За два миллиарда лет до того, как мы вошли в историю и расщепили атом, Земля уже совершила это и запустила собственные ядерные реакторы. И они работали сотни тысяч лет, пока не появились первые признаки многоклеточной жизни.
В 1972 году инженеры на заводе по переработке урана «Евродиф» в Пьерлатте, Франция, осматривали урановую руду, поставляемую из богатого природными ресурсами Габона в Западной Африке, когда заметили нечто странное. Содержание урана-235 (U-235) оказалось ниже ожидаемого, и не только в некоторых образцах, а во всех образцах, добытых на этом конкретном руднике. В породах отсутствовало некоторое количество U-235, и поскольку изотопные соотношения урана фиксированы, единственным объяснением этого было то, что он уже подвергся ядерному делению. По сути, это было неопровержимое доказательство того, что уран уже использовался в качестве ядерного топлива.
Физик Фрэнсис Перрен, осознавая это открытие, не знал, как его интерпретировать. Природный уран содержит 0,720% U-235, но в этих породах из города Окло в Габоне его содержание составляло всего 0,717%. Разница была небольшой – всего 0,003% – но существенной.
Хотя имеющиеся данные указывали на то, что породы уже участвовали в ядерной реакции, ученым было трудно в это поверить. Но после дальнейшего анализа они обнаружили изотопные следы, образовавшиеся в результате деления, которые подтвердили, что эта урановая руда из Окло когда-то питала природный ядерный реактор — а точнее, несколько реакторов — глубоко под поверхностью Земли.
«После дополнительных исследований, включая осмотр на месте, выяснилось, что урановая руда подверглась самопроизвольному делению», — сказал Людовик Феррьер, куратор коллекции горных пород Венского музея естественной истории, где образцы горных пород хранятся постоянно с 2019 года. «Другого объяснения не было».
Людовик Феррьер, куратор коллекции камней из Окло в Венском музее естественной истории. Лаура Гил/IAEA
Казалось, сама природа опередила нас в освоении ядерной энергетики почти на два миллиарда лет. Конечно, Земля два миллиарда лет назад была совсем другой, и природный уран содержал около 3% U-235 — примерно столько же, сколько используется в некоторых современных реакторах. Одного этого недостаточно для поддержания ядерного деления, но в Окло грунтовые воды, протекавшие через эти породы, действовали как естественный замедлитель нейтронов — подобно тому, как вода используется во многих современных реакторах. И когда грунтовые воды текли в нужном направлении, происходили реакции деления.
Дальнейшие исследования показали, что эти природные реакторы работали не непрерывно, а циклически включались и выключались на протяжении сотен тысяч лет. Хотя атомы урана-235 иногда расщеплялись сами по себе, условия в Окло позволили этим редким событиям вызвать устойчивую цепную реакцию. Атомы водорода в грунтовых водах, заполнявшие трещины и поры в окружающих породах, замедляли быстро движущиеся нейтроны, высвобождаемые при делении, ровно настолько, чтобы вызвать дальнейшее расщепление атомов и поддерживать реакцию. Затем выделяющееся тепло выпаривало воду, удаляя естественный замедлитель нейтронов и останавливая реактор — до тех пор, пока всё не остынет и вода снова не начнет поступать в породы.
«Как и в искусственно созданном легководном ядерном реакторе, реакции деления, без чего-либо, замедляющего нейтроны, просто прекращаются», — сказал Питер Вудс из Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). «В Окло вода действовала как замедлитель, поглощая нейтроны и контролируя цепную реакцию».
С момента открытия в 1972 году в основном месторождении урана Окло, а также на дополнительных площадках неподалеку в Бангомбе, было обнаружено по меньшей мере 15 реакторов. Каждый из них имеет характерные изотопные отпечатки, которые могут быть получены только в результате длительного ядерного деления. Считается, что каждый из них в активном состоянии производил около 100 киловатт тепловой энергии — то есть, по современным меркам это не так уж много, и лишь малая часть этого количества в любой момент времени, когда реакторы включались или выключались.
«Феномен Окло — одно из самых удивительных и неожиданных открытий XX века, сделанных в области геофизики и ядерной физики», — заявили исследователи в статье 2011 года.
Если вам интересно, то то, что происходило под поверхностью Земли в Окло, сегодня не могло бы произойти естественным путем. Доля U-235 в природных месторождениях упала примерно до 0,7%, что слишком мало для поддержания цепной реакции без антропогенного обогащения. Хотя этот район по-прежнему остается центром добычи урана, он также стал ценным местом для научных исследований.
«Именно это делает всё таким захватывающим: то, как сложились обстоятельства — время, геология, вода — чтобы это вообще произошло, — сказал Вудс. — И то, что это сохранилось до наших дней. Детективная история успешно раскрыта».
