В Африке нашли ядерный реактор, который работал два миллиарда лет назад

Весной 1972 года на французском заводе, где работают с ураном, лаборант делал рутинный анализ. В партии руды из Габона не хватало урана-235. Совсем немного, но для ядерной физики такая недостача звучит как сигнал тревоги: изотопы урана в природе смешаны почти в одной и той же пропорции, где бы руду ни добыли.

Первая мысль была самой простой: кто-то украл. Когда французские специалисты добрались до месторождения Окло, выяснилось, что воровать там было нечего. Руда лежала нетронутой больше миллиарда лет, а пропавший уран ушёл не в чужие карманы. Он сгорел в ядерном реакторе, который работал здесь самостоятельно, без единого человека.

Недостача, которой не должно было быть

В обычной природной руде урана-235 около 0,72%. В образцах из Окло его оказалось меньше, а в некоторых местах и вовсе 0,44%, то есть почти на 40% ниже нормы. Списать это на ошибку прибора не получалось: пробы проверяли снова и снова.

Тогда стали искать, куда мог деться уран-235. Среди версий была и кража. Но порода в тех местах была местами обожжена, а участок никто не тревожил более миллиарда лет. Оставался один вариант, на первый взгляд невероятный. Уран-235 не украли, а израсходовали: в этой руде когда-то шла цепная реакция.

25 сентября 1972 года Комиссариат по атомной энергии Франции объявил об этом публично. Это была сенсация: оказалось, что принцип, на котором работают атомные станции, природа освоила задолго до первых людей.

Как природа собрала реактор без инженеров

Чтобы запустить цепную реакцию, нужны три вещи: достаточно много урана-235, замедлитель нейтронов и сама руда в нужной концентрации. В Окло около 1,7-2 миллиардов лет назад совпало всё сразу.

Первое условие зависело от времени. Уран-235 распадается быстрее урана-238, поэтому в древности его в природной смеси было больше. Тогда он составлял около 3% (сегодня 0,72%), и этого хватало, чтобы реакция шла без искусственного обогащения. Для реактора такая доля как раз подходит: именно столько урана-235 содержит топливо многих современных станций.

Второе условие обеспечила вода. Быстрые нейтроны, которые вылетают при делении, плохо вызывают новые деления, а замедленные работают гораздо лучше. В обычных реакторах нейтроны замедляют водой или графитом. В Окло замедлителем служила подземная вода, которая просачивалась в руду.

Третье условие создала сама Земля. Уран растворяется в воде только при наличии кислорода, а свободного кислорода в атмосфере к тому времени стало заметно больше. Вода вымывала уран, переносила и откладывала слоями, пока его концентрация не стала достаточной для реакции.

Реактор со встроенным предохранителем

Если реактор не управляется человеком, почему он не взорвался? Оказалось, что его предохранитель работал сам, и тоже благодаря воде.

Когда цепная реакция набирала ход, порода нагревалась, и вода закипала. А без воды замедлять нейтроны было нечем, и реакция затухала. Руда остывала, вода возвращалась, и реактор снова включался. Исследователи по следам ксенона, застрявшего в минералах, восстановили этот ритм: около получаса работы, потом примерно два с половиной часа паузы.

Мощность была скромной. Считается, что она вряд ли превышала 100 киловатт тепловой: примерно как у пятидесяти электрочайников. Зато работало это очень долго. Оценки разные: от 150 тысяч до нескольких сотен тысяч лет с перерывами. За это время выгорело около пяти тонн урана-235, а реакция шла на нескольких отдельных участках: известно шестнадцать зон.

Почему такого больше не найти

Тут логично спросить: если природа сумела один раз, почему не повторила? На самом деле у неё получилось именно потому, что время было подходящим. Кислорода в атмосфере уже хватало, чтобы уран растворялся и собирался в залежи, а урана-235 в смеси ещё оставалось около 3%.

Сейчас его осталось 0,72%, и для самоподдерживающейся реакции в природной руде этого мало. Окно возможностей закрылось. Поэтому Окло остаётся единственным известным в мире местом, где реактор запустился сам.

Чему научил старый реактор

Для физиков Окло оказался готовой лабораторией. Реакторы давно остановились, а продукты деления остались в породе. Учёные смогли проверить, куда они делись за два миллиарда лет.

Результат оказался неожиданно спокойным: большая часть нелетучих продуктов деления сместилась всего на сантиметры. Поэтому Окло используют как природный аналог для вопроса, который остро стоит и сегодня: как надолго хранить радиоактивные отходы. Это не доказательство того, что любое хранилище будет безопасным, ведь геология везде своя. Но это редкий случай, когда у нас есть результат эксперимента длиной в два миллиарда лет.

Есть и ещё одно применение. По изотопам самария в породе Окло проверяли, менялись ли со временем фундаментальные постоянные физики, в частности постоянная тонкой структуры. Большинство работ пришли к выводу, что не менялись.

Так цифра 0,72%, из-за которой в 1972 году заподозрили кражу, оказалась ключом к истории длиной в два миллиарда лет. Выходит, атомная энергетика не изобретение людей. Мы лишь повторили то, что природа однажды уже сделала сама.