Во время проведения обычного анализа образцов урановой руды выявился очень странный факт — процентное содержание урана-235 было ниже нормы. В природном уране содержится три изотопа, отличающихся атомными массами. Самый распространённый — уран-238, самый редкий — уран-234, и представляющий наибольший интерес — уран-235, поддерживающий цепную ядерную реакцию. Повсюду — и в земной коре, и на Луне, и даже в метеоритах — атомы урана-235 составляют 0,720% общего количества урана. Но в образцах из месторождения Окло в Габоне содержание урана-235 составляло всего 0,717%. Этого крошечного несоответствия было достаточно, чтобы насторожить французских учёных. Дальнейшие исследования показали, что в руде недоставало около 200 кг — вполне достаточно для изготовления полдюжины ядерных бомб.
В открытом карьере для разработки залежей урана в Окло, в Габоне, обнаружено более дюжины зон, где когда-то происходили ядерные реакции
Специалисты французской Комиссии по атомной энергии были озадачены. Ответом послужила статья 19-летней давности, в которой Джордж Ветрилл (George W. Wetherill) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Марк Ингрэм (Mark G. Inghram) из Чикагского университета высказали предположение о существовании в далёком прошлом природных ядерных реакторов. Вскоре Пол Курода (Paul К. Kuroda), химик из Университета Арканзаса, определил „необходимые и достаточные“ условия для того, чтобы в теле уранового месторождения спонтанно возник процесс самоподдерживающегося расщепления.
Согласно его расчётам, размер месторождения должен превышать среднюю длину пробега нейтронов, вызывающих расщепление (около 2/3 метра). Тогда нейтроны, испущенные одним расщепившимся ядром, будут поглощены другим ядром до того, как они покинут урановую жилу.
Концентрация урана-235 должна быть достаточно велика. Сегодня даже большое месторождение не может стать ядерным реактором, так как содержит меньше 1% урана-235. Этот изотоп распадается приблизительно в шесть раз быстрее, чем уран-238, из чего следует, что в отдалённом прошлом, например, 2 млрд. лет назад, количество урана-235 составляло около 3% — примерно столько, сколько в обогащённом уране, используемом как топливо на большинстве атомных электростанций. Также необходимо наличие вещества, способного замедлять нейтроны, испущенные при расщеплении ядер урана так, чтобы они более эффективно вызывали расщепление других ядер урана. Наконец, в массе руды не должно быть заметных количеств бора, лития или других так называемых ядерных ядов, которые активно поглощают нейтроны и вызвали бы быструю остановку любой ядерной реакции.
Естественные реакторы расщепления были найдены только в сердце Африки — в Габоне, в Окло и соседних урановых шахтах в Окелобондо и на участке Бангомбе, расположенном примерно в 35 км.
Исследователи установили, что условия, создавшиеся 2 млрд. лет назад на 16 отдельных участках как в пределах Окло, так и на соседних урановых шахтах в Окелобондо, были очень близки к тому, что описал Курода (см. „Божественный реактор“, „Вмире науки“, № 1, 2004 г.). Хотя все эти зоны были обнаружены десятилетия назад, только недавно нам наконец удалось прояснить, что же происходило внутри одного из этих древних реакторов.
Проверка лёгкими элементами
Вскоре физики подтвердили предположение, что снижение содержания урана-235 в Окло было вызвано реакциями расщепления. Бесспорное доказательство появилось при изучении элементов, возникающих при расщеплении тяжелого ядра. Концентрация продуктов распада оказалась настолько высокой, что подобное заключение было единственно верным. 2 млрд. лет назад здесь происходила цепная ядерная реакция, подобная той, которую Энрико Ферми и его коллеги блестяще продемонстрировали в 1942 г.
Физики всего мира изучали доказательства существования естественных ядерных реакторов. Результаты своих работ по „феномену Окло“ учёные представили на специальной конференции в столице Габона Либревилле в 1975 г. В следующем году Джордж Коуэн (George A. Cowan), представлявший на этой встрече США, написал статью для журнала Scientific American (см. „A Natural Fission Reactor“, by George A. Cowan, July 1976).
Коуэн обобщил информацию и описал представления о происходившем в этом удивительном месте: некоторые из нейтронов, испущенных при расщеплении урана-235, захватываются ядрами более распространённого урана-238, который превращается в уран-239, и после испускания двух электронов превращается в плутоний-239. Так в Окло образовалось более двух тонн этого изотопа. Затем часть плутония подверглась расщеплению, о чём свидетельствует наличие характерных продуктов его деления, что и позволило исследователям заключить, что эти реакции должны были продолжаться сотни тысяч лет. По количеству использованного урана-235 они вычислили количество выделенной энергии — около 15 тыс. МВт-лет. Согласно этим и другим свидетельствам, средняя мощность реактора оказалась меньше 100 кВт, то есть её хватило бы для работы нескольких дюжин тостеров.
Как возникли больше десятка естественных реакторов? За счёт чего обеспечивалась их постоянная мощность в течение нескольких сотен тысячелетий? Почему они не самоуничтожились сразу после того, как начались цепные ядерные реакции? Какой механизм обеспечил необходимое саморегулирование? Работали ли реакторы непрерывно или периодически? Ответы на эти вопросы появились не сразу. А на последний вопрос удалось пролить свет совсем недавно, когда мои коллеги и я занялись исследованием образцов загадочной африканской руды в Вашингтонском университете в Сент-Луисе.
Расщепление в деталях
Цепные ядерные реакции начинаются, когда отдельный свободный нейтрон попадает в ядро расщепляющегося атома, типа урана-235 (вверху слева). Ядро расщепляется, давая два меньших атома и испуская другие нейтроны, которые отлетают с большой скоростью и должны быть замедлены прежде, чем они смогут вызвать расщепление других ядер. В отложении в Окло так же, как в современных ядерных реакторах на лёгкой воде, замедляющим агентом была обычная вода. Отличие состоит в системе регулирования: на атомных электростанциях используются поглощающие нейтроны стержни, а реакторы в Окло просто нагревались до тех пор, пока вода не выкипала.
Что скрывал благородный газ
Наша работа по одному из реакторов в Окло была посвящена анализу ксенона — тяжёлого инертного газа, который может оставаться заключённым в минералах в течение миллиардов лет. Ксенон имеет девять устойчивых изотопов, возникающих в различных количествах в зависимости от характера ядерных процессов. Будучи благородным газом, он не вступает в химические реакции с другими элементами, и поэтому его легко очистить для изотопного анализа. Ксенон чрезвычайно редок, что позволяет использовать его для обнаружения и отслеживания ядерных реакций, даже если они происходили ещё до рождения Солнечной системы.
Атомы урана-235 составляют около 0,720% естественного урана. Поэтому, когда рабочие обнаружили, что уран из карьера Окло содержал чуть больше 0,717%, они были удивлены, Этот показатель действительно существенно отличается от результатов анализа других образцов руды урана (вверху). Видимо, в прошлом отношение урана-235 к урану-238 было намного выше, так как период полураспада урана-235 намного короче. В подобных условиях становится возможной реакция расщепления. Когда 1,8 млрд, лет назад сформировались урановые залежи в Окло, естественное содержание урана-235 составляло около 3%, как и в топливе для ядерных реакторов. Когда примерно 4,6 млрд. лет назад сформировалась Земля, соотношение превышало 20%, то есть уровень, при котором уран сегодня считается „оружейным“.
Для анализа изотопного состава ксенона требуется масс-спектрометр — прибор, который может сортировать атомы по их весу. Нам повезло: мы получили доступ к чрезвычайно точному масс-спектрометру для ксенона, построенному Чарльзом Хохенбергом (Charles М. Hohenberg). Но сначала нужно было извлечь ксенон из нашего образца. Обычно минерал, содержащий ксенон, нагревают выше точки плавления, при этом кристаллическая структура разрушается и больше не может удерживать заключённый в ней газ. Но мы, чтобы собрать больше информации, применили более тонкий метод — лазерное извлечение, позволяющий добраться до ксенона в определённых зёрнах и оставляющий прилегающие к ним области нетронутыми.
Мы обработали много крошечных участков единственного имеющегося у нас образца горной породы из Окло толщиной всего 1 мм и шириной 4 мм. Чтобы точно нацелить лазерный луч, мы воспользовались подробной рентгеновской картой объекта, построенной Ольгой Прадивцевой, которая также идентифицировала составлявшие его минералы. После извлечения мы очищали выделившийся ксенон и анализировали в масс-спектрометре Хохенберга, который давал нам число атомов каждого изотопа.
Здесь нас ожидало несколько сюрпризов: во-первых, в богатых ураном зёрнах минералов газа не оказалось. Большая его часть была захвачена минералами, содержащими фосфат алюминия, — в них была обнаружена самая высокая концентрация ксенона, когда-либо найденного в природе. Во-вторых, извлечённый газ существенно отличался по изотопному составу от обычно образующегося в ядерных реакторах. В нём практически отсутствовал ксенон-136 и ксенон-134, тогда как содержание более лёгких изотопов элемента осталось прежним.
Ксенон, извлечённый из зёрен фосфата алюминия в образце из Окло, оказался любопытного изотопного состава (слева), не соответствующего тому, что получается при расщеплении урана-235 (в центре), и не похож на изотопный состав атмосферного ксенона (справа). Примечательно, что количества ксенона-131 и -132 выше, а количества -134 и -136 ниже, чем следовало ожидать от расщепления урана-235. Хотя эти наблюдения вначале весьма озадачили автора, позже он понял, что они содержали ключ к пониманию работы этого древнего ядерного реактора.
В чём причина таких изменений? Возможно, это результат ядерных реакций? Тщательный анализ позволил моим коллегам и мне отклонить эту возможность. Мы рассмотрели также физическую сортировку различных изотопов, которая иногда происходит из-за того, что более тяжёлые атомы движутся немного медленней, чем их более лёгкие аналоги. Это свойство используется на заводах по обогащению урана для производства реакторного топлива. Но даже если бы природа могла реализовать подобный процесс в микроскопическом масштабе, состав смеси изотопов ксенона в зёрнах фосфата алюминия отличался бы от того, что мы обнаружили. Например, измеренное относительно количества ксенона-132 уменьшение содержания ксенона-136 (более тяжёлого на 4 атомные единицы массы) было бы вдвое больше, чем для ксенона-134 (более тяжёлого на 2 атомные единицы массы), если бы работала физическая сортировка. Однако мы не увидели ничего подобного.
Проанализировав условия образования ксенона, мы обратили внимание, что ни один из его изотопов не был прямым результатом расщепления урана; все они были продуктами распада радиоактивных изотопов йода, которые, в свою очередь, образовывались из радиоактивного теллура и т. д., согласно известной последовательности ядерных реакций. При этом различные изотопы ксенона в нашем образце из Окло возникали в разные моменты времени. Чем дольше живёт конкретный радиоактивный предшественник, тем больше запаздывает образование из него ксенона. Например, образование ксенона-136 началось только спустя минуту после начала самоподдерживающегося расщепления. Спустя час появляется следующий более легкий устойчивый изотоп, ксенон-134. Затем, спустя несколько дней, на сцене появляются ксенон-132 и ксенон-131. Наконец, через миллионы лет, и много позже прекращения цепных ядерных реакций, образуется ксенон-129.
Если бы залежи урана в Окло оставались замкнутой системой, ксенон, накопившийся в процессе работы его естественных реакторов, сохранил нормальный изотопный состав. Но система не была замкнутой, подтверждением чего можно считать тот факт, что реакторы в Окло каким-то образом регулировали сами себя. Наиболее вероятный механизм предполагает участие в этом процессе грунтовых вод, которые выкипали после того, как температура достигала некоторого критического уровня. При испарении воды, действовавшей как замедлитель нейтронов, цепные ядерные реакции временно прекращались, а после того, как всё остывало и в зону реакции снова проникало достаточное количество грунтовых вод, расщепление могло возобновиться.
Эта картина проясняет два важных момента: реакторы могли работать периодами (включаясь и выключаясь); через эту горную породу должны были проходить большие количества воды, достаточные, чтобы вымыть некоторые из предшественников ксенона, а именно теллур и йод. Присутствие воды помогает также объяснить, почему большая часть ксенона теперь содержится в зёрнах фосфата алюминия, а не в богатых ураном породах. Зёрна фосфата алюминия, вероятно, сформировались под действием нагретой ядерным реактором воды, после того как она охладилась приблизительно до 300°С.
Во время каждого активного периода действия реактора в Окло и в течение некоторого времени после, пока температура оставалась высокой, большая часть ксенона (включая ксенон-136 и -134, которые генерируются относительно быстро) удалялась из реактора. Когда же реактор остывал, более долгоживущие предшественники ксенона (те, которые позже породят ксенон-132, -131 и -129, которые мы нашли в большем количестве) оказывались включёнными в растущие зёрна фосфата алюминия. Затем, когда всё больше воды возвращалось в зону реакции, нейтроны в нужной степени замедлялись и снова начиналась реакция расщепления, заставляя повториться цикл нагревания и охлаждения. Результатом и стало специфическое распределение изотопов ксенона.
Не вполне ясно, какие силы удерживали этот ксенон в минералах фосфата алюминия в течение почти половины жизни планеты. В частности, почему ксенон, возникший в данном цикле работы реактора, не оказался изгнанным во время следующего цикла? Предположительно структура фосфата алюминия оказалась способной удерживать ксенон, образовавшийся внутри неё, даже при высоких температурах.
Попытки объяснить необычность изотопного состава ксенона в Окло потребовали рассмотреть также и другие элементы. Особое внимание привлек йод, из которого ксенон образуется при радиоактивном распаде. Моделирование процесса возникновения продуктов расщепления и их радиоактивного распада показало, что специфический изотопный состав ксенона — следствие циклического действия реактора, Этот цикл изображён на трёх схемах сверху.
Рабочий график природы
После того как была выработана теория возникновения ксенона в зёрнах фосфата алюминия, мы попытались реализовать этот процесс в математической модели. Наши выкладки прояснили многое в работе реактора, причём полученные данные об изотопах ксенона привели к ожидаемым результатам. Реактор в Окло „включался“ на 30 минут и „отключался“ по крайней мере на 2,5 часа. Подобным образом функционируют некоторые гейзеры: медленно нагреваются, вскипают, выбрасывая порцию грунтовых вод, повторяя этот цикл день за днём, год за годом. Так, грунтовые воды, проходящие через месторождение в Окло, могли не только быть замедлителем нейтронов, но и „регулировать“ работу реактора. Это был чрезвычайно эффективный механизм, не позволяющий структуре ни расплавиться, ни взорваться на протяжении сотен тысяч лет.
Инженерам, работающим в области ядерной энергетики, есть чему поучиться у Окло. Например тому, как обращаться с ядерными отходами. Окло представляет собой образец долгосрочного геологического хранилища. Поэтому учёные подробно исследуют процессы миграции с течением времени продуктов расщепления из естественных реакторов. Они также тщательно изучили такую же зону древнего ядерного расщепления на участке Бангомбе, примерно в 35 км от Окло. Реактор в Бангомбе представляет особый интерес, так как он находится на меньшей глубине, чем в Окло и Окелобондо, и до недавнего времени через него проходило больше воды. Подобные удивительные объекты подтверждают гипотезу, что многие виды опасных ядерных отходов можно будет успешно изолировать в подземных хранилищах.
Пример Окло также демонстрирует способ хранения некоторых видов наиболее опасных ядерных отходов. С начала промышленного использования ядерной энергии в атмосферу были выброшены огромные количества образующихся в ядерных установках радиоактивных инертных газов (ксенона-135, криптона-85 и др.). В природных реакторах эти отходы производства захватываются и удерживаются в течение миллиардов лет минералами, содержащими фосфат алюминия.
Древние реакторы типа Окло могут оказать влияние и на понимание фундаментальных физических величин, например, физической постоянной, обозначаемой буквой α (альфа), связанной с такими универсальными величинами, как скорость света (см. „Непостоянные постоянные“, „В мире науки“, № 9, 2005 г.). В течение трёх десятилетий феномен Окло (возрастом 2 млрд. лет) использовался как довод против изменений α. Но в прошлом году Стивен Ламоро (Steven К. Lamoreaux) и Джастин Торгерсон (Justin R. Torgerson) из Лос-Аламосской национальной лаборатории установили, что эта „постоянная“ значительно изменялась.
Являются ли эти древние реакторы в Габоне единственными, когда-либо образовавшимися на Земле? Два миллиарда лет назад условия, необходимые для самоподдерживающегося расщепления, были не слишком редкими, так что, возможно, однажды будут обнаружены и другие естественные реакторы. А результаты анализа ксенона из образцов могли бы очень помочь в этом поиске.
„Феномен Окло заставляет вспомнить высказывание Э. Ферми, построившего первый ядерный реактор, и П.Л. Капицы, которые независимо друг от друга утверждали, что только человек способен создать нечто подобное. Однако древний природный реактор опровергает эту точку зрения, подтверждая мысль А. Эйнштейна о том, что Бог более изощрён…“
С.П. Капица
Об авторе:
Алекс Мешик
(Alex P. Meshik) окончил физический факультет Ленинградского государственного университета. В 1988 г. защитил кандидатскую диссертацию в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского. Его диссертация была посвящена геохимии, геохронологии и ядерной химии благородных газов ксенона и криптона. В 1996 г. Мешик начал работу в Лаборатории космических исследований в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, где он в настоящее время изучает благородные газы солнечного ветра, собранные и доставленные на Землю космическим кораблем „Генезис“.
Статья взята с сайта
В Западной Африке, недалеко от экватора, в местности, располагающейся на территории государства Габон, учёными была сделана удивительная находка. Произошло это в самом начале 70-х годов прошлого столетия, но до сих пор представители научного сообщества не пришли к единому мнению – что же такое было найдено?
Залежи урановой руды – явление обычное, хотя и достаточно редкое. Однако урановый рудник, обнаруженный в Габоне, оказался не просто месторождением ценного ископаемого, он работал как… самый настоящий ядерный реактор! Были обнаружены шесть урановых зон, в которых протекала самая настоящая реакция деления ядер урана!
Как показали исследования, реактор был запущен около 1900 миллионов лет назад и проработал в режиме медленного кипения несколько сотен тысяч лет.
Содержание изотопа урана U-235 в реакторных зонах африканской аномалии практически такое же, как в современных ядерных реакторах, построенных человеком. В качестве замедлителя использовалась грунтовая вода.
Мнения представителей науки по поводу феномена разделились. Основная масса учёных мужей взяла сторону теории, согласно которой, ядерный реактор в Габоне запустился самопроизвольно в силу случайного совпадения условий, необходимых для подобного запуска.
Однако далеко не всех устроило такое предположение. И на то были веские причины. Многие вещи говорили о том, что реактор в Габоне хоть и не имеет частей внешне похожих на творения мыслящих существ, всё же является продуктом деятельности разумных.
Приведём несколько фактов. Тектоническая активность в местности, в которой был найден реактор, на период его работы была необычайно высока. Однако исследования показали, что малейший сдвиг пластов грунта обязательно бы привёл к остановке реактора. Но поскольку реактор проработал не одну сотню тысячелетий, этого не произошло. Кто или что заморозил тектонику на период работы реактора? Может, это сделали те, кто его запустил? Далее. В качестве замедлителя, как уже было сказано, использовались грунтовые воды. Для обеспечения постоянной работы реактора, кто-то должен был регулировать выдаваемую им мощность, так как при её избытке произошло бы выкипание воды и остановка реактора. Эти и некоторые другие моменты наводят на мысль, что реактор в Габоне – вещь искусственного происхождения. Но кто на Земле обладал подобными технологиями два миллиарда лет тому назад?
Как не крути, ответ прост, хотя и несколько банален. Сделать такое могли только из . Вполне возможно, они прибыли к нам из центральной области Галактики, где звёзды намного древнее Солнца, а их планеты старше. В тех мирах жизнь имела возможность зародиться гораздо раньше, в те времена, когда Земля представляла собой ещё не очень уютный мир.
Зачем инопланетянам понадобилось создавать стационарный ядерный реактор высокой мощности? Кто знает… Может, они оборудовали на Земле «станцию космической подзарядки», а может…
Существует гипотеза, что высокоразвитые цивилизации на определённом этапе своего развития «берут шефство» над зарождающейся на других планетах жизнью. И даже прикладывают руку к тому, чтобы превратить безжизненные миры в пригодные для жизни. Может те, кто построил африканское чудо, принадлежали именно к таким? Может, они использовали энергию реактора для терраформирования? Учёные ведь до сих пор спорят, как возникла земная атмосфера, так богатая кислородом. Одним из предположений является гипотеза об электролизе вод Мирового океана. А электролиз, как известно, требует много электричества. Так может пришельцы создали габонский реактор для этого? Если так, то он, по-видимому, не является единственным. Очень может быть, что когда-нибудь будут найдены и другие, ему подобные.
Как бы там ни было, габонское чудо заставляет нас думать. Думать и искать ответы.
Многое предложенное нам природой само по себе пока совершеннее и проще того, что планирует изготовить человек, поэтому исследователи изучают, в первую очередь, то, что предлагает нам природа.
Но в том, о чем пойдет разговор в этой статье, произошло все ровным счетом наоборот.
2 декабря 1942 года команда ученых Чикагского университета под руководством нобелевского лауреата Энрико Ферми создала первый рукотворный ядерный реактор. Это достижение держалось в секрете в период Второй мировой войны, как часть так называемого "Манхэттенского проекта" по созданию атомной бомбы.
Спустя 15 лет после создания человеком реактора расщепления учёные задумались о возможности существования атомного реактора, созданного самой природой. Первая официальная публикация на тему принадлежит перу японского профессора Пола Куроды (1956 год), который установил подробные требования для любых вероятных естественных реакторов, если таковые существуют в природе.
Ученый в деталях обрисовал это явление, и его описание до сих пор считается лучшим (классическим) в ядерной физике:
- Приближенный возрастной диапазон образования естественного реактора
- Необходимая концентрация урана в нем
- Требуемое соотношение в нем изотопов урана - 235 U/ 238 U
Несмотря на тщательно проведенное исследование, Пол Курода не смог подыскать для своей модели пример естественного реактора среди имеющихся на планете месторождений урановой руды.
Маленькая, но критическая деталь, которую упустил из вида ученый - это возможность участия воды в качестве замедлителя цепной реакции. Он также не догадался о том, что определенные руды могут быть настолько пористы, что удерживают в себе необходимое количество воды, чтобы замедлить скорость нейтронов и поддержать реакцию.
Ученые утверждали, что только человек способен создать ядерный реактор, однако природа оказалась изощреннее.
Естественный ядерный реактор был обнаружен 2 июня 1972 года французским аналитиком Бужигесом на юго-востоке Габона в западной Африке, прямо в теле уранового месторождения.
А произошло открытие так.
Во время проведения рутинных спектрометрических исследований коэффициента содержания изотопов 235 U/ 238 U в руде с месторождения Окло в лаборатории французского уранообогатительного завода Пьеррлатт ученый-химик обнаружил небольшое отклонение (в 0,00717, по сравнению с нормой в 0,00720).
Для природы характерна стабильность изотопного состава различных элементов. Он неизменен на всей планете. В природе, конечно, протекают процессы распада изотопов, но тяжелым элементам это не свойственно, потому что разница в их массах недостаточна, для того чтобы данные изотопы делились в ходе каких-либо геохимических процессов. Но в месторождении Окло изотопный состав урана был нехарактерным. Этого маленького различия было достаточно, для того чтобы заинтересовать ученых.
Сразу появились различные гипотезы о причинах странного явления. Одни утверждали, что месторождение было заражено отработанным топливом инопланетных космических аппаратов, другие считали его местом захоронения ядерных отходов, доставшихся нам в "наследство" от древних высокоразвитых цивилизаций. Тем не менее, детальные исследования показали, что столь необычное соотношение изотопов урана образовалось естественным путем.
Вот какова смоделированная история этого "чуда природы".
Заработал реактор около двух миллиардов лет назад во времена протерозоя. Протерозой щедр на открытия. Именно в протерозое были разработаны основные принципы существования живой материи и развития жизни на Земле. Появились первые многоклеточные организмы и начали осваивать прибрежные воды, количество свободного кислорода в атмосфере Земли достигло 1%, и появились препосылки для бурного расцвета жизни, произошел переход от простого деления к половому размножению.
И вот, в столь важное для Земли время появляется и наш "ядерный природный феномен".
Все-таки удивительно, что в мире не найдено больше ни одного аналогичного реактора. Правда, по некоторым сведениям, следы похожего реактора найдены в Австралии. Объяснить это можно только тем, что в далекий кембрийский период Африка и Австралия представляли собой единое целое. Еще одна окаменелая реакторная зона также была обнаружена в Габоне, но в другом месторождении урана - в Бангомбе, в 35 километрах к юго-востоку от Окло.
На Земле известны урановые месторождения того же возраста, в которых, однако, ничего похожего не происходило. Вот только самые известные из них: Девилз-Хоул и Рэйниер-Мейса в штате Невада, Пенья-Бланка в Мексике, Бокс-Кэньон в Айдахо, Каймакли в Турции, Шове-Кав во Франции, Сигар-Лейк в Канаде и Оуэнс-Лейк в Калифорнии.
По-видимому, в протерозое в Африке возникли ряд уникальных условий, необходимых для запуска естественного реактора.
Каков же механизм столь удивительного процесса?
Вероятно, сначала в некой впадине, возможно, в дельте древней реки, образовался богатый урановый рудой слой песчаника, который покоился на крепком базальтовом ложе. После очередного землетрясения, обычного в ту эпоху, базальтовый фундамент будущего реактора опустился на несколько километров, потянув за собой урановую жилу. Жила растрескалась, в трещины проникла грунтовая вода. При этом уран охотно мигрирует с водой, содержащей большое количество кислорода, то есть в окислительной обстановке.
Насыщенная кислородом вода пробирается сквозь толщу горной породы, вымывает из нее уран, увлекает его за собой и постепенно расходует содержащийся в ней кислород на окисление органики и двухвалентного железа. Когда запас кислорода исчерпан, химическая обстановка в земных глубинах из окислительной становится восстановительной. "Странствие" урана после этого завершается: он отлагается в горных породах, накапливаясь на протяжении многих тысячелетий. Затем очередной катаклизм поднял фундамент до современного уровня. Такой схемы придерживаются многие ученые, в том числе и предложившие ее.
Как только масса и толщина слоев, обогащённых ураном, достигла критических размеров, в них возникла цепная реакция, и "агрегат" заработал.
Несколько слов следует сказать и о самой цепной реакции, которая является следствием сложных химических процессов, проходящих в "природном реакторе". Легче всего расщепляются ядра 235 U, которые, поглощая нейтрон, делятся на два фрагмента расщепления и испускают при этом два-три нейтрона. Изгнанные нейтроны могут, в свою очередь, быть поглощены другими урановыми ядрами, провоцируя нарастание распада.
Такая самоподдерживающаяся реакция управляема, чем и воспользовались люди, создавшие ядерный реактор расщепления. В нем контроль осуществляется при помощи управляющих стержней (произведенных из хорошо поглощающих нейтроны материалов, например, из кадмия), спускаемых в "горячую зону". В своем реакторе Энрико Ферми использовал именно такие кадмиевые пластины для регуляции ядерной реакции. Реактор же в Окло никем не управлялся в обычном понимании этого термина.
Цепная реакция сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому до сих пор было неясно, почему природные реакторы в Габоне не взрывались, а реакции саморегулировались.
Ныне ученые уверены, что знают ответ. Исследователи из Вашингтонского университета считают, что взрывов не случалось благодаря присутствию горных водных источников. В различных реакторах, созданных человеком, в качестве замедлителя используется графит, необходимый для поглощения испускаемых нейтронов и поддержания цепной реакции, а в Окло роль замедлителя реакции исполняла вода. Когда в природный реактор попадала вода, она закипала и испарялась, в результате чего цепная реакция на время приостанавливалась. На охлаждение реактора и накопление воды требовались примерно два с половиной часа, а длительность активного периода составляла порядка 30 минут, сообщаетNature .
Когда порода остывала, вода вновь просачивалась и запускала ядерную реакцию. И так, то вспыхивая, то угасая, реактор, мощность которого составляла порядка 25 кВт (что в 200 раз меньше, чем у самой первой атомной электростанции), проработал приблизительно 500 тысяч лет.
В Окло, как и на всей остальной Земле и в Солнечной системе в целом, два миллиарда лет назад относительное содержание изотопа 235 U в урановой руде составляло 3000 на миллион атомов. В настоящее же время образование на Земле ядерного реактора естественным путём уже невозможно, поскольку в природном уране ощущается нехватка 235 U.
Есть и еще целый ряд условий, выполнение которых обязательно для запуска природной реакции расщепления:
- Высокая общая концентрация урана
- Низкая концентрация поглотителей нейтронов
- Высокая концентрация замедлителя
- Минимальная или критическая масса для запуска реакции расщепления
Кроме того, что природой был запущен сам механизм естественного реактора, не может не волновать и следующий, пожалуй, самый "насущный" для мировой экологии вопрос: что же произошло с отходами естественной ядерной "энергостанции"?
В результате работы природного реактора образовалось около шести тонн продуктов деления и 2,5 тонны плутония. Основная масса радиоактивных отходов "захоронена" внутри кристаллической структуры минерала уранита, который обнаружен в теле руд Окло.
Неподходящие по размерам ионного радиуса элементы, которые не могут проникнуть сквозь решетку уранита, либо взаимопроникают, либо выщелачиваются.
Оклинский реактор "поведал" человечеству о том, как можно захоронить ядерные отходы так, чтобы это могильник был безвреден для окружающей среды. Есть свидетельства того, что на глубине свыше ста метров при отсутствии несвязанного кислорода практически все продукты ядерных захоронений не вышли за границы рудных тел. Зарегистрированы перемещения только таких элементов, как йод или цезий. Это дает возможность провести аналогию между природными процессами и технологическими.
Самое пристальное внимание защитников окружающей среды привлекает проблема миграции плутония. Известно, что плутоний практически целиком распадается до 235 U, поэтому его неизменное количество может говорить о том, что избытка урана нет не только вне реактора, но также и вне гранул уранита, где образовывался плутоний во время активности реактора.
Плутоний - достаточно чужеродный элемент для биосферы, и встречается он в мизерной концентрации. Наряду с некоторым количеством в руде урановых месторождений, где он впоследствии распадается, немного плутония образуется из урана при взаимодействии с нейтронами космического происхождения. В малых количествах уран может встречаться в природе в различных концентрациях в абсолютно различных естественных средах - в гранитах, фосфоритах, апатитах, морской воде, почве и др.
В данный момент Окло - действующее урановое месторождение. Те рудные тела, которые располагаются у поверхности, добывают карьерным методом, а те, что на глубине, горными выработками.
Из семнадцати известных ныне ископаемых реакторов девять полностью засыпаны (недоступны).
Реакторная зона 15 - единственный реактор, который доступен через тоннель в шахте реактора. Остатки ископаемого реактора 15 ясно различимы как легкая серо-желтая цветастая скала, которая сложена, главным образом, из окиси урана.
Светлые цветные полоски в скалах выше реактора - это кварц, который выкристализовался из горячих подземных водных источников, циркулировавших в период активности реактора и после его угасания.
Однако как об альтернативной оценке событий того далекого времени можно упомянуть и о следующем мнении, связанном с последствиями работы природного реактора. Предполагается, что природный ядерный реактор мог привести к многочисленным мутациям живых организмов в том регионе, подавляющее большинство которых вымерли как нежизнеспособные. Некоторые палеоантропологи считают, что именно высокая радиация вызвала неожиданные мутации у бродивших как раз неподалеку африканских предков человека и сделала их людьми (!).
Карьер для добычи урановой руды в Габоне близ города Окло
Ровно 40 лет назад состоялась первая международная конференция, посвященная итогам изучения уникального природного ядерного реактора на юго-западе Экваториальной Африки. Этот геологический феномен открыли в Габоне, неподалеку от шахтерского городка Окло, 2 июня 1972 года прямо в теле уранового месторождения.
Срок работы − 500 000 лет
Как-то раз при обследовании уранового рудника в Габоне экспедиция французских геологов с изумлением выяснила, что около двух миллиардов лет назад здесь работал самый настоящий естественный ядерный реактор. Так на весь мир стал известно геологическое чудо, спрятанное в старом руднике Окло.
Каким же образом создались естественные условия для протекания цепной ядерной реакции? Когда-то все началось с того, что в речной дельте на прочном ложе из базальтовых пород отложился слой песчаника, богатого урановой рудой. В результате бесконечной череды землетрясений базальтовый фундамент погрузился глубоко в землю. Там на километровой глубине ураноносный песчаник растрескался, и в трещины стала поступать грунтовая вода. Прошли сотни миллионов лет, и песчаный пласт снова поднялся к поверхности.
Инженеры-атомщики объяснили геологам, что естественным регулятором цепной реакции служила вода. Когда она попадала в реактор, то тут же закипала и испарялась, в результате чего «атомный огонь» на время потухал.
На охлаждение реактора и накопление воды требовалось примерно 2,5 часа, а длительность активного периода составляла порядка получаса. Когда порода остывала, вода вновь просачивалась и запускала ядерную реакцию. И так, то вспыхивая, то угасая, реактор, мощность которого была в 200 раз меньше, чем у первой атомной электростанции в Обнинске, проработал около полумиллиона лет.
«Чикагская поленница», первый в мире ядерный реактор, запущенный в 1942 году
Несмотря на солидный срок исследования африканского геологического феномена, до сих пор остаются некоторые нерешенные вопросы. И главный: каким образом на протяжении полумиллиона лет природный реактор пережил землетрясения и поднятия-опускания земной коры? Ведь очевидно, что любое движение земных пластов тут же изменило бы «объем рабочей зоны». При этом либо ядерная реакция сразу же прекратилась бы, либо произошел бы атомный взрыв, бесследно уничтоживший геологический феномен…
Между тем и в данный момент Окло представляет собой действующее урановое месторождение. Те рудные тела, которые располагаются у поверхности, добывают карьерным методом, а те, что на глубине, - горными выработками.
«Чикагская поленница»
2 декабря 1942 года команда физиков из Чикагского университета во главе с лауреатом Нобелевской премии Энрико Ферми запустила первый в мире ядерный реактор, названный «Чикагской поленницей». Спустя 15 лет появились первые идеи возможности существования атомного реактора, созданного самой природой. Одним из первых разработкой гипотезы об природных реакторах занялся японский физик Пол Курода. Он долго безуспешно искал признаки естественных ядерных реакций в рудниковых залежах урана.
Когда открыли реактор Окло, возникли различные гипотезы о причинах этого странного явления. Одни утверждали, что месторождение было заражено отработанным топливом инопланетных космических аппаратов, другие считали его местом захоронения ядерных отходов, доставшихся нам в наследство от древних высокоразвитых цивилизаций.
Кроме поразительных деталей функционирования природного ядерного реактора весьма любопытно было бы узнать и судьбу его «радиоактивных отходов». Специалисты-радиохимики подсчитали, что реактор в Окло выработал около 6 тонн продуктов деления и 2,5 тонны плутония. При этом основная часть радиоактивных отходов оказалась заключена внутри кристаллической структуры минерала уранита, в рудных телах шахты Окло.
Естественный реактор наглядно продемонстрировал, как можно было бы строить ядерные могильники, безвредные для окружающей среды. Однако главным во влиянии естественной радиации на флору и фауну нашей планеты являются всяческие мутации.
От обезьяны - к человеку
Естественный реактор в Окло начал действовать во времена, когда на Земле появились первые многоклеточные организмы, которые тут же стали осваивать теплые водоемы и прибрежные зоны Мирового океана. Эволюционное учение, основанное на фундаментальной теории великого Дарвина, предполагает плавный переход от морских растений и животных к наземным. Однако некоторые палеонтологические находки плохо укладываются в традиционные воззрения, подтверждая гипотезы об эволюционных «скачках» и «прыжках». Некоторые палеонтологи упорно настаивают, что в разные исторические периоды как бы ниоткуда неожиданно возникали совершенно новые виды живых организмов.
Как об альтернативной оценке событий того далекого времени можно упомянуть и о следующем мнении, связанном с последствиями работы природного реактора. Предполагается, что природный ядерный реактор мог привести к многочисленным мутациям живых организмов, подавляющее большинство которых вымерли как нежизнеспособные. Некоторые палеонтологи считают, что именно высокая радиация вызвала неожиданные мутации у бродивших неподалеку африканских человекообразных обезьян и подтолкнула их эволюцию в сторону современного человека.
Мертвое пятно и радиационные мутанты
Вполне возможно, что в те далекие времена естественные очаги цепных реакций встречались довольно часто, поэтому изредка не только включались природные реакторы, но и происходили атомные взрывы. Конечно, такое радиационное воздействие должно было как-то отражаться на формирующейся биосфере нашей планеты. Высокая радиация губительна для любой жизни, однако в случае с природными реакторами дело обстоит гораздо сложнее. Действительно, вблизи, а тем более над реактором, должно было образоваться мертвое пятно (вспомним загадочные «геопатогенные» зоны), где любая флора и фауна будет уничтожена ионизирующим излучением реакторной зоны. Но по краям опасной зоны уровни радиации могли бы изменить ситуацию на противоположную - излучение здесь не будет убивать, а вызовет череду генных мутаций.
Урановая руда, добытая из шахты Окло
Среди радиационных мутантов могли быть очень необычные существа, вносившие большое разнообразие в окружающую природу и ускоряющие эволюционное развитие. Получается, что недалеко от природных источников радиации должно было наблюдаться невиданное разнообразие жизни.
Более того, потоки радиации от естественных реакторов и взрывов могли бы прояснить, как начиналась жизнь на Земле. Биологи-эволюционисты, биофизики и биохимики давно уже высказывают осторожные догадки, что для запуска жизненных процессов в первоклетке нужен был какой-то достаточно мощный энергетический импульс. Этот поток внешней энергии мог бы разорвать химические связи таких элементов, как углерод, азот, водород и кислород. Затем эти элементы могли бы вступить в реакции друг с другом и образовать первые сложные органические молекулы. Раньше считалось, что такой толчок мог бы дать импульс электромагнитной энергии, скажем, в виде сильного молниевого разряда. Однако в последние годы все чаще встречаются идеи о том, что куда лучше молнии с организацией подобного энергоимпульса могли бы справиться мощные природные источники радиации.
Ацидалийский феномен
Недавно марсоход «Кьюриосити» сделал неожиданное открытие. Все началось с того, что в ходе плановых исследований марсианский ровер нашел на поверхности Красной планеты следы… ядерного пепла.
Этот загадочный факт тут же породил гипотезу, что несколько сотен миллионов лет назад на Марсе произошла крупномасштабная ядерная катастрофа. Некоторым образом взорвался природный реактор, засыпавший обширные просторы планеты радиоактивной пылью и обломками. При этом основным аргументом выступает факт реализации подобного «ядерного сценария» на Земле, в Окло.
Может быть, около миллиарда лет назад гигантский ядерный реактор сформировался и действовал в северной части марсианского Ацидалийского моря. Вероятно, марсианский реактор не имел достаточно эффективного регулятора и однажды взорвался, выбросив значительное количество радиоактивных веществ.
Скорее всего, «Ацидалийский феномен» залегал на значительной глубине, не менее километра, где и находилось обширное рудное тело из концентрированного урана, тория и калия. Судя по всему, древний Марс был в тектоническом плане довольно спокойной планетой с крайне незначительным движением литосферных плит. Поэтому радиоактивное рудное тело очень долго находилось в покое и в нем протекали ядерные реакции.
Марсоход «Кьюриосити» нашел на Марсе следы ядерного пепла
Расчеты показывают, что марсианский атомный взрыв сопоставим с падением на поверхность планеты 30-километрового астероида. Однако, в отличие от астероидного удара, очаг взрыва находился ближе к поверхности, и впадина, образованная им, была значительно меньше по глубине, чем ударные кратеры.
Регион с повышенной концентрацией тория залегает на северо-западе Ацидалийского моря в широкой и мелкой впадине. Содержание следов тория и радиоактивных изотопов калия указывает, что ядерная катастрофа произошла несколько сотен миллионов лет назад, в середине или конце Амазонийской эры. На эту катастрофу указывает также присутствие в атмосфере планеты изотопов аргон-40 и ксенон-129, возникающих в результате ядерных реакций.
Многие планетологи выражают большое сомнение в реальности марсианской атомной катастрофы. Так, они отмечают, что нынешние геологические условия как на Марсе, так и на Земле не испытывали резких изменений в течение тысячелетий. По мнению геофизиков и геохимиков, особенности марсианской 0поверхности, открытые в ходе миссии NASA, могут быть связаны с самыми обычными геологическими процессами, не имеющими ядерной основы.
В Западной Африке, недалеко от экватора, в местности, располагающейся на территории государства Габон, учёными была сделана удивительная находка. Произошло это в самом начале 70-х годов прошлого столетия, но до сих пор представители научного сообщества не пришли к единому мнению - что же такое было найдено?
Залежи урановой руды - явление обычное, хотя и достаточно редкое. Однако урановый рудник, обнаруженный в Габоне, оказался не просто месторождением ценного ископаемого, он работал как… самый настоящий ядерный реактор! Были обнаружены шесть урановых зон, в которых протекала самая настоящая реакция деления ядер урана!
Как показали исследования, реактор был запущен около 1900 миллионов лет назад и проработал в режиме медленного кипения несколько сотен тысяч лет.
Мнения представителей науки по поводу феномена разделились. Основная масса учёных мужей взяла сторону теории, согласно которой, ядерный реактор в Габоне запустился самопроизвольно в силу случайного совпадения условий, необходимых для подобного запуска.
Однако далеко не всех устроило такое предположение. И на то были веские причины. Многие вещи говорили о том, что реактор в Габоне хоть и не имеет частей внешне похожих на творения мыслящих существ, всё же является продуктом деятельности разумных.
Приведём несколько фактов. Тектоническая активность в местности, в которой был найден реактор, на период его работы была необычайно высока. Однако исследования показали, что малейший сдвиг пластов грунта обязательно бы привёл к остановке реактора. Но поскольку реактор проработал не одну сотню тысячелетий, этого не произошло. Кто или что заморозил тектонику на период работы реактора? Может, это сделали те, кто его запустил? Далее. В качестве замедлителя, как уже было сказано, использовались грунтовые воды. Для обеспечения постоянной работы реактора, кто-то должен был регулировать выдаваемую им мощность, так как при её избытке произошло бы выкипание воды и остановка реактора. Эти и некоторые другие моменты наводят на мысль, что реактор в Габоне - вещь искусственного происхождения. Но кто на Земле обладал подобными технологиями два миллиарда лет тому назад?
Как не крути, ответ прост, хотя и несколько банален. Сделать такое могли только пришельцы из Космоса. Вполне возможно, они прибыли к нам из центральной области Галактики, где звёзды намного древнее Солнца, а их планеты старше. В тех мирах жизнь имела возможность зародиться гораздо раньше, в те времена, когда Земля представляла собой ещё не очень уютный мир.
Зачем инопланетянам понадобилось создавать стационарный ядерный реактор высокой мощности? Кто знает… Может, они оборудовали на Земле «станцию космической подзарядки», а может…
Существует гипотеза, что высокоразвитые цивилизации на определённом этапе своего развития «берут шефство» над зарождающейся на других планетах жизнью. И даже прикладывают руку к тому, чтобы превратить безжизненные миры в пригодные для жизни. Может те, кто построил африканское чудо, принадлежали именно к таким? Может, они использовали энергию реактора для терраформирования? Учёные ведь до сих пор спорят, как возникла земная атмосфера, так богатая кислородом. Одним из предположений является гипотеза об электролизе вод Мирового океана. А электролиз, как известно, требует много электричества. Так может пришельцы создали габонский реактор для этого? Если так, то он, по-видимому, не является единственным. Очень может быть, что когда-нибудь будут найдены и другие, ему подобные.
Как бы там ни было, габонское чудо заставляет нас думать. Думать и искать ответы.
