Природный ядерный реактор в Окло

Российский Государственный  Педагогический Университет им. А.И.Герцена.

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему

«Природный ядерный реактор  к Окло»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент

Второго курса ф-та биологии

7 группы «Экология и 

Природопользование»

Душкин Михаил

Санкт-Петербург 2012г.

Оглавление:

• История открытия          3стр.
• «Необходимые и достаточные» условия протекания реакции.  3стр.
• Механизм образования реактора в Окло.     4стр.
• Тепловыделяющие элементы в современных реакторах.  6стр.
• Работа реактора.         9стр.
• Практические выводы.        9стр.
• Переработка отработанного ядерного топлива.    10стр.
• Связь с постоянной тонкой структуры.     12стр.
• Заключение.          12стр.

 

История открытия

Повсюду — и в земной коре, и на Луне, и даже в метеоритах — атомы урана-235 составляют 0,720% общего количества урана. Но в 1972 году обнаружили, что в образцах из месторождения Окло в Габоне содержание урана-235 составляло всего 0,717%. Этого крошечного несоответствия было достаточно, чтобы насторожить французских учёных. Дальнейшие исследования показали, что в руде недоставало около 200 кг — вполне достаточно для изготовления полдюжины ядерных бомб.

Специалисты французской Комиссии по атомной энергии были озадачены. Ответом послужила статья 19-летней давности, в которой Джордж Ветрилл (George W. Wetherill) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Марк Ингрэм (Mark G. Inghram) из Чикагского университета высказали предположение о существовании в далёком прошлом природных ядерных реакторов. Вскоре Пол Курода (Paul К. Kuroda), химик из Университета Арканзаса, определил «необходимые и достаточные» условия для того, чтобы в теле уранового месторождения спонтанно возник процесс самоподдерживающегося расщепления.

«Необходимые  и достаточные» условия протекания реакции.

Согласно расчётам Пола Курода, размер месторождения должен превышать среднюю длину пробега нейтронов, вызывающих расщепление (около 2/3 метра). Тогда нейтроны, испущенные одним расщепившимся ядром, будут поглощены другим ядром до того, как они покинут урановую жилу.

Концентрация урана-235 должна быть достаточно велика. Сегодня даже большое месторождение не может  стать ядерным реактором, так  как содержит меньше 1% урана-235. Этот изотоп распадается приблизительно в шесть раз быстрее, чем уран-238, из чего следует, что в отдалённом прошлом, например, 2 млрд. лет назад, количество урана-235 составляло около 3% — примерно столько, сколько в  обогащённом уране, используемом как  топливо на большинстве атомных  электростанций. Также необходимо наличие  вещества, способного замедлять нейтроны, испущенные при расщеплении ядер урана так, чтобы они более  эффективно вызывали расщепление других ядер урана. Наконец, в массе руды не должно быть заметных количеств  бора, лития или других, так называемых, ядерных ядов, которые активно поглощают нейтроны и вызвали бы быструю остановку любой ядерной реакции. То есть для успешного протекания природной ядерной реакции необходимо: Во-первых, чтобы месторождение было древним. Во-вторых, присутствие воды в больших количествах. Вода, особенно тяжелая,- лучший замедлитель нейтронов. Не меньше 15-20% воды должно было быть в составе урановой древней руды, чтобы в ней вспыхнула цепная реакция деления урана. В-третьих, необходимо, чтобы урана в руде было не меньше 10-20%. При иных обстоятельствах природная цепная реакция не могла бы начаться. В-четвертых, нужно, чтобы месторождение было не слишком маленьким. Например, в куске руды величиною с кулак - самой древней, самой концентрированной (и по урану, и по воде) - цепная реакция начаться бы не могла. Слишком много нейтронов вылетали бы из такого куска, не успев вступить в цепную реакцию. Подсчитали, что размеры залежей, которые могли бы стать природными реакторами, должны составлять хотя бы несколько кубометров.

Механизм образования реактора в Окло.

Как же природе удалось  создать условия для цепной ядерной  реакции? Сначала в дельте древней  реки образовался богатый урановый рудой слой песчаника, который покоился на крепком базальтовом ложе. После очередного землетрясения, обычного в то буйное время, базальтовый фундамент будущего реактора опустился на несколько километров, потянув за собой урановую жилу. Жила растрескалась, в трещины проникла грунтовая вода. Затем очередной катаклизм поднял всю "установку" до современного уровня. В ядерных топках АЭС топливо располагается компактными массами внутри замедлителя гетерогенный реактор. Так получилось и в Окло. Замедлителем служила вода. В руде появились глинистые "линзы", где концентрация природного урана от обычных 0,5% повысилась до 40%. Как образовались эти компактные глыбы урана, точно не установлено. Возможно, их создали фильтрационные воды, которые уносили глину и сплачивали уран в единую массу. Как только масса и толщина слоёв, обогащённых ураном, достигла критических размеров, в них возникла цепная реакция, и установка начала работать.

Ключевой фактор, сделавший  возможной работу реактора, — это  примерно 3,7%-ное изотопное содержание U-235 в природном уране в те времена. Это изотопное содержание сравнимо с содержанием урана в низкообогащённом ядерном топливе, используемым в большинстве современных энергетических ядерных реакторов. (Оставшиеся 96 % составляет U-238, не подходящий для реакторов на тепловых нейтронах). Поскольку уран-235 имеет период полураспада лишь 0,7 млрд лет (значительно короче, чем уран-238), современная распространённость урана-235 составляет лишь 0,72 %, чего недостаточно для работы реактора с легководным замедлителем без предварительного изотопного обогащения. Таким образом, в настоящее время образование природного ядерного реактора на Земле невозможно.

Ещё одним фактором, который, вероятно, способствовал началу реакции  в Окло именно 2 млрд лет назад, а  не ранее, был рост содержания кислорода  в атмосфере Земли. Уран хорошо растворяется в воде лишь в присутствии кислорода, поэтому в земной коре перенос  и концентрация урана подземными водами, формирующими богатые рудные тела, стали возможными только после  достижения достаточного содержания свободного кислорода.

 

Урановое месторождение  Окло — единственное известное место, где существовал природный ядерный  реактор. Другие богатые урановые рудные тела тоже имели достаточное количество урана для самоподдерживающейся цепной реакции деления в то время, но комбинация физических условий в  Окло (в частности, наличие воды как  замедлителя нейтронов, и пр.) была уникальной.

Тепловыделяющие элементы в современных  реакторах.

Тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) — главный конструктивный элемент активной зоны гетерогенного ядерного реактора, содержащий ядерное топливо. В твэлах происходит деление тяжелых ядер U-235, Pu-239 или U-233, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю. Твэлы состоят из топливного сердечника, оболочки и концевых деталей. Тип твэла определяется типом и назначением реактора, параметрами теплоносителя. Твэл должен обеспечить надежный отвод тепла от топлива к теплоносителю.

В большинстве современных  энергетических реакторов, твэл представляет собой стержень диаметром 9,1—13,5 мм и длиной несколько метров.

1 — заглушка; 2 — таблетки диоксида  урана; 3 — оболочка из циркония; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.

Внутри твэлов происходит выделение тепла за счёт ядерной реакции деления топлива и взаимодействия нейтронов с веществом материалов активной зоны и теплоносителя, которое передаётся теплоносителю. Конструктивно, каждый твэл состоит из сердечника и герметичной оболочки.

Помимо делящегося вещества (U-233, U-235, Pu-239), сердечник может содержать вещество, обеспечивающее воспроизводство ядерного топлива (U-238, Th-232).

Сердечник.

Сердечники бывают металлическими, металлокерамическими или керамическими. Для металлических сердечников  используются чистые уран, торий или  плутоний, а также их сплавы с  алюминием, цирконием, хромом, цинком. Материалом металлокерамических сердечников  служат спрессованные смеси порошков урана и алюминия. Для керамических сердечников спекают или сплавляют  оксиды или карбиды урана или  тория (UO2, ThC2).

Высоким требованиям по механической прочности и устойчивости физических свойств и геометрических размеров в условиях интенсивного нейтронного  и γ-излучения наиболее соответствуют керамические и металлокерамические сердечники, однако из-за наличия наполнителя для них требуется ядерное топливо повышенного обогащения (с содержанием u-235 до 10 % и более). Для повышения стойкости сердечника, в него иногда добавляют материалы, интенсивно поглощающие нейтроны (например, молибден).

В большинстве энергетических реакторов обычно применяют керамические сердечники из двуокиси урана (UO2), которые не деформируются в течение рабочего цикла выгорания топлива. Другое важное свойство этого соединения — отсутствие реакции с водой, которая может привести в случае разгерметизации оболочки твэла к попаданию радиоактивных элементов в теплоноситель. Также, к достоинствам диоксида урана можно отнести то, что его плотность близка плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.

 

 

Оболочка.

Хорошая герметизация оболочки твэлов необходима для исключения попадания продуктов деления топлива в теплоноситель, что может повлечь распространение радиоактивных элементов за пределы активной зоны. Также, в связи с тем, что уран, плутоний и их соединения крайне химически активны, их химическая реакция с водой может повлечь деформацию твэла и другие нежелательные последствия.

Материал оболочки твэлов должен обладать следующими свойствами:

• высокая коррозионная, эрозионная и термическая стойкость;

• он не должен существенно изменять характер поглощения нейтронов в реакторе.

Оболочки твэлов в настоящее время изготавливают из сплавов алюминия, циркония, нержавеющей стали. Сплавы Al используются в реакторах с температурой активной зоны менее 250—270 °C, сплавы Zr — в энергетических реакторах при температурах 350—400 °C, а нержавеющая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны, — в реакторах с температурой более 400 °C. Иногда используют и другие материалы, например, графит.

В случае использования  керамических сердечников, между ними и оболочкой оставляют небольшой  зазор, необходимый для учёта  различных коэффициентов теплового  расширения материалов, а для улучшения  теплообмена оболочку твэла вместе с сердечниками заполняют газом, который хорошо проводит тепло, чаще всего для этих целей используют гелий. В процессе работы твэла исходный зазор (примерно 100 мкм по радиусу) уменьшается, вплоть до полного исчезновения

Работа реактора.

Тепло, выделявшееся в результате реакции, вызывало кипение и испарение  воды, что замедляло или останавливало  цепную реакцию. После того, как порода охлаждалась, и распадались короткоживущие продукты распада (нейтронные яды), вода конденсировалась, и реакция возобновлялась. Этот циклический процесс продолжался несколько сотен тысяч лет.

При делении урана среди  продуктов деления образуются пять изотопов ксенона. Все пять изотопов в варьирующихся концентрациях  были обнаружены в породах природного реактора. Изотопный состав выделенного  из пород ксенона позволяет рассчитать, что типичный цикл работы реактора составлял примерно 3 часа: около 30 минут  критичности и 2 часа 30 минут охлаждения.

По количеству использованного урана-235, ученые вычислили количество выделенной энергии — около 15 тыс. МВт-лет. Согласно этим и другим свидетельствам, средняя мощность реактора оказалась меньше 100 кВт, то есть её хватило бы для работы нескольких дюжин тостеров.

По оценке, в реакциях деления, проходивших в урановых минеральных образованиях размером от сантиметров до метров, выгорело около 5 тонн урана-235. Температуры в  реакторе поднимались до нескольких сотен градусов Цельсия. Большинство нелетучих продуктов деления актиноидов, за прошедшие 2 млрд лет, диффундировали лишь на сантиметры. Это позволяет исследовать перенос радиоактивных изотопов в земной коре.

Практические выводы.

Инженерам, работающим в  области ядерной энергетики, есть чему поучиться у Окло. Например тому, как обращаться с ядерными отходами. Окло представляет собой образец долгосрочного геологического хранилища. Поэтому учёные подробно исследуют процессы миграции с течением времени продуктов расщепления из естественных реакторов. Они также тщательно изучили такую же зону древнего ядерного расщепления на участке Бангомбе, примерно в 35 км от Окло. Реактор в Бангомбе представляет особый интерес, так как он находится на меньшей глубине, чем в Окло и Окелобондо, и до недавнего времени через него проходило больше воды. Подобные удивительные объекты подтверждают гипотезу, что многие виды опасных ядерных отходов можно будет успешно изолировать в подземных хранилищах.