Природный ядерный реактор в Окло

1. В 1972 г. во время масс-спектрографического анализа на заводе Пьерлатте (Франция), где проводилось обогащение ядерного топлива из гексафторида урана , было обнаружено, что в этом материале из общего числа атомов урана содержится 0,717 % атомов урана-235, тогда как в земных породах, метео­ритах и образцах лунного грунта содержание урана-235 больше, а именно 0,72 %. Урановая руда для переработки доставлялась из рудника Окло, расположенного в Габоне вблизи города Франсфиля (Африка). Как выяснилось позднее, уже в более раннее время (в 1970 — 1972 гг.) на переработку поступала ру­да, содержащая временами до 20 % урана, обедненного до 0,64 % изотопом . Так как руда при добыче перемешивалась, то обеднение ураном-235 в отдельных образцах могло быть еще сильнее. Всего обедненного урана, использованного в цеп­ной реакции деления, было добыто более 700 т, причем дефицит урана-235 (не замеченный первоначально) составил примерно 200 кг. Изотопный анализ урановых образцов, значительно обед­ненных ураном-235, обнаружил также заметные отклонения от природного распределения именно тех редкоземельных изотопов, которые являются продуктами деления ядер урана. Каковы же возможные причины этих отклонений?

Урановое месторождение Окло, исследованное по методу со­держания свинца в урановой руде, сформировалось примерно 1,8 • 10⁹ лет тому назад. Как полагают геологи, в дельте древней реки образовался осадочный слой богатого ураном песчаника толщиной 4—10 м и шириной 600—900 м. Под ним находи­лась базальтовая порода, которая под действием тектонических процессов опустилась на глубину в несколько километров. При таком опускании урановая жила растрескалась, и в нее проник­ли грунтовые воды. Десятки миллионов лет тому назад место­рождение поднялось вверх до современного уровня. В руде со средней весовой концентрацией урана 0,5 % были обнаружены 6 глинистых линз, т. е. образований размером от 10 до 20 м и толщиной порядка метра, в которых концентрация урана дохо­дит до 20—40 % и больше. Образование линз со сверхвысоким содержанием урана произошло, по-видимому, под действием фильтрационных вод, хотя детальная картина этого процесса и не ясна.

2. Урановый рудник в Окло в какой-то мере напоминает ге­терогенный ядерный реактор. Роль ТВЭЛов выполняют линзы, содержащие уран, роль замедлителя — грунтовая вода между ними. Цепная реакция в таком руднике была бы невозможна, если бы изотопный состав урана в нем был бы таким же, как и изотопный состав современного естественного урана. И действи­тельно, в настоящее время цепная реакция в руднике не идет. Однако уран-238 распадается медленнее, чем уран-235. Их пе­риоды полураспада равны соответственно 4,5 • 10⁹ и 7,1 • 10⁸ лет. Исходя из этих данных, нетрудно подсчитать, что 1,8 • 10⁹ лет тому назад содержание атомов изотопа должно было составлять примерно 3,1 % от общего количества атомов урана. А для такого обогащенного урана в присутствии воды (в каче­стве замедлителя) коэффициент размножения мог достиг­нуть критического значения и даже несколько превзойти его. При таких условиях в далекие времена могла возникнуть самопроизвольная цепная ядерная реакция, что, по-видимому, и произошло на самом деле.

Продолжительность работы естественного ядерного реактора в Окло была оценена по количеству образовавшегося плутония Таким путем было найдено, что она составляет около 0,6—0,8 млн лет. Эта оценка не очень надежна хотя бы пото­му, что доля делений ²³⁹Рu относительно полного числа деле­ний составляет всего лишь несколько процентов и сравнима с долей делений ²³⁸U на быстрых нейтронах.

Общее количество энергии, выработанной реактором в Окло, оценивается приблизительно в 1,5 ■ 10⁴ МВт • лет. Такое же ко­личество энергии вырабатывают два блока Ленинградской АЭС за 2,3 года при полной нагрузке. Если принять среднюю про­должительность работы реактора в Окло равной 0,6 млн лет, то средняя мощность выделяющейся в нем энергии составляет все­го лишь 25 кВт. Это соответствует среднему потоку тепловых нейтронов в реакторе не выше

Не следует думать, что цепная реакция, шедшая в Окло, но­сила бурный характер — с гулом, шипением пара и пр. На са­мом деле реакция была медленной — она скорее «тлела». Тем­пература в руднике никогда не превышала 300—600°С, так как природный реактор был саморегулирующейся системой. При повышении температуры из зоны реакции удалялась вода, а это вело к уменьшению количества медленных нейтронов, к затуханию и даже полному угасанию реакция. Затем рудник начинал остывать и в него снова набиралась вода, замедляющая нейтроны. Это создавало благоприятные условия для возобнов­ления цепной реакции, а следовательно, и для повышения тем­пературы. Вода снова удалялась из реактора, и реакция зату­хала. Затем опять начиналось накопление воды, увеличение количества тепловых нейтронов, возобновление цепной реакции и т. д. Таким образом, периодически происходила смена возбуж­дения и затухания реакции.

Под цепной понимают такую реакцию, в которой воспроизводится, и притом в большем количестве, одно из исходных реагирующих веществ, которое вновь вступает в такую же реакцию. В результате это вещество снова воспроизводится, но в еще большем количестве. В цепной ядерной реакции деления атомных ядер воспроиз­водятся нейтроны. Приведем идеализированный пример такой реакции. Пусть тело достаточно больших размеров (что счита­ется достаточно большим, выяснится само собой в ходе изло­жения) состоит из чистого урана-235. Допустим, что в резуль­тате спонтанного деления или под действием космических лучей в теле появился нейтрон. Отвлекаясь от всех усложняющих обстоятельств, примем для простоты, что каждый нейтрон рано или поздно захватывается одним из ядер U-235 и вызывает деле­ние последнего с возникновением двух новых нейтронов, кото­рые мы будем называть нейтронами первого поколения. Эти два нейтрона в свою очередь вызовут деление двух ядер; в резуль­тате появятся четыре нейтрона второго поколения. На смену "четырем нейтронам второго поколения придут 23 = 8 нейтронов третьего поколения, и т. д. Число нейтронов п-го поколения бу­дет экспоненциально нарастать со временем.

Цепная реакция деления и есть основной процесс, который идет в ядерных реакторах. Объем, занимаемый делящимся ве­ществом, называется активной зоной реактора. Цепная реакция практически осуществляется на так называемом обогащенном уране. В обогащенном уране со­держание изотопа U-235 доводится до 2—5 %. Обогащение есте­ственного урана производится путем разделения изотопов.

Важная роль в ядерной энергетике в настоящее время отводится реакторам-размножителям (иначе называемым бридерами). В будущем роль таких реакторов должна становиться все большей и большей и в конце концов сделаться определяющей. Реактором-размножителем называется такой реактор, в котором происходит не только выработка энергии, но и расширенное вос­производство делящегося материала. Циклы воспроизводства ос­нованы на ядерных реакциях (94.2) и (95.1). В первой реакции не делящееся медленными нейтронами ядро ²³⁸U превращается в ядро ²³⁹Ри. Во второй реакции ядро ²³²Тh, также не делящееся медленными нейтронами, превращается в ядро ²³³U.

В ядерной физике вероятность взаимодействия принято харак­теризовать с помощью эффективного сечения s. Смысл этой величины заключается в следующем. Пусть поток частиц, например нейтронов, падает на мишень, настолько тонкую, что ядра мишени не перекрывают друг друга (рис. 71.1). Если бы ядра были твердыми шариками с поперечным сечением о, а падающие частицы—твердыми шариками с исчезающе малым сечением, то вероятность того, что падающая частица заденет одно из ядер мишени, была бы равна

где п— концентрация ядер, т. е. число их в единице объема мишени, б — толщина мишени.

Пусть на мишень падает перпендикулярно к ее поверхности поток частиц N. Тогда количество частиц, претерпевающих в единицу времени столкновения с ядрами мишени, DN, опре­деляется формулой

(71.4)

Следовательно, определив относительное количество частиц, претерпевших столкновения, DN /N, можно было бы вычислить поперечное сечение s =p r² ядра по формуле

(71.5)

В действительности ни ядра мишени, ни падающие на нее частицы не являются твердыми шариками. Однако по аналогии с моделью сталкивающихся шариков для характеристики вероят­ности взаимодействия используют величину s, определяемую формулой (71.5), в которой под DNподразумевают не число столкнувшихся, а число провзаимодействовавших с ядрами мишени частиц. Эта величина и называется эффективным сече­нием для данной реакции (или процесса).

Эффективные сечения ядерных процессов принято выражать в единицах, получивших название барн:

[1] Тепловыми называются нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии c атомами

[2] Деление тяжелых ядер может быть вызвано не только нейтронами, но и другими частицами — протонами, дейтронами, а-частицами, а также g-фотонами. В последнем случае говорят о фотоделении ядер.

[SV1]можно опустить

[SV2]

Поиск по сайту: