Первый ядерный реактор был создан в 1942 году физиками Чикагского университета (США) под руководством Энрико Ферми. Всего четырьмя годами позже в Москве, в лаборатории Игоря Курчатова, запустили первый советский ядерный реактор. А в 1954 году в Обнинске заработала первая в мире советская атомная электростанция.

Общий принцип получения энергии «мирного атома» известен сейчас каждому школьнику. Но не каждый школьник (и даже не каждый взрослый) знает о том, что задолго до появления человека природа уже «проводила опыты» с цепной реакцией распада урана.

Все дело в нейтронах

Прежде чем отправиться на пару миллиардов лет в прошлое и посмотреть, как действовал природный ядерный реактор, давайте вспомним, что происходит внутри реактора рукотворного.

Для его работы необходимо радиоактивное сырье — уран. В земной коре содержатся в основном две разновидности урана: U-235 и U-238. Они называются изотопами урана, т.е. отличаются друг от друга числом нейтронов в ядре. У изотопа U-238 на три нейтрона больше, чем у U-235, и он намного более устойчив. К тому же содержание U-238 в урановых рудах во много раз выше, чем U-235.

А нам-то для экономически выгодного получения энергии нужен как раз U-235. Вот и приходится различными способами «обогащать» урановую руду, чтобы повысить относительное содержание U-235 хотя бы до трех процентов.

Обогащенная смесь U-235 и U-238 помещается в «активную зону» реактора — место, где происходит деление ядер. Для запуска цепной реакции деления достаточно, чтобы из одного ядра урана вылетел быстрый (движущийся с большой скоростью) нейтрон. Этот нейтрон врезается в соседний атом урана, раскалывая его ядро и выбивая другие нейтроны… и так далее. Чем больше ядер урана разделилось, тем большее их количество разделится в следующую микросекунду.

При делении ядер U-235 выделяется значительное количество энергии — в виде теплоты. На АЭС эта теплота передается потоку газа, который, в свою очередь нагревает воду в резервуаре. Вода быстро закипает и превращается в пар, который и запускает вращение турбины и, соответственно, выработку электроэнергии.

Но как контролировать цепную реакцию? Как избежать опасного перегрева реактора, который может привести к взрыву? Или, наоборот, чрезмерного охлаждения, что ведет к потере мощности?

Для этого и нужен в первую очередь U-238. Этот изотоп урана не принимает участия в цепной реакции, зато способен поглощать определенное количество быстрых нейтронов, что само по себе замедляет скорость реакции.

Для точного же контроля над скоростью используют стержни из графита и бора. Графит пропускает через себя нейтроны, но значительно снижает их скорость. Бор поглощает нейтроны практически полностью.

Если скорость реакции становится слишком большой, в активную зону опускают стержни, и они поглощают лишние нейтроны. Если же реакция замедляется, стержни удаляют, количество нейтронов увеличивается, и скорость реакции возрастает до нужной величины. Помогает и вода из резервуаров: охлаждает реактор в случае его перегрева.

Кто украл уран?

Вскоре после запуска первых промышленных реакторов некоторые ученые стали задаваться вопросом: а нет ли чего-нибудь подобного в природе? Идея реактора слишком проста, чтобы за миллиарды лет существования нашей планеты где-нибудь не возникли природные условия для ее реализации.

Главная величина, характеризующая радиоактивность элемента, так называемый период полураспада, у устойчивого U-238 составляет 4,5 миллиарда лет, а у радиоактивного U-235 — всего лишь 700 миллионов лет. Это значит, что миллиарды лет назад относительное содержание U-235 в урановых рудах было гораздо выше, чем сейчас.

В 1956 году японский физик Пол Кадзуо Курода рассчитал, что 2 млрд лет назад это содержание составляло 3,7% (что уже достаточно для самоподдерживающейся цепной реакции), а 3 млрд лет назад — и вовсе 8,4%.

То есть на Земле в те времена просто обязаны были появляться самодействующие «ядерные реакторы»! Если не множество, то хотя бы несколько.

Оставалось только выяснить, где именно.

Первыми «под подозрение» попали урановые рудники в Габоне (государство в Центральной Африке, бывшая французская колония). То есть сначала месторождениями в габонском Окло заинтересовались полицейские, а уж потом выяснилось, что «преступником» в данном случае является сама природа.

Дело было так.

В мае 1972 года на фабрике обогащения урана во французском Пьерлате проводилась стандартная процедура проверки руды, полученной из Окло. Выяснилось, что относительное содержание U-235 в руде несколько меньше, чем стандартные показатели. Специалисты забили тревогу — ведь, по их мнению, такое могло случиться лишь в том случае, если кто-то ухитрился украсть часть U-235. Но кто и как мог это сделать? И для чего? Не для изготовления ли ядерного оружия?

За дело взялся французский комиссариат атомной энергетики, который проверил концентрацию урана в габонских шахтах. Полицейские эксперты выяснили, что концентрация урана «на месте» действительно немного ниже нормы, зато наблюдается повышенное содержание изотопа неодима-143.

Полицейские с облегчением вздохнули — кражи урана не было. А ученые, наоборот, напряглись: сочетание пониженной концентрации урана-235 с повышенным содержанием неодима-143 свидетельствовало о когда-то протекавшей здесь цепной ядерной реакции.

За два миллиарда лет до АЭС

Французский физик Франсис Перрен, основательно изучивший урановую руду из Окло, заявил, что тамошние условия полностью соответствуют предсказанным Куродой и что на этом месте действительно функционировал природный ядерный реактор. Ему удалось установить и примерное «время жизни» реактора — около двух миллиардов лет назад.

Жаль, конечно, что на Земле в те времена некому было любоваться таким замечательным явлением. Поверхность нашей планеты была еще пуста и непригодна для жизни, а простейшие существа, населявшие первобытный океан, обходились без кислорода и даже не помышляли о выходе на сушу..

Работу реактора протерозойской эпохи Перрен представлял следующим образом. Пористые породы, значительно более богатые, чем сейчас, ураном-235, регулярно заливались грунтовой водой. Поскольку содержание U-235 было достаточным для возникновения цепной ядерной реакции, она там и происходила. Вода играла роль охладителя и замедлителя. Когда вода испарялась (что происходило примерно через час после начала реакции), скорость реакции увеличивалась, реактор разогревался. Но потом из грунта просачивалась новая порция воды, и реактор остывал.

Перрен рассчитал и мощность, вырабатываемую природным реактором, — 100 кВт. По сравнению с реакторами, созданными человеком, это мелочь, пустяк; но для природного явления величина значительная. Да и работал такой реактор бесперебойно на протяжении ста тысяч лет.

За этот срок выгорело около пяти тонн U-235 (в наше бы время такое количество «чистого» урана!), а выделявшееся тепло бесцельно тратилось на разогревание пород до нескольких сотен градусов Цельсия.

…В те дальние времена на Земле было много мест, где концентрация U-235 позволяла начаться самоподдерживающейся ядерной реакции. Однако весь комплекс необходимых условий — высокая концентрация U-235, пористые породы, грунтовые воды и т.п. — сложился только в Окло. На сегодня это единственное место, где обнаружены следы действующего в отдаленном прошлом ядерного реактора.

В наше время из-за низкой концентрации урана-235 появление новых природных ядерных реакторов невозможно.

Ольга СТРОГОВА