Известный физик ядерщик Юлий Борисович Харитон рассказывал, что однажды к нему обратились с вопросом о том, какое у него воинское звание, и состоит ли он на учете в военкомате. Но поскольку тогда воинские звания – а он был к тому времени уже главой Арзамаса-16, то есть, советского ядерного центра, и все эти армейские субординационные вещи происходили как-то автоматически, он ничего об этом не знал.

7 июня 1972 года во время рутинного масс-спектрометрического анализа на заводе во Франции, производящем обогащенное топливо, обнаружили, что в гексафториде урана (вещество, участвующее в процессе обогащения ядерного топлива) концентрация изотопа урана-235 (изотоп - это атом с одинаковым зарядом, но разным числом нейтронов и соответственно разной массой) не 0,720%, а 0,717%. Ну подумаешь, разница всего три тысячных процента, это так мало, что можно и не обращать внимания! Но только не в ядерной промышленности. Дело в том, что процент содержания урана-235 одинаков для всех пород Земли, Луны и в метеоритах, а по представлениям ученых — и во всей Солнечной системе.

Французы решили разобраться в проблеме и создали комиссию по расследованию низкого содержания изотопа. Все таки отрасль важная, от нее зависит и все энергоснабжение страны и получение этой страной ядерного оружия, так что с любыми проблемами надо разбираться быстро. Изначальная версия комиссии была проста: кто-то из длинной цепочки в обогащении урана загрязнил его уже обедненным ураном. Ну а если эта версия не оправдается - наверняка дело в несоблюдении технологии производства. Только вот после обхода всех заводов выяснилось, что они все делают исправно. Тогда комиссия направилась туда, где добывался этот уран — карьер Окло в Габоне. Обнаружилось, что в месторождении содержание двуокиси урана не превышает 0,5%, что вполне обычно, но в некоторых линзах (вкраплениях минерала в породе в виде плоского овального диска) оно поднималось до 40%, а концентрация урана-235 опускалась до 0,44%!

Урановый рудник Окло в Габоне

На некоторое время ученые без преувеличения ахуели: никогда раньше не было так, что изотопный состав вещества зависел от места его добычи. А это уже ставило под сомнение современные теории о возникновении Солнечной системы и всех элементов тяжелее железа! Но после трех месяцев изучения месторождения комиссия пришла к выводу, что они обнаружили… природный ядерный реактор!

Стоит отметить, что в 1941 году Зельдович Я.Б. (советский физик-ядерщик, один из создателей атомной бомбы)., а позже в 1957 году Г. Вэзерилл и М. Ингрем (американские физики, одни из тех, кто установил точный возраст Земли) предполагали существование естественного ядерного реактора в далеком прошлом, около 2 миллиардов лет назад, и даже описали возможные механизмы и условия для его образования. Однако никто не согласился с учеными — все посчитали, что для образования такой сложной структуры должно совпасть слишком много факторов, так что об этих идеях быстро забыли, пока не случился 1972 год.

После обнаружения реактора добыча в карьере была прекращена, а ученые приступили к подробному изучению феномена Окло. Многочисленные образцы были отправлены в различные лаборатории мира, в том числе и в СССР, что помогло воссоздать картину работы реактора. Как выяснилось, урановое месторождение образовалось в Окло примерно 2,1 миллиарда лет назад. И тут мы внезапно переходим к биологии! В это время происходил очень важный биологический процесс: переход от прокариотов (клеток без ядра) к эукариотам (более сложным по строению клеткам с ядром). Эукариоты поглощали углекислый газ, выделяя кислород, этот кислород окислял уран, а оксиды урана смывались дождем в древнюю реку. В устье реки образовался осадочный слой песчаника, богатого ураном, и поскольку под тяжестью своего веса частички урана опускались на дно быстрее других, они создали обогащенное место с концентрацией урана 0,5% (прямо как на обогатительной фабрике). После этого урановый слой скрылся под слоем песчаника, а из-за геологических процессов он опустился на глубину 4 км. Со временем слои песчаника потрескались, и в них начала затекать вода, под воздействием ее и большого давления образовались линзы с содержанием урана в руде до 60%. Всего нашли 17 изолированных друг от друга линз, в которых спустя 300 млн. лет и протекала ядерная реакция.

Геологический разрез месторождения Окло. Черными точками отмечены зоны, где происходили ядерные реакции. 17 зона расположена в 30 км от изначального места добычи.

Происходила она так: при попадании замедленного нейтрона в уран-235 он создавал очень нестабильный изотоп урана-236, который быстро “раскалывался” на два ядра-осколка, летящих друг от друга на огромной скорости, гамма-излучение и 3 нейтрона, часть из которых попадали в следующее ядро урана-235 и продолжали ядерную реакцию. Вода в Окло играла важную роль — она заливалась в линзу, замедляла те самые 3 нейтрона до такой скорости, чтобы они не “отскакивали” от ядра урана, а попадали и оставались в нем. А так же вода поглощала тепло, которое выделяли нейтроны и ядра-осколки во время торможения. После выпаривания воды из естественного ядерного реактора реакция быстро затухала и возобновлялась только тогда, когда в линзу снова заливалась вода (да простят меня физики за такое объяснение). Так продолжалось без малого 600 000 лет, пока в реактор окончательно не прекратила поступать вода. За все время своего существования реактор выработал около 15000 МВт*лет энергии. Это, кстати, совсем немного — 2 блока Ленинградской АЭС при полной загрузке вырабатывают столько же энергии за 2 с небольшим года.

Процесс деления ядра урана-235

Но Окло смог не только озадачить и удивить ученых своим наличием, но и помочь им! За почти 2 миллиарда лет тяжелые радиоактивные элементы почти не сместились в грунте. Плутоний, уран и даже более легкие элементы так и остались в линзах и не выходили в окружающую их глину. То есть естественный ядерный реактор подтверждает возможность безопасно хранить ядерные отходы, ведь за 2 миллиарда лет они никуда не делись и все так же покоятся в месте своего же образования. Проводимые с образцами из Окло эксперименты еще раз подтвердили неизменность физических констант, а по предварительным исследованиям биологов реактор мог локально влиять на эволюцию одноклеточных организмов рядом с собой.

Остатки оксида урана в одном из реакторов Окло. Переживать за здоровье человека в кадре не стоит, концентрация урана в породе, как и количество радиации, очень мало и, если не поднимать пыль, радиация не сможет причинить вред человеку.

Понятное дело, что сша героизируют его сейчас. Его вклад в науку неоценим не только в американском, но и в мировом масштабе. Но и у нас есть свой герой - Курчатов. Который в то время, а это представьте война и сразу послевоенное время смог создать аналогичное оружие и охладить пыл у американских вояк. Так же не стоит забывать, что в сша трудились ученые-атомщики сбежавшие из охваченной войной Европы. А у СССР не было такой возможности и все ученые были выращены внутри страны. А для этого нужны как и талантливые люди так и учебные заведения. И они трудились чуть ли не в голом поле, утрировано. Под его же руководством атом применили в мирной цели и создали первый АЭС. Есть даже информация ( не знаю насколько правдива), что сша на серьезных щах рассуждали, что советы настолько отсталы в вопросах атомных, что в ближайшие 10+ лет ядерного оружия у ссср не будет. Перенесемся в 90е. США ликуют, их конкурент побежден, но накопленные у союза ракеты никуда не делись и их надо минимум нейтрализовать, а лучше на этом еще и заработать. Поэтому была придумана программа ВОУ-НОУ (высокообогощенный уран в низкообогощенный уран) на 20 лет. По-которому Россия обязуется «разбодяжить»свой высокообогащенный уран из ракет в котором 95% урана 235 изотопа в низкообогащенный, это примерно 4-5% изотопа урана 235. Напомню в обычной руде примерно 0,7% изотопа 235. Злые языки писали по этой программе, что Россия за копейки отдавала богатство которое наши деды в урановых шахтах добывали. В защиту сторонников этой программы могу сказать так: сами знаете как было с деньгами, и вообще со страной, а огромный ядерный запас надо содержать, а АЭС. Обслуживать и так же снабжать топливом. Есть еще немаловажный момент о котором забывают. Атом урана распадается, а значит в ракете 95% изотопа 235 со временем уменьшается, т.е. со временем ракета при необходимости не взорвется. А значит нужно либо снова обогащать, на что у государства не было денег, либо распилить и продать. А полученные деньги вкладывать в развитие атомной промышленности и зарплаты специалистов. В США благодаря программе ВОУ-НОУ получили стабильные поставки дешевого обогащенного до 5% изотопа 235 для своих АЭС. Но это сыграло злую шутку для штатов. Так как АЭС там частные, то владельцы, логично, покупали дешевый российский уран вместо дорого американского. Из-за чего в скором времени местные заводы по добыче и переработке урана в США не осталось. И последняя попытка сделать центрифугу по обогащению урана закончилась аварией и финансирование вроде в 2011 году прекратили. Итого сша которая первая осуществила промышленное обогащение урана 235 сейчас не обладают конкурентной технологией обогащения урана. И закупают обогащенный до 5% уран на мировом рынке. Который около 45% всего мирового объема контролируют РОСАТОМ. Помимо обогащения наши атомные заводы, и вообще атомная промышленность впереди планеты всей и строят различие АЭС как дома, так и за рубежом. И только в России есть АЭС с реакторами на «быстрых нейтронах», в которых используют mox топливо при котором можно делить изотоп 238 урана, да-да так тоже можно. Также строятся реактор БРЕСТ на свинцовом теплоносителе. Также в России строятся заводы заводы полного ядерного цикла, в котором отработанное ядерное топливо с одних АЭС после переработки сжигают в других реактора. Что экономически выгодно. Например 238 уран за 80 лет накоплено огромное количество и его можно использовать в новых реакторах. А значит урана нам хватит надолго. А по прогнозам 235 изотопа в хватит на 50 лет при текущем спросе, а Китай сейчас активно строит АЭС, а значит урана потребуется еще больше.
И я горжусь за наших основателей атомной промышленности и за текущие достижения атома в нашей стране. И атомная промышленности не менее технологичная отрасль, чем производство айфонов.
Спасибо, что дочитали. В статье могут быть ошибки, даже могут быть грубые неточности.

Вот уже 15 лет как работаю в области ядерной физики...

Ищем безнейтринный двойной бета-распад и тёмную материю в подземных лабораториях по всему миру.

Sanford Underground Research Facility, Южная Дакота, США, 2023

Телеграмм-канал с физикой и мемами — Phy6

Jason Heeris & 1247 others:

Несколько недель назад я пытался в буквальном смысле слова убаюкать трехлетнего сына, рассказывая ему всё, что знаю о ядерной физике и физике элементарных частиц. А это немало, так как когда-то это было моей специальностью. Каждый вечер после этого, засыпая, он тонким голоском просит: «Папа, расскажи мне про атомы».