Природный ядерный реактор – или заправочная станция инопланетян?

Кадр из фильма "Индиана Джонс и храм судьбы"

«Ну, это красивая киносказка!» – скажете вы. «А на самом деле таких камней не бывает!».

А вот и бывают. Где? Сейчас расскажем.

Вы когда-нибудь видели топливо для ядерного реактора? Это невзрачные маленькие чёрные цилиндрики из оксида урана. Лёгкие – 4 с половиной грамма. Холодные, твёрдые.

Когда мы слышим слово «топливо», мы представляем себе вещество, которое может гореть – бензин, уголь, природный газ в плите на кухне. Урановую таблетку поджечь не получится, она не горит. Какое же это тогда топливо? Но что самое удивительное – одна такая четырёхграммовая таблетка способна заменить... полтонны нефти. Или пятьсот кубометров природного газа. Как же такое может быть?

На заводах таблетки из оксида урана укладывают в тонкие длинные металлические стержни, а стержни собирают в «пучки» или «связки», которые называют тепловыделяющими сборками (ТВС).

«Но какие же они тепловыделяющие» – спросите вы – «если они совсем холодные?». Да, холодные. Но стоит их уложить (или поставить) рядом друг с другом – и они начнут чуть-чуть нагреваться. Сами по себе! А если упакованные топливные сборки опустить в воду, «просто добавить водички» – они вдруг начнут нагреваться быстро, причём до очень высокой температуры, да ещё и засияют при этом красивым голубоватым светом! Прямо как те самые священные камни из кино про Индиану Джонса...

Что происходит дальше? Горячая вода, окружающая сборки, гонится насосами в парогенератор, а затем всё уже привычно – пар вращает турбины, турбины вращают электрогенераторы, генераторы вырабатывают электрический ток...

Но почему урановые таблетки в сборках ядерного топлива ведут себя так необычно? Поодиночке не работают, а собранные вместе начинают выделять много энергии? Как будто бы говорят: «Вместе мы – сила!». Или как в кино про Дениску Кораблёва – «Без друзей меня чуть-чуть, а с друзьями много!».

Дело в том что уран – вещество радиоактивное, нестабильное, «неустойчивое». Атомы урана сами по себе (просто от природы, потому что уран – это уран) медленно распадаются – то есть превращаются в атомы других веществ, выделяя энергию. Скажем, атом урана (точнее, изотопа урана-235) может «расколоться» на атом тория и ядро гелия (альфа-частицу). Или на атом свинца и атом неона. А иногда такими вот осколками деления могут быть атом криптона, атом бария и несколько свободных нейтронов...

И вот тут начинается самое интересное! Дело в том, что ядро атома урана может расколоться «просто так», «само по себе». Физики называют это «спонтанным делением». А ещё ядро может расколоться под воздействием элементарной частицы – того же самого нейтрона. Это называется «вынужденным делением». То есть вполне возможна ситуация, когда один атом урана распадается, «выстреливает» нейтронами, эти нейтроны «цепляют» другие атомы урана, они тоже начинают распадаться... Примерно как свежий анекдот – сперва его знает только один ученик в классе. После переменки – все друзья, после второй переменки – уже весь класс, а на следующий день этот анекдот знает уже вся школа. Знакомо? Атомы урана будто бы кидаются друг в друга нейтронами, как школьники, играющие в снежки на большой перемене... Такое явление учёные называют «цепной реакцией».

Цепная реакция может быть лавинообразной, неуправляемой, когда огромное количество энергии освобождается за тысячные доли секунды – в этом случае происходит ядерный взрыв. А вот если цепную реакцию «обуздать», научиться контролировать – тогда энергия будет выделяться постепенно и её можно будет превратить в то же самое электричество. На атомной электростанции.

Теперь понимаете, почему урановые таблетки работают «по закону Дениски Кораблёва»? То есть по принципу «без друзей меня чуть-чуть, а с друзьями много»? Допустим, у нас раскололся атом урана внутри маленькой таблетки. Но тогда получившиеся нейтроны просто вылетят наружу, не успев «зацепить» другие атомы урана. И выделение энергии будет мизерным, таблетка останется холодной. Но вот если этих таблеток собрать много (в реакторе может находиться больше 10 миллионов таких таблеток!), начинается выделение энергии.

«Понятно!» – скажете вы. «Но отчего выделение энергии настолько усиливается, когда мы добавляем к ядерному топливу воду?». Оттого, что вода очень хорошо замедляет скорость нейтронов. Обычно при делении атома урана вылетают «быстрые» нейтроны. На высокой скорости нейтрон может легко «вылететь» из активной зоны и не принять участие в общей цепной реакции. А вот если с помощью воды нейтрон замедлить, тогда этот нейтрон останется в активной зоне, и наверняка «попадёт» в другой атом урана (что, собственно, нам и требуется).

Как люди управляют ядерным реактором? Для этого применяются специальные управляющие стержни. В их состав входят химические элементы, способные хорошо останавливать летящие нейтроны – например, бор, кадмий или серебро. Управляющие стержни «отделяют» урановые тепловыделяющие элементы друг от друга, не дают им «работать вместе», «кидаться нейтронами друг в друга». Как будто дети играют в снежки на перемене – и вдруг их отделили друг от друга стенками. Ведь игра сразу же прекратится, верно? Поднимая и опуская управляющие стержни, инженеры получают возможность контролировать цепную реакцию, запускать и останавливать ядерный «котёл»...

Первая в мире атомная электростанция была построена в России, в городе Обнинске, в Калужской области, в 1954 году. Не так уж и давно – даже семидесяти лет не прошло. Однако представьте себе изумление учёных, когда они обнаружили остатки ядерного реактора, возраст которого составляет... 1 миллиард 700 миллионов лет!

В 1972 году на атомной электростанции Трикастен во Франции исследовали образцы урановой руды из шахты Окло на западном побережье Африки. Обычно содержание урана-235 составляет 0.72%. Однако образцы из Окло содержали только 0.6% урана-235. «Этого не может быть!» – сказали специалисты. «Перед нами самое настоящее отработанное ядерное топливо, топливо, уже «прогоревшее» в ядерном реакторе!».

Нужно помнить, что в ядерных реакторах производят не только электроэнергию, но и начинку для атомных бомб. А ядерное оружие – совсем не шутка. В самом разгаре была холодная война. Таинственные следы никому не известного реактора в Африке вызвали серьёзное беспокойство и у французских учёных, и у военных, и у политиков... Так что было начато самое настоящее расследование. В итоге политики и военные выдохнули с облегчением – никаких секретных фабрик по производству ядерных бомб обнаружено не было. Зато было совершено открытие – самые настоящие ядерные реакторы могут существовать в природе!

Что же происходило в Окло почти 2 миллиарда лет назад? Какое объяснение предложили учёные? Обширное и очень богатое месторождение урана было залито грунтовыми водами. Вода – как мы уже объясняли – работает в качестве замедлителя нейтронов, поэтому внутри урановой руды начались цепные реакции, начался нагрев. Когда температура в «природном реакторе» поднялась до нескольких сотен градусов, вода выкипела, превратилась в пар – и реакция остановилась. Однако как только «реактор» остыл, пар снова превратился в воду, и реакция началась заново. Этот цикл нагрева и остывания продолжался снова и снова как минимум несколько сотен тысяч лет.

Само собой, как это происходит всегда, у теории «природного ядерного реактора» нашлись и противники. Их рассуждения были вот какими: месторождений урановой руды на Земле довольно много, и попадание обычной воды в такие руды не может и не должно быть исключительно редким явлением. 2 миллиарда лет назад содержание изотопа урана-235 в земной коре было свыше 3.7%, то есть все урановые руды всех месторождений того времени представляли собой, выражаясь современным языком, низкообогащённое ядерное топливо. Тогда мы должны находить на Земле многочисленные следы таких вот древних «природных реакторов» с отработанным топливом! Однако нет, учёным известен только уникальный «объект в Окло», один-единственный в своём роде...

Но каким может быть другое объяснение? Следы «ядерной бензоколонки» высокоразвитой цивилизации, существовавшей на Земле 2 миллиарда (!) лет назад – то есть в те годы, когда жизнь существовала только на одноклеточном уровне? Или «полигон для ядерных отходов», «ядерная свалка», созданные на пустой и практически безжизненной (в те далёкие времена) планете Земля инопланетянами?