Окло — ядерный реактор, построенный природой

В 1972 году на заводе по обогащению урана в Пьерлатте (Франция) произошел инцидент, который поставил под сомнение фундаментальные представления о монополии человечества на расщепление атома. Аналитики обнаружили партию урановой руды из африканского Габона, в которой содержание изотопа урана-235 было аномально низким — 0,717% вместо стандартных 0,720%. Поиск причины появления разницы в три тысячных процента привел физиков к шокирующему выводу: около двух миллиардов лет назад глубоко под землей кто-то уже запустил и остановил настоящую ядерную реакцию. Так человечество узнало о существовании феномена Окло — единственного известного науке естественного ядерного реактора.

Урановое месторождение Окло расположено в Габоне. Открыто в 1956 году французскими геологами, когда Габон ещё являлся французской колонией. Расположено недалеко от города Франсвиль. Залежи урановых руд прослеживаются от поверхности на глубину 800–900 метров до границы с кристаллическим архейским фундаментом. Месторождение сформировано около 1,74 миллиарда лет назад в условиях высокой концентрации кислорода в атмосфере, что позволило урану растворяться в подземных водах и откладываться в пористом песчанике. Уран поступал из близлежащих, богатых ураном изверженных пород, растворялся в насыщенных кислородом водах и откладывался на окислительно-восстановительном барьере в песках и песчаниках. Урановая минерализация представлена оксидами урана (уранинит, урановая смолка) с мощностью рудных тел от 1 до 8 метров. Сейчас месторождение истощено, и промышленная добыча прекращена.

Окло не был бомбой. Бомба стремится к мгновенному выходу энергии. Окло стал первым в мире стабильным природным водяным реактором. Условия сложились идеально. В то время - 1,8 млрд лет назад, концентрация урана-235 на Земле была значительно выше (порядка 3,7%), чем сейчас (0,72%). Грунтовые воды просачивались сквозь пористый песчаник и урановые залежи. Атомы водорода в воде замедляли нейтроны, которые иначе слишком быстро проскакивали бы мимо ядер урана-235 и не вызывали деления. В породе почти не было элементов (бора, лития, кадмия), которые активно захватывают нейтроны и гасят реакцию. Поэтому вода замедляла нейтроны до нужной скорости, чтобы те могли эффективно расщеплять ядра урана.

Реактор работал по принципу простейшего термостата. Вода проникала в урановую линзу, начиналась реакция, выделялось тепло. Через некоторое время вода закипала и превращалась в пар. Плотность пара гораздо ниже плотности воды, он переставал замедлять нейтроны, и цепная реакция мгновенно затухала. Линза остывала еще два-три часа. Пар конденсировался, вода снова заливалась внутрь, и цикл повторялся. Так, с перерывами на отдых, реактор проработал около 150 тысяч лет. Всего на месторождении геологи выделили 16 отдельных зон, где шли такие процессы.

Сейчас такой феномен невозможен. Из-за естественного радиоактивного распада концентрация урана-235 в земной коре со временем снизилась до уровня около 0,72%, что недостаточно для самоподдерживающейся цепной реакции в обычных условиях без искусственного обогащения. Исследования пород из Окло дали науке больше, чем просто подтверждение природного реактора. Во вмещающих породах образовались различные продукты деления (плутоний, цезий, стронций, ксенон и др.). Исследования показали, что многие из них были надёжно «заперты» в кристаллических структурах минералов (например, уранинита, апатита). На это также повлияли восстановительные условия среды (из-за присутствия органического вещества), которые препятствовали окислению и растворению урановой руды. Даже летучие элементы вроде цезия переместились лишь на несколько сантиметров от очага деления. Это даёт ценную информацию для разработки методов долгосрочного хранения искусственных ядерных отходов.