Ядерные реакторы, искусственные машины, предназначенные для получения энергии в результате деления ядер, существуют с 1942 года. Однако некоторые могут удивиться, узнав, что хотя искусственные ядерные реакторы были созданы почти 80 лет назад, природные ядерные реакторы существовали гораздо раньше.
На самом деле, природные ядерные реакторы существовали миллиарды лет до появления искусственных реакторов в различных регионах земного шара. В частности, в стране Габон в Центральной Африке когда-то находилось 16 природных ядерных реакторов.
Габонские ядерные реакторы были способны вырабатывать около 100 киловатт энергии, что достаточно для одновременного освещения около 1000 лампочек.
Многие задаются вопросом о том, как возникли ядерные реакторы в Габоне, а также о том, насколько вероятно образование природных ядерных реакторов в будущем в других местах на Земле.
Ученые и исследователи смогли собрать воедино некоторую информацию об этих реакторах, чтобы дать нам лучшее представление об их функциональности.
Рассмотрев, как возникли эти природные ядерные реакторы, мы можем проанализировать потенциал образования новых реакторов в будущем и, возможно, даже получить урок или два о производстве энергии от самой матери-природы.
Людовик Феррьер, куратор коллекции горных пород, держит реактор Окло в Венском музее естественной истории.
Оригинальный полностью природный источник энергии
Габон, сокращенное название Габонской Республики, расположен на западном побережье Центральной Африки. Ее население составляет почти 2,2 миллиона человек, и она возникла как французская территория в 1800-х годах. Поэтому основным языком в Габоне является французский. Габон получил независимость как государство от Франции в 1960 году вместе с несколькими другими африканскими странами, которые ранее входили в состав Французского сообщества.
В геологическом отношении Габон интересен тем, что в основном состоит из почти двухмиллиарднолетних магматических и метаморфических пород палеопротерозойской эры. Эта древняя кора содержит ценные природные ресурсы, включая магний, железо, уран, золото и нефть.
По всему ландшафту исследователи и ученые могут найти древние образования суши, такие как заполненные углеводородами рифтовые бассейны, образовавшиеся во время разделения Пангеи 175 миллионов лет назад. Габонские природные ядерные реакторы — еще одно древнее образование, на которое наткнулись почти 50 лет назад.
В 1970-х годах шахтеры наткнулись на эти 16 ядерных реакторов в Окло, юго-восточном регионе Габона, во время поиска урана для питания французских атомных электростанций. Уран — это основной элемент, используемый для получения энергии путем ядерного деления.
На искусственных атомных электростанциях уран превращается в гранулы, которые используются в качестве топлива в ядерных реакторах. Затем эти урановые гранулы помещаются в стержни, которые связываются вместе, образуя топливные сборки. Топливные сборки размещаются внутри корпуса реактора, который погружен в воду для охлаждения.
Образцы Окло переданы в дар Венскому музею естественной истории
При ядерном делении первоначальный атом урана расщепляется, в результате чего высвобождается нейтрон. Затем этот нейтрон попадает в другие атомы урана, которые, в свою очередь, также расщепляются.
По мере того как все больше нейтронов расщепляют все больше атомов урана, в результате этих химических реакций выделяется тепло, которое затем используется для превращения воды в пар. Этот пар затем используется для вращения паровых турбин для производства экологически чистой возобновляемой энергии. Вода, в которую погружен корпус реактора, охлаждает элементы и замедляет нейтроны, чтобы реакции не происходили слишком быстро.
Уран очень востребован на атомных электростанциях из-за его способности легко расщепляться на более мелкие атомы по сравнению с другими элементами. Когда природный уран был найден французскими шахтерами в Окло, исследователи, вызванные в этот район, заметили, что концентрация 235U (изотоп урана 235, который преимущественно используется при ядерном делении, так как легко расщепляется) была статистически значимо ниже.
Они также обнаружили следы цезия, америция, кюрия и плутония, которые обычно являются отходами ядерных реакторов в результате распада урана. Это указывало на то, что в шахтах происходило естественное деление ядерного вещества. Это было первое открытие, указывающее на то, что ядерное деление может происходить естественным образом в земле.
Природные реакторы ядерного деления Окло: (1) Зоны ядерных реакторов. (2) Песчаник. (3) Слой урановой руды. (4) Гранит.
Узлы и детали природных ядерных установок
Когда исследователи стали глубже изучать деление ядер, происходящее в ядерных реакторах в Габоне, они начали задаваться вопросом, каким образом деление ядер происходит так случайно. В искусственных ядерных реакторах охлаждающие жидкости, такие как вода, необходимы для замедления химических реакций путем уменьшения скорости движения нейтронов.
Снижение скорости движения нейтронов уменьшает расщепление атомов урана, что приводит к более управляемому выделению тепла и пара. Без такого охладителя, как вода, ядерное деление происходило бы так быстро, что корпус реактора мог бы стать достаточно горячим, чтобы расплавиться, сгореть или даже взорваться.
Ярким примером неконтролируемого ядерного деления является Чернобыльская катастрофа, в результате которой расплавилась активная зона реактора и произошло несколько взрывов, что привело к многочисленным жертвам и сильному радиоактивному загрязнению региона. Еще несколько смертей произошло в последующие годы из-за радиоактивного облучения, вызвавшего различные раковые заболевания и болезни у пострадавших.
Простая диаграмма деления ядер. На первом кадре нейтрон вот-вот будет захвачен ядром атома U-235. На втором кадре нейтрон поглощен и на короткое время превратил ядро в сильно возбужденный атом U-236. На третьем кадре атом U-236 распался, в результате чего образовались два осколка деления (Ba-141 и Kr-92) и три нейтрона, все с очень большой кинетической энергией.
Анализируя ядерные реакторы в Габоне, ученые впервые осознали, что для того, чтобы произошло естественное деление ядер, в какой-то момент должна была присутствовать значительно большая концентрация 235U, чтобы запустить цепную реакцию. Учитывая чрезвычайно высокий период полураспада урана (700 миллионов лет), такая концентрация должна была присутствовать почти за два миллиарда лет до обнаружения урановых руд.
При такой высокой концентрации атомы должны были сталкиваться и расщепляться естественным образом, что привело бы к дальнейшим реакциям. Исследователи считают, что такая высокая концентрация урана, скорее всего, была вызвана сочетанием выветривания магматических пород и высокой бактериальной активности в древние времена.
При такой высокой концентрации 235U для контроля реакций и предотвращения взрыва в шахте потребовался бы какой-то охладитель. Считается, что ранее, два миллиарда лет назад, в Окло было значительное количество воды, которая могла служить естественным охладителем для шахт. Это позволило бы предотвратить любые неконтролируемые реакции, происходящие в шахте с течением времени.
Для некоторых ученых самым интересным в ядерных реакторах Габона является не тот факт, что они когда-то производили ядерную энергию. Самый интересный факт заключается в том, что испытания не выявили признаков высокой радиоактивности в регионе.
Некогда токсичные цезий и плутоний теперь распались на барий, который безвреден для человека. Также нет никаких признаков радиоактивного облучения диких животных в этом районе, что естественно было бы ожидать в районе 16 естественных ядерных реакторов.
Это открытие о ядерных реакторах в Габоне говорит о том, что природа нашла способ естественным образом избавить местность от значительной радиоактивности с течением времени, и ученые быстро пытаются извлечь из этого урок.
Рельеф местности, окружающей природные ядерные реакторы в Окло, позволяет предположить, что проникновение грунтовых вод над слоем коренных пород может быть необходимым компонентом для получения богатой урановой руды, способной к спонтанному делению.
Серия природных ядерных событий
Исследователи считают, что ядерные реакторы в Габоне функционировали более миллиона лет после того, как образовались почти два миллиарда лет назад. Реакторы могли нормально функционировать под водой, пока вода в конце концов не испарилась из-за высокой температуры ядерных реакций. Это та же реакция, которая происходит в искусственных реакторах, только вода перерабатывается, а не испаряется полностью.
Примерно через миллион лет ранее высокая концентрация 235U была бы значительно истощена. В этот момент, вероятно, реакторы перестали активно вырабатывать энергию. Хотя природные реакторы остановились, они чудом сохранились на миллионы лет после этого благодаря защите окружающей глины и углеродистых веществ. Эти вещества защитили реакторы от источников высокого содержания кислорода, который разъел бы или растворил все следы ядерной реакции за последние несколько миллионов лет.
Что касается будущего природных ядерных реакторов Габона, то французские шахтеры продолжали добывать оставшийся уран для использования в искусственных ядерных реакторах. В настоящее время в шахтах исчерпана большая часть пригодного для использования урана, что устранило любую возможность того, что когда-нибудь в будущем реакторы будут производить больше энергии.
Ученые теперь называют эти шахты "ископаемыми" природными ядерными реакторами деления, поскольку они больше не функционируют, но все еще содержат доказательства их прежней способности вырабатывать энергию.
Профессор Франсуа Готье-Лафайе (Страсбургский университет) показывает контактную зону природного ядерного реактора № 10 группе швейцарских журналистов на урановом руднике Окло (Габон) в 1997 году.
Может ли природная энергия вернуться?
Хотя на ядерных реакторах в Габоне уже добыт весь пригодный для использования уран, шахтеры предприняли шаги по рекультивации шахт. Рекультивация шахт — это деятельность человека по минимизации экологических последствий добычи полезных ископаемых путем возвращения выработанных территорий в их первоначальное состояние.
Рекультивация может включать в себя снижение эрозии, стабилизацию склонов и устранение любого воздействия на местную дикую природу. Считается, что со временем рекультивация шахт может привести к восполнению собственных ресурсов Земли, хотя некоторые последствия рекультивации шахт мы не увидим в течение нашей жизни. Многие выработанные территории превращаются в места обитания диких животных или сельскохозяйственные поля.
Что касается ископаемых природных ядерных реакторов в Окло, то рекультивация шахт все еще продолжается. План для этого региона не до конца ясен, учитывая его историю как места расположения природных ядерных реакторов, но ученые активно работают в регионе, чтобы реализовать наилучший возможный план. Эти планы рекультивации заставили некоторых усомниться в том, что шахты могут когда-нибудь снова начать вырабатывать энергию. Учитывая значительно низкую концентрацию урана в шахтах в настоящее время, крайне маловероятно, что в ближайшем будущем произойдет какая-либо цепная реакция. Поскольку уран является ограниченным ресурсом Земли и его нельзя производить, также невозможно, чтобы концентрация урана в шахтах со временем увеличивалась.
Хотя будущее ядерных реакторов в Габоне выглядит мрачным, ученые признают, что вполне возможно существование других природных ядерных реакторов в других местах на Земле. Хотя на данный момент ни один из них не найден, в будущем шахтеры и исследователи могут обнаружить еще один природный ядерный реактор в различных регионах. Поскольку в океане имеется высокая концентрация урана (по оценкам, около "четырех миллиардов тонн"), некоторые ученые предполагают, что в океанической коре на дне океана могут функционировать природные ядерные реакторы.
Морская вода будет действовать как естественный теплоноситель для предотвращения неконтролируемого расщепления урана, подобно реакторам Габона два миллиарда лет назад. Учитывая, что около 80% океана до сих пор не нанесено на карту и не исследовано, вполне возможно, что где-то на глубине может скрываться природный ядерный реактор.
По мере изучения и дальнейшего внедрения возобновляемых источников энергии уран будут продолжать добывать для искусственных ядерных реакторов. Ученые-ядерщики все еще анализируют долгосрочные последствия использования ядерной энергии, например, необходимость утилизации ядерных отходов без загрязнения Земли радиоактивностью.
Используя информацию, собранную на ядерных реакторах в Габоне, ученые, возможно, смогут разработать эффективный и безопасный метод утилизации этих отходов в будущем. Если повезет, габонские ядерные реакторы когда-нибудь станут достижимым примером того, как можно вырабатывать ядерную энергию экологически безопасным способом.
Comments are closed.