Планеты могут «открывать» ядерную энергетику самостоятельно, естественно, без какого-либо интеллекта. Земля сделала это за 1,7 миллиарда лет до человека.
Если вы охотитесь за инопланетным разумом, ищете верные сигнатуры их деятельности по всей Вселенной, у вас будет несколько вариантов. Вы можете поискать интеллектуальную радиопередачу, подобную той, которую люди начали излучать в 20-м веке. Вы можете поискать примеры общепланетарных модификаций, например, проявления человеческой цивилизации, когда вы смотрите на Землю с достаточно высоким разрешением. Вы могли бы искать искусственное освещение ночью, как наши города, поселки и рыбные выставки, видимые из космоса.
Или вы можете искать технологические достижения, такие как создание частиц, таких как антинейтрино, в ядерном реакторе. В конце концов, именно так мы впервые обнаружили нейтрино (или антинейтрино) на Земле. Но если мы выберем последний вариант, мы можем обмануть себя. Земля создала ядерный реактор, естественно, задолго до появления человека.
Чтобы сегодня создать ядерный реактор, первым ингредиентом, который нам нужен, является реакторное топливо. Например, уран состоит из двух различных встречающихся в природе изотопов: U-238 (со 146 нейтронами) и U-235 (со 143 нейтронами). Изменение количества нейтронов не меняет тип вашего элемента, но меняет стабильность вашего элемента. Оба U-235 и U-238 распадаются в результате цепной радиоактивной реакции, но U-238 живет в среднем примерно в шесть раз дольше.
К тому времени, когда вы доберетесь до настоящего времени, U-235 составляет лишь около 0,72% всего встречающегося в природе урана, а это означает, что его необходимо обогатить как минимум до уровня около 3%, чтобы получить требуется поддерживающая реакция деления или специальная установка (с участием тяжеловодных посредников). Но 1,7 миллиарда лет назад - это более чем два полных периода полураспада для U-235. Тогда, на древней Земле, U-235 составлял около 3,7% всего урана: достаточно, чтобы произошла реакция.
Между различными слоями песчаника, прежде чем вы достигнете гранитной породы, составляющей большую часть земной коры, вы часто найдете жилы месторождений полезных ископаемых, богатых тем или иным элементом. Иногда это очень прибыльно, например, когда мы находим золотые жилы под землей. Но иногда мы находим там другие, более редкие материалы, такие как уран. В современных реакторах обогащенный уран производит нейтроны, и в присутствии воды, которая действует как замедлитель нейтронов, часть этих нейтронов ударит по другому ядру U-235, вызывая реакцию деления.
Когда ядро распадается, оно производит более легкие дочерние ядра, высвобождает энергию, а также производит три дополнительных нейтрона. Если условия правильные, реакция вызовет дополнительные события деления, что приведет к самоподдерживающемуся реактору.
Два фактора сошлись 1,7 миллиарда лет назад, чтобы создать естественный ядерный реактор. Во-первых, над коренным слоем гранита свободно текут грунтовые воды, и только вопрос геологии и времени, когда вода попадет в богатые ураном районы. Окружите атомы урана молекулами воды, и это будет хорошим началом.
Но чтобы ваш реактор работал хорошо и самоподдерживаясь, вам нужен дополнительный компонент: вы хотите, чтобы атомы урана были растворены в воде. Для растворимости урана в воде должен присутствовать кислород. К счастью, аэробные бактерии, использующие кислород, появились после первого массового вымирания в истории Земли: великого события насыщения кислородом. С кислородом в подземных водах растворенный уран был бы возможен всякий раз, когда вода затопляет минеральные жилы, и мог бы даже образоваться особенно богатый ураном материал.
Когда у вас происходит реакция деления урана, возникает ряд важных сигнатур.
- Пять изотопов элемента ксенон образуются в результате реакции.
- Оставшееся соотношение U-235/U-238 следует уменьшить, поскольку только U-235 является делящимся.
- U-235 при разделении дает большое количество неодима (Nd) с удельным весом: Nd-143. Обычно отношение Nd-143 к другим изотопам составляет около 11-12%; наблюдение за усилением указывает на деление урана.
- То же самое для рутения весом 99 (Ru-99). Встречаясь в природе с численностью около 12,7%, деление может увеличить ее примерно до 27-30%.
В 1972 году французский физик Франсис Перрен обнаружил в общей сложности 17 участков, разбросанных по трем месторождениям руды на рудниках Окло в Габоне, Западная Африка, которые содержали все четыре из этих сигнатур.
Реакторы деления Окло - единственные известные примеры естественных ядерных реакторов здесь, на Земле, но механизм их возникновения заставляет нас полагать, что они могут возникать во многих местах и могут возникать в других местах на Земле. также Вселенная. Когда подземные воды затапливают месторождения полезных ископаемых, богатых ураном, могут происходить реакции деления урана-235.
Грунтовые воды действуют как замедлитель нейтронов, позволяя (в среднем) более чем 1 из 3 нейтронов столкнуться с ядром U-235, продолжая цепную реакцию.
Поскольку реакция протекает в течение короткого промежутка времени, грунтовые воды, замедляющие нейтроны, выкипают, что полностью останавливает реакцию. Однако со временем, когда деления не происходит, реактор естественным образом остывает, позволяя грунтовым водам снова попасть внутрь.
Исследуя концентрации изотопов ксенона, попавших в ловушку в минеральных образованиях, окружающих залежи урановой руды, человечество, подобно выдающемуся детективу, смогло рассчитать конкретную временную шкалу реактора. Примерно на 30 минут реактор станет критическим, и деление будет продолжаться до тех пор, пока вода не выкипит. В течение следующих ~150 минут будет период охлаждения, после которого вода снова затопит минеральную руду, и деление возобновится.
Этот трехчасовой цикл будет повторяться в течение сотен тысяч лет, пока постоянно уменьшающееся количество U-235 не достигнет достаточно низкого уровня, ниже этого ~3% количества, при котором начинается цепная реакция. больше не мог поддерживаться. В этот момент все, на что способны и U-235, и U-238, - это радиоактивный распад.
Глядя на сайты Oklo сегодня, мы обнаруживаем естественное содержание U-235 в диапазоне от 0,44% до 0,60%: все это значительно ниже нормального значения 0,72%. Ядерное деление в той или иной форме является единственным естественным объяснением этого несоответствия. В сочетании с доказательствами ксенона, неодима и рутения вывод о том, что это был геологически созданный ядерный реактор, практически неизбежен.
Достаточно интересно, есть ряд научных открытий, которые мы можем сделать, глядя на происходившие здесь ядерные реакции. Мы можем определить временные рамки циклов включения/выключения, глядя на различные отложения ксенона. Размеры урановых жил и количество, которое они мигрировали (вместе с другими материалами, затронутыми реактором) за последние 1,7 миллиарда лет, могут дать нам полезный, естественный аналог того, как хранить и утилизировать ядерные отходы. Соотношения изотопов, обнаруженные на участках Окло, позволяют нам проверить скорость различных ядерных реакций и определить, изменились ли они (или лежащие в их основе фундаментальные константы) с течением времени. Опираясь на эти данные, мы можем определить, что скорости ядерных реакций, а, следовательно, и значения констант, которые их определяют, были такими же 1,7 миллиарда лет назад, как и сегодня.
Наконец, мы можем использовать соотношения различных элементов, чтобы определить возраст Земли и ее состав, когда она была создана. Уровни изотопов свинца и урана учат нас тому, что 5,4 тонны продуктов ядерного деления были произведены за 2 миллиона лет на Земле, которой сегодня 4,5 миллиарда лет.
При вспышке сверхновой, а также при слиянии нейтронных звезд образуются как U-235, так и U-238. Изучая сверхновые, мы знаем, что на самом деле мы создаем больше U-235, чем U-238, примерно в соотношении 60/40. Если бы весь уран Земли был создан из одной сверхновой, эта сверхновая возникла бы за 6 миллиардов лет до образования Земли.
В любом мире, пока богатая жила приповерхностной урановой руды добывается с соотношением U-235 к U-238 более 3/97, опосредованным водой, это в высшей степени правдоподобно для произойдет спонтанная и естественная ядерная реакция. В одном удачном месте на Земле, более чем в дюжине случаев, у нас есть неопровержимые доказательства ядерной истории. В игре с природной энергией никогда больше не оставляйте ядерное деление в списке.