Немного о ядерном оружии и природном ядерном реакторе.

Автор: saganshy

С этой историей я познакомился более 40 лет назад.

Но вначале некоторое предисловие. К началу 70-х годов прошлого века количество государств, обладающих ядерным оружием, перечислялось на пальцах одной руки, буквально. Ах да - было ещё одно государство, премьер-министру которого приписывают следующее высказывание : „Во-первых, у нас ядерного оружия нет, а во-вторых, если потребуется, то мы его применим.“

Упрощенно - в качестве расщепляющегося вещества для ядерных зарядов использовался либо изотоп уран-235 (далее все цифры с изотопами - это масса атома в условных углеродных единицах, если кто запамятовал), либо плутоний-239. Первый отделяют от изотопа урана-238 из природного урана, в котором содержится в количестве 0,7171%, а второй нарабатывается в ядерных реакторах из урана-238 и потом отделяется с чистотой не меньше 94 %. Для создания простейшей атомной бомбы требуется 15-20 кг. урана-235 или около 5- 10 кг. плутония-239. Возможно создание боеголовки с другими изотопами плутония, но это чересчур дорого и изотопы очень уж радиактивны. Ну и критическая масса уьних сильно больше. Плутоний достаточно быстро распадается, при этом выделяется такое количество тепла, что кусок плутония-239 за пару часов нагревается до сотни градусов Цельсия. Поэтому боеголовки с ним требуется постоянно охлаждать, сам плутоний меняют в боеголовках через определённое время.

Есть ещё один изотоп урана - уран-233, который подходит для боеголовок. Его получают в ядерных реакциях из тория-231 и критическая масса у него примерно как у плутония. Недостаток один - вместе с ним получается торий-232, который практически невозможно (т.е. запредельно дорого) отделить, а он выделяет очень жёсткое гамма-излучение и работать с такой боеголовкой очень вредно. Но для стран, у которых урана мало, а тория много это вполне хороший вариант - так с Индией дело обстоит, например. При разработке ядерного оружия США рассматривали варианты и с двумя изотопами урана, и с плутонием. Ограничились ураном-235 и плутонием-239. СССР благодаря разведке первую бомбу сделал по образцу штатовской плутониевой.

Есть ещё один вариант получения расщепляющегося вещества в больших количествах. Бомбы из этого вещества, кстати, применяются в произведениях, написанных автором АТ Владленом Багрянцевым. Это нептуний-237. Критическая масса у него 75-105 кг. Не самый эффективный материал, сильно уступающий плутонию и урану, но вполне себе пригодный к использованию. Правда, получать его немного сложнее.

Совсем экзотика - теоретически возможно создание ядерных боеприпасов из изотопов трансурановых элементов - калифорния, амерция, кюрия. Критическая масса от (примерно) 1,5 граммов калифорния-252 (или 10 граммов соли этого изотопа, растворенной в стакане воды), 10- 25, граммов (да, так - это пуля!) у кюрия-245, примерно столько же у амерция-242 и 400-500 граммов у смеси амерция-241 с 4% амерция-242. О теоретической возможности создания оружия из изомера гафния-178м2 просто упомяну - во-первых есть сомнения в такой возможности, во-вторых это не расщепление ядра атома, а переход из одного состояния в другое. Проблемы для трансурановых бомб - дорого, быстро распадаются, сильно излучают, заряды нужно содержать и перемещать в рефрижираторах с температурой не ниже -15 градусов по Цельсию. После того, как вынуты из холода, будут в рабочем состоянии максимум полчаса, иначе сильно разогреются вплоть до того, что заряд изменит форму или расплавится, нужно опять охлаждать. Ну и излучение не на пользу тем (или тому) кто будет рядом, пойдёт.

Понятно, что оружейные расщепляющиеся материалы во всём мире находятся под очень жёстким контролем, мягко говоря.

Теперь основная тема. Уран-238 за 4468300000 (примерно 4,4 миллиарда ) лет распадается так, что от него остаётся половина ( это так называемый период полураспада для этого изотопа). Для урана-235 период полураспада равен 703810000 годам, т.е. примерно 704 миллиона лет, что сильно меньше. И содержание урана-235 в природном уране составляет 0,7198–0,7207 процента (величина зависит от точности измерения). Это величина строго постоянная . За исключением одного случая.

На начало 70-х годов во Франции в ядерном центре CEA VALRNO Marcoule , что в Пьерлатте завод по обогащению урана привычно доводил показатель до 90%-го содержания урана-235. Начиная с середины 1970-го года до 1972-го завезли из габонского месторождения Окло 700 тонн урановой руды. До этого из Габона руда с 1956-го года руда шла с других месторождений.

Дальше небольшое расхождение. По детективной версии в результате ревизии оказалось, что недостача оружейного урана составила 200 килограммов, то есть 10 простейших ядерных бомб или 20-30 боезарядов, если их грамотно делать. Это шок.

Более правдоподобная версия. В июне 1972 г. в одной из лабораторий Комиссариата по атомной энергии Франции готовили эталонный раствор природного урана. Измерили его изотопный состав: урана-235 оказалось 0,7171% вместо 0,7202%. Слегка удивились - аппаратура барахлит, бывает, проверили результат — он повторился. Исследовали другой препарат урана — дефицит урана-235 ещё больше. Это тоже шок. На протяжении следующих шести недель экстренно проанализировали ещё 350 образцов и обнаружили, что из уранового месторождения Окло (Габон) во Францию доставляется урановая руда, обеднённая ураном-235. В некоторых образцах содержание изотопа вообще оказалось равным 0,44% и даже 0,3%.

Ответ нашёлся в двух статьях. В первой, 1953-го года, Джорж Ветрилл (George W.Wetherill) , Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, и Марк Ингрэм (Mark G. Inghram), Чикагский университет, высказали предположение о возможности существования в далёком прошлом природных ядерных реакторов. Вскоре, в1956 г. в журнале "Nature" была опубликована маленькая, всего на страницу, заметка. В ней коротко излагалась теория природного ядерного реактора. Ее автором был Пол Кадзуо Курода (Paul К. Kuroda), химик из Университета Арканзаса. Курода видел последствия бомбардировки Хиросимы в 45-м году, сам изучал в то время вулканы и ему пришла в голову идея - не идут ли ядерные реакции подобного типа в глубине Земли и не они ли порождают энергию вулканов? В статье он определил условия для того, чтобы в теле уранового месторождения спонтанно возник процесс самоподдерживающегося расщепления. Правда в резюме он указал, что естественных ядерных реакторов на Земле сейчас нет, так как концентрация урана-235 в современных урановых рудах слишком мала.

Тогда никто всерьёз это не принял. Такие авторитеты, как Энрико Ферми и Петр Капица давно доказали , что естественным образом ядерный реактор возникнуть не может. Но теперь французские исследователи (Р. Бодю, М. Нелли и др.) незамедлительно опубликовали сообщение, что ими обнаружен природный ядерный реактор.

Верховный комиссар Комиссии по атомной энергии Франции Франсис Перрен 25 сентября 1972 года официально объявил, что на месторождении Окло в Габоне работал ядерный реактор. Что в учёной среде было встречено весьма и весьма скептически, но французы отправили образцы руды для анализа во все заинтересованные лаборатории мира, включая советские. Открытие естественного реактора было подтверждено.

В действительности реакторы расщепления были найдены в Окло и соседних урановых шахтах в Окелобондо в полутора километрах общим числом 16, и ещё один на участке Бангомбе, расположенном примерно в 20 км. к югу от Окло. Всё это именуют природный ядерный реактор Окло.

Исследователи установили, что условия, создавшиеся 2 млрд. лет назад на этих участках , оказались близки к тому, что описал Курода. Результаты своих работ по „феномену Окло“ учёные представили на специальной конференции в столице Габона Либревилле в 1975 г. Потом была ещё одна конференция под эгидой МАГАТЭ. Мнения были единодушны - работали естественные ядерные реакторы. Естественно, позже нашлись люди, утверждавшие, что не обошлось без инопланетян...

После проведённых исследований пришли к выводу, что реакторы работали начиная примерно с 1,8 - 1,7 миллиарда лет назад включаяссь и выключаясь на протяжении примерно от полумиллиона до миллиона лет.

По выгоранию изотопов подсчитали и энергию, выделенную в природном реакторе - 1 000 000 000 000 кВт·ч. Столько вырабатывает 40-ГВт атомная электростанция за четыре года. Мощность реактора была около 100 киловатт. Этой энергии хватило, чтобы температура месторождения Окло достигала 400-600°С. Вода - замедлитель нейтронов, пропитавшая песок вокруг жилы, содержащей соединения урана, - уходила из зоны реакции. Реактор останавливался, остывал, и вода снова насыщала песок и руду - опять возобновлялась цепная реакция. Цикл повторялся примерно через два с половиной- три часа.

Все это продолжалось до тех пор, пока в руду свободно поступала вода и было необходимое процентное соотношение изотопа урана-235. Но однажды водный режим изменился, и реактор остановился навсегда. Реакции проходили в глыбах руды весом более пяти-шести тонн, рудные тела, в которых происходила цепная реакция, представляют собой залегающие в пористом песчанике линзовидные образования из уранинита ( UO2) диаметром порядка 10 м и толщиной от 20 до 90 см; содержание урана в них составляло от 20 до 80 % (по массе), урана-235 тогда там было около 3%.

За это время могло выработаться примерно 2 тонны плутония-239. Но, с учётом того, что его период полураспада составляет 24000 лет, он практически полностью распался.

Написал, упустив массу деталей, относящихся к физике и химии, пытаясь максимально понятно рассказать.

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…

Это сказал С.П. Капица, сын Петра Леонидовича Капицы.

Карьер Окло, где добывают урановую руду