Přírodní jaderný štěpný reaktor - Natural nuclear fission reactor - Wikipedia

Geologická situace v Gabonu vedoucí k přirozeným štěpením jaderných reaktorů
  1. Zóny jaderného reaktoru
  2. Pískovec
  3. Vrstva uranové rudy
  4. Žula

Fosílie přírodní jaderný štěpný reaktor je uran vklad kde soběstačnost jaderné řetězové reakce došlo. To lze zkoumat analýzou izotop poměry. Podmínky, za kterých přírodní nukleární reaktor mohl existovat, předpověděl v roce 1956 Paul Kazuo Kuroda.[1] Tento jev byl objeven v roce 1972 v Oklo, Gabon francouzsky fyzik Francis Perrin za podmínek velmi podobných tomu, co bylo předpovězeno.

Oklo je toto jediné známé místo na světě a skládá se ze 16 lokalit, na nichž je soběstačnost jaderné štěpení Předpokládá se, že reakce proběhly přibližně 1,7 miliarda před několika lety a běžel několik stovek tisíc let, v průměru pravděpodobně méně než 100 kW tepelné energie během této doby.[2][3][4]

Dějiny

V květnu 1972 na Obohacování uranu tricastinem, Pierrelatte, Francie, rutina hmotnostní spektrometrie srovnávání UF6 vzorky z Oklo důl, nacházející se v Gabon, vykázal nesoulad ve výši 235
U
 izotop. Normálně je koncentrace 0,72%, zatímco tyto vzorky měly pouze 0,60%, což je významný rozdíl.[5] Tento rozdíl vyžadoval vysvětlení, protože všechna zařízení pro manipulaci s civilním uranem musí pečlivě počítat se všemi štěpnými izotopy, aby zajistily, že žádný z nich nebude přesměrován na stavbu nukleární zbraně. Tedy Francouzi Commissariat à l'énergie atomique (CEA) zahájil vyšetřování. Série měření relativního množství dvou nejvýznamnějších izotopů uranu těženého v Oklu ukázala anomální výsledky ve srovnání s výsledky získanými pro uran z jiných dolů. Další vyšetřování tohoto uranového ložiska objevily uranovou rudu s a 235
U
 koncentrace až 0,44%. Následné zkoumání izotopů štěpných produktů jako např neodym a ruthenium také vykazovaly anomálie, jak je podrobněji popsáno níže.

Tato ztráta v 235
U
 je přesně to, co se děje v jaderném reaktoru. Možným vysvětlením tedy bylo, že uranová ruda fungovala jako přirozený štěpný reaktor. Další pozorování vedla ke stejnému závěru a dne 25. září 1972 CEA oznámila své zjištění, že na Zemi došlo k soběstačným jaderným řetězovým reakcím asi před 2 miliardami let. Později byly v této oblasti objeveny další přírodní reaktory pro štěpení jaderných materiálů.

Podpisy izotopů štěpného produktu

Izotopové podpisy přírodního neodymu a štěpného produktu neodymu z 235
U
 které byly vystaveny tepelným neutronům.

Neodym

Neodym a další prvky byly nalezeny s izotopovými složeními odlišnými od toho, co se obvykle nachází na Zemi. Například společnost Oklo obsahovala méně než 6% podílu 142
Nd
 izotop, zatímco přírodní neodym obsahuje 27%; Oklo však obsahoval více 143
Nd
 izotop. Po odečtení přirozeného množství izotopů Nd od Oklo-Nd se izotopové složení shodovalo se složením produkovaným štěpením 235
U
.

Ruthenium

Izotopové podpisy přírodního ruthenia a štěpného produktu ruthenia z 235
U
 které byly vystaveny tepelným neutronům. The 100
Mo
 (dlouhodobý dvojitý emitor beta) neměl čas se rozpadnout 100
Ru
 od doby, kdy reaktory přestaly fungovat.

Podobné vyšetřování izotopových poměrů ruthenium v Oklo našel mnohem vyšší 99
Ru
 koncentrace než jinak přirozeně se vyskytující (27–30% vs. 12,7%). Tuto anomálii lze vysvětlit rozpadem 99
Tc
 na 99
Ru
. V sloupcovém grafu je normální přirozený izotopový podpis ruthenia srovnáván s podpisem štěpný produkt ruthenium, které je výsledkem štěpení z 235
U
 s tepelnými neutrony. Je zřejmé, že štěpné ruthenium má jiný podpis izotopu. Úroveň 100
Ru
 ve směsi produktů štěpení je nízká z důvodu dlouhodobé životnosti (poločas = 1019 let) izotop molybden. V časovém měřítku, kdy byly reaktory v provozu, se velmi málo rozpadá na 100
Ru
 došlo.

Mechanismus

Přirozený jaderný reaktor vznikl zaplavením ložiska minerálů bohatých na uran podzemní voda který fungoval jako moderátor neutronů a jaderná řetězová reakce odehrál se. Teplo generované štěpením jader způsobilo, že spodní voda odvařila, což zpomalilo nebo zastavilo reakci. Po ochlazení ložiska minerálů se voda vrátila a reakce se znovu spustila, přičemž se dokončil celý cyklus každé 3 hodiny. Cykly štěpné reakce pokračovaly stovky tisíc let a skončily, když stále se snižující štěpné materiály již nemohly udržet řetězovou reakci.

Štěpení uranu obvykle produkuje pět známých izotopů plynu štěpného produktu xenon; všech pět bylo nalezeno uvězněno ve zbytcích přírodního reaktoru v různých koncentracích. Koncentrace izotopů xenonu, které byly zachyceny v minerálních formacích o 2 miliardy let později, umožňují vypočítat konkrétní časové intervaly provozu reaktoru: přibližně 30 minut kritičnosti následované 2 hodinami a 30 minutami ochlazení na dokončení 3 hodin cyklus.[6]

Klíčovým faktorem, který umožnil reakci, bylo to, že v době, kdy reaktor šel kritický Před 1,7 miliardami let štěpitelný izotop 235
U
 tvořil asi 3,1% přírodního uranu, což je srovnatelné s množstvím použitým v některých dnešních reaktorech. (Zbývajících 96,9% nebylo štěpných 238
U
.) Protože 235
U
 má kratší poločas rozpadu než 238
U
, a tím se rychleji rozkládá, aktuální hojnost 235
U
 v přírodním uranu je asi 0,70–0,72%. Přirozený jaderný reaktor proto již není na Zemi možný těžká voda nebo grafit.[7]

Vklady uranové rudy Oklo jsou jedinými známými místy, ve kterých existovaly přírodní jaderné reaktory. Další bohatá uranová rudová tělesa by v té době měla také dostatek uranu k podpoře jaderných reakcí, ale kombinace uranu, vody a fyzikálních podmínek potřebných k podpoře řetězové reakce byla pro rudá tělesa Okla jedinečná, pokud je v současné době známo. .

Dalším faktorem, který pravděpodobně přispěl ke spuštění přírodního jaderného reaktoru v Oklo po 2 miliardách let, spíše než dříve, byl zvyšování obsahu kyslíku v zemské atmosféře.[4] Uran je přirozeně přítomen ve skalách Země a je hojně štěpný 235
U
 byla vždy alespoň 3% před spuštěním reaktoru. Uran je rozpustný ve vodě pouze za přítomnosti kyslík. Rostoucí hladiny kyslíku během stárnutí Země proto mohly umožnit, aby byl uran rozpuštěn a transportován podzemní vodou na místa, kde by se mohla akumulovat dostatečně vysoká koncentrace, aby se vytvořila bohatá tělesa uranové rudy. Bez nového aerobního prostředí dostupného v té době na Zemi by k těmto koncentracím pravděpodobně nemohlo dojít.

Odhaduje se, že jaderné reakce v uranu v žilách o velikosti centimetrů až metrů spotřebovaly asi pět tun 235
U
 a zvýšené teploty na několik stovek stupňů Celsia.[4][8] Většina energeticky nezávislých štěpných produktů a aktinidů se během posledních 2 miliard let pohybovala v žilách jen centimetry.[4] Studie naznačují, že je to užitečný přírodní analog pro ukládání jaderného odpadu.[9]

Vztah k atomové konstantě jemné struktury

Přirozený reaktor Oklo byl použit ke kontrole, zda je atomový konstanta jemné struktury α se za poslední 2 miliardy let mohlo změnit. Je to proto, že α ovlivňuje rychlost různých jaderných reakcí. Například, 149
Sm
 zachycuje neutron, který se má stát 150
Sm
, a protože rychlost zachycení neutronů závisí na hodnotě α, poměr těchto dvou samarium izotopy ve vzorcích z Okla lze použít k výpočtu hodnoty α z doby před 2 miliardami let.

Několik studií analyzovalo relativní koncentrace radioaktivních izotopů, které po sobě zanechaly na Oklu, a většina dospěla k závěru, že jaderné reakce byly tehdy téměř stejné jako dnes, což znamená, že α bylo stejné.[10][11][12]

Viz také

Reference

  1. ^ Kuroda, P. K. (1956). „O jaderné fyzické stabilitě uranových minerálů“. Journal of Chemical Physics. 25 (4): 781–782, 1295–1296. Bibcode:1956JChPh..25..781K. doi:10.1063/1.1743058.
  2. ^ Meshik, A. P. (listopad 2005). „Fungování starověkého jaderného reaktoru“. Scientific American. 293 (5): 82–6, 88, 90–1. Bibcode:2005SciAm.293e..82M. doi:10.1038 / scientificamerican1105-82. PMID  16318030.
  3. ^ Mervine, Evelyn (13. července 2011). „Přírodní jaderné reaktory: 2 miliardy let staré reaktory na přirozené štěpení v Gabonu v západní Africe“. blogs.scientificamerican.com. Citováno 7. července 2017.
  4. ^ A b C d Gauthier-Lafaye, F .; Holliger, P .; Blanc, P.-L. (1996). „Přírodní štěpné reaktory v povodí Franceville v Gabonu: přehled podmínek a výsledků„ kritické události “v geologickém systému“. Geochimica et Cosmochimica Acta. 60 (25): 4831–4852. Bibcode:1996 GeCoA..60,4831G. doi:10.1016 / S0016-7037 (96) 00245-1.
  5. ^ Davis, E. D .; Gould, C. R.; Sharapov, E. I. (2014). „Oklo reaktory a důsledky pro jadernou vědu“. International Journal of Modern Physics E. 23 (4): 1430007–236. arXiv:1404.4948. Bibcode:2014IJMPE..2330007D. doi:10.1142 / S0218301314300070. ISSN  0218-3013.
  6. ^ Meshik, A. P .; et al. (2004). „Záznam cyklického provozu přírodního jaderného reaktoru v oblasti Oklo / Okelobondo v Gabonu“. Dopisy o fyzické kontrole. 93 (18): 182302. Bibcode:2004PhRvL..93r2302M. doi:10.1103 / PhysRevLett.93.182302. PMID  15525157.
  7. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemie prvků (2. vyd.). Butterworth-Heinemann. p. 1257. ISBN  978-0-08-037941-8.
  8. ^ De Laeter, J. R .; Rosman, K. J. R .; Smith, C. L. (1980). „Oklo Natural Reactor: Kumulativní výtěžky štěpení a retentivita štěpných produktů oblasti symetrické hmotnosti“. Dopisy o Zemi a planetách. 50 (1): 238–246. Bibcode:1980E & PSL..50..238D. doi:10.1016 / 0012-821X (80) 90135-1.
  9. ^ Gauthier-Lafaye, F. (2002). „2 miliardy let staré přírodní analogy pro ukládání jaderného odpadu: přírodní jaderné štěpné reaktory v Gabonu (Afrika)“. Comptes Rendus Physique. 3 (7–8): 839–849. Bibcode:2002CRPhy ... 3..839G. doi:10.1016 / S1631-0705 (02) 01351-8.
  10. ^ New Scientist: Oklo Reactor and fine-structure value. 30. června 2004.
  11. ^ Petrov, Yu. PROTI.; Nazarov, A. I .; Onegin, M. S .; Sakhnovsky, E. G. (2006). "Přírodní jaderný reaktor v Oklo a variace základních konstant: Výpočet neutroniky nového jádra". Fyzický přehled C.. 74 (6): 064610. arXiv:hep-ph / 0506186. Bibcode:2006PhRvC..74f4610P. doi:10.1103 / PHYSREVC.74.064610.
  12. ^ Davis, Edward D .; Hamdan, Leila (2015). „Přehodnocení limitu na odchylku α implikovaného Oklo reaktory s přirozeným štěpením“. Fyzický přehled C.. 92 (1): 014319. arXiv:1503.06011. Bibcode:2015PhRvC..92a4319D. doi:10.1103 / physrevc.92.014319.
  • Bentridi, S.E .; Gall, B .; Gauthier-Lafaye, F .; Seghour, A .; Medjadi, D. (2011). „Génèse et évolution des réacteurs naturels d'Oklo“ [Vznik a vývoj přírodních jaderných reaktorů v Oklo]. Komptuje Rendus Geoscience (francouzsky). 343 (11–12): 738–748. Bibcode:2011CRGeo.343..738B. doi:10.1016 / j.crte.2011.09.008.

externí odkazy