninite (UO 2 ), ca 10 m i diameter och 20 till 90 cm tjocka , inbäddade i porös sandsten ; uranhalten i dem varierade från 20 till 80 % (i vikt). 16 enkla reaktorer har identifierats i tre olika delar av fältet: Oklo, Okelobondo (Okelobondo, 1,6 km från Oklo) och Bangombe (Bangombe, 20 km söder om Oklo). Alla 16 malmkroppar är förenade under det allmänna namnet "Oklo Natural Nuclear Reactor".

Oklo är den enda kända naturliga kärnreaktorn på jorden. Kedjereaktionen började här för cirka 2 miljarder år sedan och fortsatte i flera hundra tusen år. Den genomsnittliga termiska effekten av reaktorn var cirka 100 kW [3] [4] . Och även om naturliga kedjereaktioner för närvarande är omöjliga på grund av det låga isotopinnehållet av uran-235 i naturligt uran på grund av naturligt radioaktivt sönderfall, kunde naturliga kärnreaktorer ha funnits för mer än en miljard år sedan när halten av uran-235 var högre (t. för två miljarder år sedan var koncentrationen av uran-235 3,7 %, 3 miljarder år - 8,4 % och 4 miljarder år - 19,2 % [5] .

Historik

I maj 1972 vid anrikningsanläggningen för uran i Pierrelat(Frankrike) under en rutinmässig masspektrometrisk analys av uranhexafluorid UF 6 från Oklo upptäcktes en onormal uranisotopsammansättning. Halten av isotopen 235 U var 0,717 % istället för de vanliga 0,720 %. Denna diskrepans krävde en förklaring, eftersom alla kärntekniska anläggningar är föremål för strikt kontroll för att förhindra illegal användning av klyvbart material för militära ändamål. Det franska kommissariatet för atomenergi (CEA) inledde en utredning. En serie mätningar avslöjade betydande avvikelser i isotopförhållandet 235U / 238U i flera gruvor. I en av gruvorna var halten 235 U 0,440 %. Anomalier hittades också i isotopfördelningarna av neodym och rutenium .

En minskning av koncentrationen av isotopen 235 U är ett karakteristiskt kännetecken för använt kärnbränsle, eftersom just denna isotop är det huvudsakliga klyvbara materialet i en urankärnreaktor . Den 25 september 1972 tillkännagav CEA upptäckten av en naturlig, självförsörjande kärnklyvningsreaktion. Spår av sådana reaktioner hittades i totalt 16 punkter.

Isotopiska tecken på kärnklyvning

Det isotopiska innehållet i vissa grundämnen från mitten av det periodiska systemet i Oklo-malmarna visar att det tidigare fanns ett uran-235- klyvningscentrum .

Neodym

Neodym är ett av de grundämnen vars isotopsammansättning i Oklo är anomal jämfört med andra områden. Till exempel innehåller naturligt neodym 27% av 142Nd-isotopen , medan det i Oklo bara är 6%. Samtidigt innehöll Oklo-malmarna mer av isotopen 143 Nd. Om bakgrundsinnehållet (naturligt, som finns i intakta delar av jordskorpan) subtraheras från isotopinnehållet av neodym uppmätt vid Oklo, är den erhållna isotopsammansättningen av neodym karakteristisk för fissionsprodukter på 235 U.

Ruthenium

Liknande anomalier i isotopsammansättningen i Oklo observeras också för rutenium . 99 Ru -isotopen finns i större mängder än i naturliga förhållanden (27-30 % istället för 12,7 %). Anomalien kan förklaras av sönderfallet av 99 Tc → 99 Ru , eftersom teknetium -99 är en relativt kortlivad ( T 1/2 = 212 tusen år ) klyvningsprodukt av 235 U. 100 Ru-isotopen finns i mycket mindre mängder, endast på grund av dess naturliga överflöd, så att det inte uppstår från klyvningen av uran-235. Dess 100 Mo isobar , som är en klyvningsprodukt och sönderfaller (via dubbel beta-sönderfall ) till 100 Ru, har för lång livslängd ( ~10 19 år ) för att ge något mätbart bidrag till rutenium-100-innehållet i Oklo-mineralerna.

Utbildningsmekanism

Reaktorn uppstod som ett resultat av översvämningen av porösa uranrika bergarter med grundvatten, som fungerade som neutronmoderatorer. Värmen som frigjordes från reaktionen fick vattnet att koka och avdunsta, vilket bromsade eller stoppade kedjereaktionen. Efter att berget svalnat och de kortlivade sönderfallsprodukterna ( neutrongifter ) sönderfallit, kondenserade vattnet och reaktionen återupptogs. Denna cykliska process fortsatte i flera hundra tusen år.

Klyvning av uran ger fem isotoper av xenon bland klyvningsprodukterna . Alla fem isotoper har hittats i varierande koncentrationer i naturliga reaktorbergarter. Den isotopiska sammansättningen av xenon isolerat från bergarterna gör det möjligt att beräkna att en typisk reaktordriftscykel var cirka 3 timmar: cirka 30 minuters kritikalitet och 2 timmar och 30 minuter av kylning [6] .

Nyckelfaktorn som möjliggjorde driften av reaktorn var den cirka 3,7 % isotopiska förekomsten av 235 U i naturligt uran vid den tiden. Denna isotopförekomst är jämförbar med uranhalten i låganrikat kärnbränsle som används i de flesta moderna kärnkraftsreaktorer. (Resterande 96% är 238 U , inte lämplig för termiska neutronreaktorer). Eftersom uran-235 har en halveringstid på endast 0,7 miljarder år (betydligt kortare än uran-238), är den nuvarande mängden uran-235 endast 0,72 %, vilket inte räcker för att driva en lättvattenmodererad reaktor utan föregående isotopanrikning . Därför är det för närvarande omöjligt att bilda en naturlig kärnreaktor på jorden.

Oklos uranfyndighet är den enda kända platsen där en naturlig kärnreaktor fanns. Andra rika uranmalmskroppar hade också tillräckligt med uran för en självuppehållande kedjereaktion vid den tiden, men kombinationen av fysiska förhållanden vid Oklo (särskilt närvaron av vatten som neutronmoderator, etc.) var unik.

En annan faktor som troligen bidrog till att reaktionen startade i Oklo för exakt 2 miljarder år sedan, och inte tidigare, var ökningen av syrehalten i jordens atmosfär [4] . Uran löser sig bra i vatten endast i närvaro av syre , därför, i jordskorpan, blev överföringen och koncentrationen av uran av underjordiska vatten, som bildar rika malmkroppar, möjlig först efter att ha nått ett tillräckligt innehåll av fritt syre.

Det uppskattas att fissionsreaktioner som ägde rum i uranmineralformationer i storlek från centimeter till meter brände ut cirka 5 ton uran-235 . Temperaturen i reaktorn steg till flera hundra grader Celsius. De flesta av de icke-flyktiga klyvningsprodukterna och aktiniderna har diffunderat endast centimeter under de senaste 2 miljarder åren [4] . Detta gör det möjligt att studera transporten av radioaktiva isotoper i jordskorpan, vilket är viktigt för att förutsäga deras långsiktiga beteende på deponier för radioaktivt avfall [7] .

Samband med variationer av fundamentala konstanter

Kort efter upptäckten av den naturliga reaktorn i Oklo användes studier av isotopförhållanden i dess bergarter [8] [9] för att testa om fundamentala fysikaliska konstanter har förändrats under de senaste 2 miljarder åren. I synnerhet upphör resonansfångning av en termisk neutron av en kärna på 149 Sm med bildandet av 150 Sm att vara möjlig även med en liten förändring i finstrukturkonstanten α , som bestämmer styrkan hos elektromagnetiska interaktioner , och liknande konstanter för starka och svaga interaktioner . Mätning av det relativa innehållet av 149 Sm/ 150 Sm i Oklo-mineraler gjorde det möjligt att fastställa att, inom det experimentella felet, värdet av dessa konstanter var detsamma som i vår tid, eftersom infångningshastigheten för termiska neutroner av samarium- 149 har inte förändrats under de senaste 2 miljarder åren [10] [11] . För 2015 har ännu känsligare mätningar genomförts och det anses utrett [12] att under driften av Oklo-reaktorn har den relativa skillnaden | ∆α/α | av finstrukturkonstanten från det moderna värdet översteg inte 1,1 × 10 −8 med en konfidensnivå på 95%. Om man antar en linjär förändring i α med tiden, innebär detta en begränsning av graden av årlig variation av finstrukturkonstanten [12] :

år −1 .

Anteckningar

  1. ↑ I olika källor bestäms reaktorns ålder i intervallet från 2 till 1,8 miljarder år sedan.
  2. ↑ Kuroda PK om den nukleära fysiska stabiliteten av uranmineralerna  //  Journal of Chemical Physics . - 1956. - Vol. 25 . - s. 781-782; 1295-1296 . - doi : 10.1063/1.1743058 . — .
  3. ↑ Meshik AP Arbetet i en forntida kärnreaktor  // Scientific American  . - 2005. - Iss. 11 .
  4. ↑ 1 2 3 Gauthier-Lafaye F., Holliger P., Blanc, P.-L. Naturliga fissionsreaktorer i Franceville Basin, Gabon: en genomgång av villkoren och resultaten av en "kritisk händelse" i ett geologiskt system  // Geochimica et  Cosmochimica Acta. - 1996. - Vol. 60 , nej. 25 . - P. 4831-4852 . - doi : 10.1016/S0016-7037(96)00245-1 . — .
  5. ↑ Shukolyukov A. Yu. Uranium. Naturlig kärnreaktor  // Kemi och liv. - 1980. - Nr 6 . - S. 20-24 .
  6. ↑ Meshik A. P. et al.  Uppgifter om cyklisk drift av den naturliga kärnreaktorn i Oklo / Okelobondo-området i Gabon  // Physical Review Letters . - 2004. - Vol. 93 , nr. 18 . — S. 182302 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.93.182302 . - . — PMID 15525157 .
  7. ↑ De Laeter JR, Rosman KJR, Smith, CL Oklos naturreaktor: Kumulativa fissionsutbyten och retentionsförmåga hos den symmetriska massregionens fissionsprodukter   // Earth and Planetary Science Letters. - 1980. - Vol. 50 . - S. 238-246 . - doi : 10.1016/0012-821X(80)90135-1 . - .
  8. ↑ Shlyakhter AI Direkt test av konstansen hos fundamentala kärnkonstanter   // Nature . - 1976. - 25 november ( vol. 264 ). — S. 340 . - doi : 10.1038/264340a0 . Arkiverad från originalet den 22 september 2015.
  9. ↑ Shlyakhter A. I. Direkt verifiering av konstansen hos fundamentala konstanter enligt data om Oklos naturliga kärnreaktor  // Preprint LINP . - 1976. - September ( nr 260 ).
  10. ↑ Ny forskare: Oklo-reaktor och finstrukturvärde. 30 juni 2004. . Hämtad 4 oktober 2017. Arkiverad från originalet 12 juli 2015.
  11. ↑ Petrov Yu. V., Nazarov AI, Onegin MS, Sakhnovsky EG Naturlig kärnreaktor vid Oklo och variation av fundamentala konstanter: Beräkning av neutronik i en ny kärna  (engelska)  // Phys. Varv. C. _ - 2006. - Vol. 74 , nr. 6 . — S. 064610 . - doi : 10.1103/PHYSREVC.74.064610 . - . - arXiv : hep-ph/0506186 .
  12. ↑ 1 2 Davis ED, Hamdan L. Omvärdering av gränsen för variationen i α som antyds av Oklos naturliga fissionsreaktorer   // Phys . Varv. C. - 2015. - Vol. 92 . — S. 014319 . - doi : 10.1103/PhysRevC.92.014319 . - arXiv : 1503.06011 .

Litteratur

Länkar