Наша планета — огромный атомный реактор, жар которого сохраняется в недрах земного шара под слоем земной коры. Учёные доказали, что около двух миллиардов лет назад природные атомные реакторы, конечно несравнимо меньшей мощности, работали и на его поверхности. Очередная научная сказка Ник. Горькавого о том, как удалось сделать это открытие.
Однажды вечером в доме Дзинтары появился гость — профессор Хао Шон, известный китайский учёный, старый друг и однокашник принцессы.
Любопытная Галатея спросила гостя за ужином:
— А какую сказку вы знаете?
— Сказку? — глаза профессора Хао стали по-европейски круглыми.
— Да, королева Никки всегда рассказывает нам новые истории, когда приезжает. И её сын Майкл тоже.
— Какую же сказку поведал вам Майкл? — спросил профессор.
— Про географическую долготу и про то, как эту проблему решали часовщики и астрономы, — пояснил Андрей.
— Ах, вот какие сказки вы слушаете! — Гость призадумался, но быстро нашёлся. — Я тоже знаю одну историю, которая мне очень нравится, и я часто рассказываю её не только детям, но и взрослым.
— А о чём она? — спросила Галатея.
— Это история про Африку, где водятся гориллы, крокодилы и… атомные реакторы. Началась она во Франции. Эта страна три четверти электроэнергии получает от атомных электростанций. А топливо для них добывают из урановой руды, которую везут из Африки. Образцы урановых руд исследуют в лаборатории урановой обогатительной фабрики в Пьерлате во Франции. Однажды, было это в 1972 году, дежурный химик-аналитик обнаружил изменение изотопного состава урана, привезённого из Габона: содержание урана-235 в природной смеси трёх его изотопов (-234, -235 и -238) снизилось по сравнению со стандартным с 0,720 до 0,717%.
— Ой! — перебила профессора Галатея. — А что такое изотопы урана?
Хао Шон задумался, соображая, как ответить на такой простой вопрос.
— Уран отличается от соседей по химической таблице Менделеева зарядом и массой... Ядра атомов каждого элемента, к примеру кислорода, железа, урана, состоят из двух типов частиц — нейтральных и заряженных. Нейтральные частицы — нейтроны, а заряженные — протоны. Химические свойства элемента зависят от количества протонов в ядре, заряд которого нейтрализуется таким же числом отрицательно заряженных электронов, находящихся на орбитах вокруг ядра. А вот количество нейтронов в ядрах может меняться, и это практически не влияет на химические свойства элементов.
Если исследовать природный уран, добытый в Африке или в других местах, то мы увидим во всех ядрах урана одинаковое количество протонов, но не все они одинаковы по числу нейтронов: одни ядра содержат больше нейтронов, другие — меньше. Разные по массе ядра урана называются изотопами. В ядре урана-235 — 92 протона и 143 нейтрона, а в ядре урана-238 — 92 протона и 146 нейтронов.
Таблица Менделеева описывает все химические элементы, найденные в природе, и расставляет их по числу протонов в ядре, что задаёт их химические свойства. Но если с точки зрения химии различные изотопы одного и того же элемента практически не отличаются, то их ядерные свойства могут быть очень разными. Ядра разного состава обладают разной устойчивостью: есть стабильные, или долгоживущие, изотопы элементов, а есть очень нестабильные, радиоактивные. Все изотопы урана радиоактивны, но уран-235 распадается быстрее своего собрата — урана-238, поэтому его осталось так мало. А вы знаете, откуда у нас на Земле взялся уран?
— Знаем! — хором ответили дети. — Оттуда же, откуда появилось железо в нашей крови, — от взрыва сверхновых звёзд!
— Верно! Взрыв сверхновой — это не шутка. Мощный поток нейтронов обрушивается на ядра железа и других элементов, занимающих середину таблицы Менделеева, накопившихся в звезде к концу её жизни. Ядро железа получает один лишний нейтрон, второй, третий… И если эти лишние нейтроны успеют претерпеть радиоактивный распад и превратятся в протоны, то ядро начинает менять заряд, химические свойства и место в таблице Менделеева — так из железа получается тяжёлое ядро элемента, находящегося в конце таблицы, например урана. Разных изотопов урана образуется, грубо говоря, поровну.
Когда вспышка сверхновой прекращается, то выброшенные облака газов разлетаются по космическому пространству и остывают, оседая в местах, где формируются новые небесные тела. Миллиарды лет назад так произошло и в месте формирования нашего Солнца и планет Солнечной системы, куда уран попал с других звёзд по той же самой схеме. Но поскольку уран нестабилен, со временем на Земле его становится всё меньше, причём самого короткоживущего изотопа урана-235 в урановой руде уже почти не осталось, всего 0,720% — такая его доля присутствует во всех урановых рудах как на Земле, так и в образцах лунного грунта и метеоритах.
По соотношению оставшихся изотопов урана и продуктов их распада физики-ядерщики смогли оценить возраст нашей планеты. Они пришли к выводу, что, если «стукнуть» по ядру урана нейтроном, оно может развалиться на два осколка — ядра элементов из середины таблицы Менделеева. Такие дочерние ядра связаны крепче, чем ядро урана, вот почему при делении урана будет выделяться излишек энергии.
Когда люди овладели энергией деления ядер, они впервые смогли использовать энергию, рождённую не на Солнце, потому что все остальные энергетические источники — нефть, газ, уголь и дрова — представляют собой энергию Солнца, аккумулированную в горючем материале и накопленную в Земле в течение её долгой истории.
Крошечная доля энергии взрыва сверхновой, запасённая когда-то в ядрах урана, и сейчас служит людям на Земле. Тепло, выделяемое урановыми стержнями в атомном реакторе, нагревает воду, превращая её в пар, а пар вращает турбины электростанции (в этом смысле атомная электростанция отличается от тепловой только источником тепла).
Для работы атомной электростанции нужны, главным образом, изотопы урана-235. Его ядра наименее стабильны, то есть слеплены слабее, чем ядра урана-238. Ядра урана-235 можно делить бомбардировкой медленными нейтронами. Быстрые нейтроны тоже способны вызывать деление ядер и 235-го и 238-го изотопов, но вероятности таких процессов малы.
Чаще всего природный уран перед загрузкой в реактор обогащают, специальным образом отсеивая часть атомов 238-го изотопа. Теперь вы понимаете, почему так важно содержание в природном уране 235-го изотопа.
— Понимаем! — ответил за двоих Андрей. — Но мы не понимаем, почему ядра урана-235 можно делить медленными нейтронами, а 238-го — нельзя? И почему вероятность деления ядер медленными нейтронами больше, чем быстрыми?
— Чтобы ответить на такие вопросы, наша сказка должна растянуться как минимум на полгода, — улыбнулся профессор Хао. — В этом случае она будет называться «Курс ядерной физики».
— Но скажите хотя бы, откуда берутся нейтроны для деления ядер урана? Ведь сверхновая поблизости не взрывается!
— Это как раз просто. При делении каждого ядра урана освобождается два или три новых нейтрона, с их помощью можно вызвать деление соседних ядер. Иными словами, сами ядра урана при делении порождают нейтроны, которые участвуют в делении других ядер. Это называется цепной ядерной реакцией.
Профессор сделал вопросительную паузу, но новых детских вопросов не последовало. Облегчённо вздохнув, он продолжал:
— Согласно измерениям, полученным в лаборатории в Пьерлате в 1972 году, процент урана-235 в исследуемой партии урановой руды составлял не 0,720%, а 0,717%. Речь идёт о разнице в три тысячные процента! Но химики обратили внимание на эту недостачу. Выходило, что в давние времена кто-то в Африке жёг урановое топливо в ядерных реакторах и израсходовал часть драгоценного 235-го изотопа.
Галатея и Андрей взволнованно переглянулись, а Хао улыбнулся.
— Наверное, вы сразу подумали про древних инопланетян? Чтобы разобраться в этом вопросе, в Африку отправилась экспедиция, которая обнаружила, что почти два миллиарда лет назад в Габоне в урановой жиле месторождения Окло работали древние ядерные реакторы, которые изменили изотопный состав руды. Оказалось, что атомные реакторы — их в Габоне открыли около двух десятков — созданы не инопланетянами, а самой природой. Два миллиарда лет назад содержание легкоделящегося урана-235 достигало трёх процентов. Кроме того, урановая жила в Габоне располагалась возле речки, а вода, как мы теперь знаем, — естественный замедлитель нейтронов. Нейтроны, рождающиеся при делении ядер, — быстрые. Чтобы организовать цепную реакцию, их нужно замедлить, то есть уменьшить их скорость. Таким замедлителем в реакторах, созданных человеком и природой, как раз и служит вода.
Когда-то на отмели африканской речки распад ядер урана в природной жиле рождал нейтроны, они уменьшали свою скорость, проходя через мокрый грунт, и делили другие ядра урана-235, вызывая новые распады. В результате урановая жила метровой толщины в течение получаса разогревалась до тепловой мощности в сотню киловатт…
— Это мощность приблизительно ста комнатных электрокаминов! — воскликнул Андрей.
— …пока грунтовые воды не закипали и не испарялись. Без замедлителя реактор угасал и остывал два с половиной часа. Затем вода снова проникала по трещинам в остывшую урановую жилу, и цикл повторялся снова.
Пол Курода, родившийся в Японии и ставший впоследствии американским профессором в университете Арканзаса, ещё в середине ХХ века предсказал возможность существования естественных атомных реакторов в далёком прошлом, когда уровень радиоактивности земных пород был гораздо выше настоящего. Курода считал их поиск делом своей жизни и настойчиво изучал проблему, невзирая на насмешки других химиков. Через два десятка лет гипотеза Куроды подтвердилась, и он стал знаменитым.
Естественные атомные реакторы, предсказанные Куродой, возникли в небольших урановых жилах, в которых возможна цепная реакция деления урана. Земля представляет собой огромный атомный реактор, жар которого разогрел нашу планету до расплавленного состояния, сохраняющегося до сих пор под слоем твёрдой земной коры. Вулканизм и тектоническая подвижность континентальных плит — внешние проявления того атомного жара, который выделяется внутри земного шара. Не будь его, вряд ли могла бы возникнуть жизнь на планете с холодными недрами. И сейчас мы живём на поверхности земного атомного реактора, греемся в лучах солнечного термоядерного реактора.
До того как человечество открыло естественные ядерные реакторы, многие учёные, включая Энрико Ферми, полагали, что атомный реактор — исключительно достижение человека разумного.
— А как долго работали природные африканские реакторы? — спросила Галатея.
— Сотни тысяч лет! — ответил Хао. — В смысле надёжности атомных реакторов людям тоже есть чему поучиться у природы.
…Галатея представила себе африканскую речку, журчащую возле песчаной отмели. Вдруг раздались свист и шипение, и из песка начали бить струи горячего пара. Атомный реактор заработал! Фонтаны били долго, но постепенно угасли — реактор начал остывать. Прошло два с половиной часа, и фонтаны пара снова пробили песок и ударили в небо. Так продолжалось не годами и не веками, а сотнями тысяч лет!..
— Как здорово, что столь ничтожное отклонение в составе руды не осталось незамеченным! — воскликнул Андрей.
Хао покачал головой.
— Я всегда призываю молодых учёных замечать и тщательно исследовать все необычные отклонения от существующих моделей или представлений. Не пропускать ничего непонятного! Даже маленькое противоречие между теорией и экспериментом может стать толчком к открытию чего-то нового и важного. Нередко учёный не имеет сил расстаться со своей едва работающей теорией. Он её беспрерывно «чинит», как старый автомобиль: замазывает лаком проржавевшие крылья и говорит всем, что он вот-вот помчится. А машина всё не едет. А новые данные выявляют всё больше дыр в теории, и жизнь проходит не в поиске истины, а в лакировке лжи. Лишь настоящий учёный никогда не прячет недостатки своих теорий, а публично обсуждает их, надеясь найти решение.
— Что-то не очень похожа твоя история на сказку… — прищурилась Дзинтара.
— Всё равно она очень интересная, а это главное! — заступилась Галатея за профессора.
***
Пол Курода (1917—2001) — химик, родившийся в Японии и эмигрировавший в США в 1949 году. Математически рассчитал работу природного атомного реактора и предсказал возможность существования таких реакторов в прошлом.
Д. И. Менделеев (1834—1907) — великий русский химик, открывший периодичность в химических свойствах элементов и разместивший их в виде таблицы (таблица Менделеева).
Энрико Ферми (1901—1954) — выдающийся итало-американский физик, лауреат Нобелевской премии 1938 года. Один из создателей первого атомного реактора.
