Naturlig atomreaktor i Oklo

Naturlig atomreaktor i Oklo  - flere malmlegemer i Oklo uranforekomsten i Gabon , hvor der for omkring 1,8 milliarder år siden [1] skete en spontan kædereaktion af fission af urankerner. Reaktionen er nu ophørt på grund af udtømningen af ​​isotopen 235 U af en passende koncentration.

Fænomenet blev opdaget af den franske fysiker Francis Perrini 1972 som et resultat af at studere den isotopiske sammensætning af grundstoffer i malmene i Oklo-forekomsten. De naturlige forhold, hvorunder en selvopretholdende nuklear fissionsreaktion er mulig, blev forudsagt af Paul  Kazuo Kuroda i 1956 [2] og viste sig at være tæt på virkeligheden.

De malmlegemer, hvori kædereaktionen fandt sted, er linseformede formationer af uraninit (UO 2 ), omkring 10 m i diameter og 20 til 90 cm tykke , indlejret i porøs sandsten ; uranindholdet i dem varierede fra 20 til 80 % (efter masse). 16 enkeltreaktorer er blevet identificeret i tre forskellige dele af feltet: Oklo, Okelobondo (Okelobondo, 1,6 km fra Oklo) og Bangombe (Bangombe, 20 km syd for Oklo). Alle 16 malmlegemer er forenet under det generelle navn "Oklo Natural Nuclear Reactor".

Oklo er den eneste kendte naturlige atomreaktor på Jorden. Kædereaktionen begyndte her for omkring 2 milliarder år siden og fortsatte i flere hundrede tusinde år. Den gennemsnitlige termiske effekt af reaktoren var omkring 100 kW [3] [4] . Og selvom naturlige kædereaktioner i øjeblikket er umulige på grund af det lave isotopindhold af uran-235 i naturligt uran på grund af naturligt radioaktivt henfald, kunne naturlige atomreaktorer have eksisteret for mere end en milliard år siden, da indholdet af uran-235 var højere (f.eks. for to milliarder år siden var koncentrationen af ​​uran-235 for eksempel 3,7%, 3 milliarder år - 8,4% og 4 milliarder år - 19,2%) [5] .

Historie

I maj 1972 på uranberigelsesanlægget i Pierrelat(Frankrig) under en rutinemæssig massespektrometrisk analyse af uranhexafluorid UF 6 fra Oklo blev der påvist en unormal uranisotopsammensætning. Indholdet af isotopen 235 U var 0,717 % i stedet for de sædvanlige 0,720 %. Denne uoverensstemmelse krævede en forklaring, da alle nukleare anlæg er underlagt streng kontrol for at forhindre ulovlig brug af fissile materialer til militære formål. Det franske kommissariat for atomenergi (CEA) iværksatte en undersøgelse. En række målinger afslørede betydelige afvigelser i 235U / 238U isotopforholdet i flere miner. I en af ​​minerne var indholdet af 235 U 0,440 %. Der blev også fundet anomalier i isotopfordelingerne af neodym og ruthenium .

Et fald i koncentrationen af ​​isotopen 235 U er et karakteristisk træk ved brugt nukleart brændsel, da netop denne isotop er det vigtigste fissile materiale i en uran-atomreaktor . Den 25. september 1972 annoncerede CEA opdagelsen af ​​en naturlig, selvbærende nuklear fissionsreaktion. Spor af sådanne reaktioner blev fundet i i alt 16 punkter.

Isotopiske tegn på nuklear fission

Det isotopiske indhold af nogle grundstoffer fra midten af ​​det periodiske system i Oklo-malmene viser eksistensen her i fortiden af ​​et uran-235 fissionscenter .

Neodym

Neodym er et af de grundstoffer, hvis isotopsammensætning i Oklo er unormal sammenlignet med andre områder. For eksempel indeholder naturligt neodym 27% af 142Nd isotopen , mens det i Oklo kun er 6%. Samtidig indeholdt Oklo-malmene mere af 143 Nd isotopen. Hvis baggrundsindholdet (naturligt, eksisterende i intakte dele af jordskorpen) trækkes fra isotopindholdet af neodym målt ved Oklo, er den opnåede isotopsammensætning af neodym karakteristisk for fissionsprodukter på 235 U.

Ruthenium

Lignende anomalier i den isotopiske sammensætning i Oklo er også observeret for ruthenium . 99 Ru isotopen findes i større mængder end under naturlige forhold (27-30% i stedet for 12,7%). Anomalien kan forklares ved henfaldet af 99 Tc → 99 Ru , da technetium -99 er et relativt kortvarigt ( T 1/2 = 212 tusind år ) fissionsprodukt på 235 U. 100 Ru-isotopen findes i meget mindre mængder, kun på grund af dens naturlige overflod, så den ikke opstår ved spaltningen af ​​uran-235. Dens 100 Mo isobar , som er et fissionsprodukt og henfalder (via dobbelt beta-henfald ) til 100 Ru, har en for lang levetid ( ~10 19 år ) til at give noget målbart bidrag til ruthenium-100 indholdet af Oklo mineraler.

Uddannelsesmekanisme

Reaktoren opstod som følge af oversvømmelsen af ​​porøse uranrige bjergarter med grundvand, som fungerede som neutronmoderatorer. Varmen frigivet fra reaktionen fik vandet til at koge og fordampe, hvilket bremsede eller stoppede kædereaktionen. Efter at klippen var afkølet og de kortvarige henfaldsprodukter ( neutrongifte ) var henfaldet, kondenserede vandet og reaktionen genoptog. Denne cykliske proces fortsatte i flere hundrede tusinde år.

Fission af uran producerer fem isotoper af xenon blandt fissionsprodukterne . Alle fem isotoper er fundet i varierende koncentrationer i naturlige reaktorbjergarter. Den isotopiske sammensætning af xenon isoleret fra klipperne gør det muligt at beregne, at en typisk reaktordriftscyklus var cirka 3 timer: cirka 30 minutters kritikalitet og 2 timer og 30 minutters afkøling [6] .

Nøglefaktoren, der gjorde driften af ​​reaktoren mulig, var den omkring 3,7% isotopiske overflod af 235 U i naturligt uran på det tidspunkt. Denne isotopiske overflod kan sammenlignes med uranindholdet i lavberiget nukleart brændsel, der anvendes i de fleste moderne atomkraftreaktorer. (De resterende 96% er 238 U , ikke egnet til termiske neutronreaktorer). Da uran-235 kun har en halveringstid på 0,7 milliarder år (betydeligt kortere end uran-238), er den nuværende overflod af uran-235 kun 0,72 %, hvilket ikke er nok til at drive en letvandsmodereret reaktor uden forudgående isotopberigelse . På nuværende tidspunkt er dannelsen af ​​en naturlig atomreaktor på Jorden således umulig.

Oklo uranforekomsten er det eneste kendte sted, hvor der eksisterede en naturlig atomreaktor. Andre rige uranmalmlegemer havde også tilstrækkeligt uran til en selvopretholdende fissionskædereaktion på det tidspunkt, men kombinationen af ​​fysiske forhold ved Oklo (især tilstedeværelsen af ​​vand som neutronmoderator osv.) var unik.

En anden faktor, der formentlig var medvirkende til, at reaktionen startede i Oklo for præcis 2 milliarder år siden, og ikke tidligere, var stigningen i iltindholdet i Jordens atmosfære [4] . Uran opløses kun godt i vand i nærvær af ilt , derfor blev overførslen og koncentrationen af ​​uran i jordskorpen af ​​underjordiske vand, som danner rige malmlegemer, først mulig efter at have nået et tilstrækkeligt indhold af frit ilt.

Det anslås, at fissionsreaktioner, der fandt sted i uranmineralformationer varierende i størrelse fra centimeter til meter, udbrændte omkring 5 tons uran-235 . Temperaturerne i reaktoren steg til flere hundrede grader celsius. De fleste af de ikke-flygtige fissionsprodukter og aktinider har kun spredt sig i centimeter i løbet af de sidste 2 milliarder år [4] . Dette gør det muligt at studere transporten af ​​radioaktive isotoper i jordskorpen, hvilket er vigtigt for at forudsige deres langsigtede adfærd på deponeringspladser for radioaktivt affald [7] .

Forbindelse med variationer af fundamentale konstanter

Kort efter opdagelsen af ​​den naturlige reaktor ved Oklo blev undersøgelser af isotopforhold i dens bjergarter brugt [8] [9] til at teste, om fundamentale fysiske konstanter har ændret sig i løbet af de sidste 2 milliarder år. Især resonansindfangning af en termisk neutron af en 149 Sm kerne med dannelse af 150 Sm ophører med at være mulig selv med en lille ændring i finstrukturkonstanten α , som bestemmer styrken af ​​elektromagnetiske interaktioner , og lignende konstanter for stærke og svage interaktioner . Måling af det relative indhold af 149 Sm/ 150 Sm i Oklo-mineraler gjorde det muligt at fastslå, at værdien af ​​disse konstanter inden for den eksperimentelle fejl var den samme som i vor tid, da samarium-fangsthastigheden af ​​termiske neutroner. 149 har ikke ændret sig i løbet af de sidste 2 milliarder år [10] [11] . For 2015 blev der udført endnu mere følsomme målinger, og det anses for fastslået [12] at under driften af ​​Oklo-reaktoren er den relative forskel | ∆α/α | af finstrukturkonstanten fra den moderne værdi oversteg ikke 1,1 × 10 −8 med et konfidensniveau på 95%. Hvis man antager en lineær ændring i α med tiden, betyder dette en begrænsning på hastigheden af ​​den årlige variation af finstrukturkonstanten [12] :

år −1 .

Noter

  1. ↑ I forskellige kilder er reaktorens alder bestemt i intervallet fra 2 til 1,8 milliarder år siden.
  2. ↑ Kuroda PK om uranmineralernes nukleare fysiske stabilitet  //  Journal of Chemical Physics . - 1956. - Bd. 25 . - s. 781-782; 1295-1296 . - doi : 10.1063/1.1743058 . — .
  3. ↑ Meshik AP Arbejdet i en gammel atomreaktor  // Scientific American  . - 2005. - Iss. 11 .
  4. ↑ 1 2 3 Gauthier-Lafaye F., Holliger P., Blanc, P.-L. Naturlige fissionsreaktorer i Franceville-bassinet, Gabon: en gennemgang af betingelserne og resultaterne af en "kritisk begivenhed" i et geologisk system  // Geochimica et  Cosmochimica Acta. - 1996. - Bd. 60 , nr. 25 . - P. 4831-4852 . - doi : 10.1016/S0016-7037(96)00245-1 . — .
  5. ↑ Shukolyukov A. Yu. Uran. Naturlig atomreaktor  // Kemi og liv. - 1980. - Nr. 6 . - S. 20-24 .
  6. ↑ Meshik A. P. et al.  Registrering af cykeldrift af den naturlige atomreaktor i Oklo / Okelobondo-området i Gabon  // Physical Review Letters . - 2004. - Bd. 93 , nr. 18 . — S. 182302 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.93.182302 . - . — PMID 15525157 .
  7. ↑ De Laeter JR, Rosman KJR, Smith, CL Oklo Natural Reactor: Cumulative Fission Yields and Retentivity of the Symmetric Mass Region Fission Products   // Earth and Planetary Science Letters. - 1980. - Bd. 50 . - S. 238-246 . - doi : 10.1016/0012-821X(80)90135-1 . - .
  8. ↑ Shlyakhter AI Direkte test af konstanten af ​​fundamentale nukleare konstanter   // Nature . - 1976. - 25. november ( bind 264 ). — S. 340 . - doi : 10.1038/264340a0 . Arkiveret fra originalen den 22. september 2015.
  9. ↑ Shlyakhter A. I. Direkte verifikation af konstanten af ​​fundamentale konstanter ifølge dataene om Oklo naturlige atomreaktor  // Preprint LINP . - 1976. - September ( nr. 260 ).
  10. ↑ Ny videnskabsmand: Oklo-reaktor og finstrukturværdi. 30. juni 2004. . Hentet 4. oktober 2017. Arkiveret fra originalen 12. juli 2015.
  11. ↑ Petrov Yu. V., Nazarov AI, Onegin MS, Sakhnovsky EG Naturlig atomreaktor ved Oklo og variation af fundamentale konstanter: Beregning af neutronik af en frisk kerne  (engelsk)  // Phys. Rev. C. _ - 2006. - Bd. 74 , nr. 6 . — P. 064610 . - doi : 10.1103/PHYSREVC.74.064610 . - . - arXiv : hep-ph/0506186 .
  12. ↑ 1 2 Davis ED, Hamdan L. Revurdering af grænsen for variationen i α impliceret af Oklo naturlige fissionsreaktorer   // Phys . Rev. C. - 2015. - Vol. 92 . — P. 014319 . - doi : 10.1103/PhysRevC.92.014319 . - arXiv : 1503.06011 .

Litteratur

Links