Ядерный век начался в Америке, но именно в Габоне произошло первое в мире деление ядра.
Габон – одна из самых богатых стран Африки к югу от Сахары, доход на душу населения в четыре раза превышает аналогичный показатель соседей. В экономике преобладает нефть, за ней следует экспорт древесины и марганца. В течение короткого периода времени Габон также экспортировал уран, драгоценное сырьё, используемое на атомных электростанциях и в ядерном оружии. На сегодняшний день рудники исчерпаны, но почти два миллиарда лет назад здесь было достаточно урана, чтобы вызвать самопроизвольное деление ядра.
Уран встречается в природе в виде трёх изотопов или типов, которые отличаются друг от друга количеством нейтронов в ядре. Наиболее распространённой формой является уран-238, на долю которого приходится 99 процентов всего урана на земле. Около 0,72 процента составляет уран-235, а очень небольшое количество, около 0,006 процента, уран-234. Все три изотопа урана нестабильны и слаборадиоактивны, но только уран-238 и уран-235 могут подвергаться делению ядра. Из этих двух типов уран-238 более стабилен, в то время как уран-235 легче расщепляется и поэтому является наиболее распространённым топливом, используемым в ядерных энергетических реакторах.
Три изотопа урана распределены в земной коре с удивительной однородностью, так что любая добываемая сегодня урановая руда будет содержать ровно 0,72 процента урана-235. Однако эта концентрация слишком мала, чтобы вызвать деление ядра. Сначала необходимо обогатить уран посредством сложного процесса, включающего использование центрифуг и газовую диффузию, чтобы его концентрация достигала не менее 3 процентов. Типичный ядерный реактор требует от 3 до 5 процентов урана-235, а для ядерной бомбы требуются колоссальные 90 процентов.
Доля урана-235 по отношению к урану-238 в руде менялась с тех пор, как сформировалась земля, потому что уран радиоактивен и со временем распадается на другие элементы. Уран-238 распадается с гораздо более меньшей скоростью (период полураспада 4,5 миллиарда лет), чем уран-235 (период полураспада 700 миллионов лет), поэтому эры назад уран-235 был доступен в гораздо более высоких концентрациях, чем сегодня. Поскольку мы знаем период полураспада урана-235, мы можем легко оценить, какое его количество было доступно в разные геологические периоды. Например, 700 миллионов лет назад урана-235 было в два раза больше, чем сегодня (1,3 процента), а 1,4 миллиона лет назад – в четыре раза больше, чем сегодня (2,3 процента). Помните, что когда мы возвращаемся назад во времени, количество урана-238 также увеличивается, хотя и медленнее, поэтому процентное соотношение не удваивается. Концентрация урана-235 составляла почти 4 процента два миллиарда лет назад и 17 процентов во время формирования солнечной системы.
В 1950-х годах учёные выдвинули гипотезу о том, что учитывая такое большое количество урана-235, сконцентрированного в земной коре миллионы лет назад, часть него должна была подвергнуться естественному делению ядра при соблюдении правильных условий. В 1956 году японско-американский физик Пол Курода согласился с этой идеей и теоретизировал условия, при которых может спонтанно начаться и продолжаться деление ядра. Курода предположил, что для естественного начала деления ядра на определённой платформе должно быть высокое содержание урана, а толщина руды должна превышать среднюю длину, по которой движутся вызывающие деление нейтроны, около двух третей метра. Также должен присутствовать замедлитель, который понижает скорость нейтронов, образующихся при делении урана. И, наконец, не должно быть значительного количества нейтронопоглощающих элементов (таких как серебро или бор), которые препятствовали бы самодостаточному делению ядра.
Такой естественный реактор был открыт в Габоне шестнадцатью годами позже, в 1972 году. В то время французы в Габоне – бывшей французской колонии – добывали уран для использования на атомных электростанциях. Во время измерений урановой руды на шахте в Окло, на юго-востоке Габона, французы заметили, что содержание урана-235 в руде было не 0,72 процента, а меньше. (Существуют некоторые разногласия по поводу точной цифры. Согласно некоторым публикациям, в руде, добываемой в Окло, концентрация урана-235 составляла 0,717 процента, то есть разница составляла всего 0,003 процента. Но, по другим данным, разница была значительной. Согласно статье, опубликованной в "Международном журнале современной физики", в руде Окло было всего 0,60 процента урана-235.)
Дальнейшее изучение выявило следовые количества других элементов, содержащихся в руде. Эти находки говорят только об одном: шахта в Окло, из которой был получен уран, подверглась самопроизвольному делению ядра в какой-то момент в далёком прошлом. Уран-235 в руде был истощён, потому что часть этого урана была использована в процессе деления ядра.
После этого удивительного открытия физики начали исследовать урановые рудники в Окло для получения дополнительных доказательств и в конечном итоге обнаружили, по крайней мере, 16 объектов в этом регионе, где произошло самопроизвольное деление ядра.
В течение следующих нескольких лет исследователи смогли просчитать детали того, как могли работать эти доисторические реакторы. Около 2,4 миллиарда лет назад благодаря биологической активности цианобактерий содержание кислорода в атмосфере Земли увеличилось в сто раз. Это позволило урану перейти из нерастворимой формы в растворимый оксид. Вода из осадков и природных источников растворила уран и отложила его в слоях песчаника, пока он не стал настолько концентрированным, чтобы начать цепную реакцию. Вода в самой шахте сыграла решающую роль в поддержании реакции. Она замедляла выбрасывание нейтронов, так что они могли поглощаться другими ядрами и вызывать деление. Без воды нейтроны просто отскакивали бы от атомов. Когда тепло от ядерного деления стало слишком сильным, оно выпарило всю воду, и реакция прекратилась. Как только вода вернулась, процесс начался снова. Эти периоды активности и неактивности были, вероятно, очень короткими. Расчёты предполагают, что реакторы включаются на 30 минут и выключаются на 3 часа.
Габонские реакторы так и работали с перебоями на протяжении, вероятно, миллиона лет или более, пока концентрация урана не стала слишком низкой, чтобы поддерживать реакцию. По оценкам учёных, исходя из количества урана-235, потребляемого в реакторах, их средняя выходная мощность составляла менее 100 киловатт.
Благодаря относительной устойчивости африканской платформы, эти древние природные реакторы очень мало сдвинулись со своих первоначальных позиций. В одном случае плутоний, один из побочных продуктов реакции, был найден менее чем в трёх метрах от места его образования два миллиарда лет назад. Возможно, естественные ядерные реакторы работали в нескольких других местах на Земле миллиарды лет назад, но с тех пор были разрушены или поглощены земной корой. Габонские природные ядерные реакторы остаются по-настоящему уникальными.
