NATURALNY REAKTOR JĄDROWY

Transkrypt

1 Piotr Bednarczyk Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk NATURALNY REAKTOR JĄDROWY CZY WARTOŚĆ STAŁEJ STRUKTURY SUBTELNEJ ZMIENIA SIĘ W CZASIE? WYKŁAD HABILITACYJNY

2 ZAGADNIENIA Złoże uranu w Oklo lokalizacja, pochodzenie i datowanie Zagadka deficytu izotopu 235 U w próbkach Rozszczepienie 235 U (krótkie przypomnienie) Warunki pracy i prawdopodobny sposób działania samoistnego reaktora jądrowego Analizy zawartości produktów rozszczepienia (Sm) w złożu Reakcja rezonansowego wychwytu neutronu i jej relacja ze stałą a

3 Oklo - lokalizacja Złoże uranu 1,950(40) Ga Franceville paleoprotozoik

4 Metoda U-Pb datowanie skał cyrkonowych Zr(SiO 4 ) uwięzienie U migracja Pb T 1/2 = 4.5 Ga T 1/2 = 0.7 Ga

5 Powstawanie złoża U o (ultra)wysokiej koncentracji Wietrzenie skał Osadzanie grudek materiału zawierających uran w korytach rzek Utlenianie i rozpuszczanie U w wodzie (cyjanobakterie- wzrost koncentracji tlenu- katastrofa tlenowa) Osadzanie w warstwach dennych delty i powtórna redukcja (obecność hydrokarbonatów- ropaorganizmy żywe) bogata ruda uranowa < 2 Ga Rejon Franceville (5 złóż, m. in Oklo) wysoka koncentracja U ( > 10 %) ton uranu Eksploatacja

6 Badania rudy z kopalni Oklo (1972) W jednej z próbek znaleziono tylko 0.44 % 235 U! Urobek z lat , 700 ton U Brak ~200 kg 235 U (6 bomb jądrowych) Charakterystyczna dla rozszczepienia zawartość izotopów metali ziem rzadkich A~140 (m.in.: Nd, Sm, Gd)

7 Rozszczepienie i reakcja łańcuchowa Neutron termiczny e n ~ 0.03 ev

8 Rozszczepienie i reakcja łańcuchowa Neutron termiczny e n ~ 0.03 ev ilość neutronów wytworzonych w rozszczepieniu współczynnik rozmnożenia: k eff = wychwyt rezonansowy i absorpcja (w rdzeniu i moderatorze) ucieczka z objętości reaktora η ε p f P s P th >1 <1 k eff = 1 Stan krytyczny

9 Obliczenia modelowe P.K. Kuroda J.Chem. Phys. 25 (1956) 781 MODEL I: standardowe (high-grade) złoże rudy uranowej- koncentracja U ~2% MODEL II: złoże rudy wytworzonej z osadów wodnych- koncentracja U ~ 10 % Depozyt o grubości około 30 cm k eff < 1 k eff > lat temu Woda jako moderator

10 Warunki występowania reaktorów naturalnych na Ziemi Naturalne reaktory wzbogacone paliwo reaktorowe 3% 3.65% limit Kurody- 1 % Brak tlenu (niska koncentracja U w złożu) Deficyt 235 U

11 Struktura geologiczna złoża w Oklo 15m 0.5 m 10m Inklinacja i infiltracja złoża Wzrost koncentracji U w niszach skalnych (kształt soczewki)

12 Struktura geologiczna złoża w Oklo ~3 km Rdzeń o wysokiej koncentracji U ( do 70 %) porowata, silnie spękana skała Kiedyś Teraz 1m Strefa 9

13 Warunki pracy reaktora naturalnego T~400 k eff < 1 Czas działania: ~150 tys. lat Zużycie paliwa: 6 ton 235 U Wytworzona energia: 15 GW rok (~100 kw) 3h k eff 1 Większość niegazowych produktów rozszczepienia pozostała w złożu

14 Produkty rozszczepienia znalezione w Oklo Analiza izotopowa odwiertu 149 Sm silnie absorbuje neutrony termiczne w reakcji rezonansowej n Sm Sm* Sm + γ deficyt 149 Sm Stosunek izotopowy 149 Sm/ 147 Sm σ 149 ~100 kbarn (prawdopodobieństwo zajścia reakcji)

15 Wychwyt rezonansowy neutronu przez 149 Sm n Sm Sm* Sm + γ E r = ev Γ γ E r σ γ Γ γ E r 2 (wz. Breita-Wignera)

16 Wychwyt rezonansowy neutronu przez 149 Sm Przekrój czynny σ silnie zależy od położenia rezonansu E r Dane z Oklo pozwalają skonfrontować energię rezonansu z wartością sprzed 2mld lat

17 Wnioskowanie o stałej sprężenia a E r 0 może być związane ze zmianą stałej a (Slyakhter 1976) α α = E r M c 10 mev 1 MeV = 10 8 =v B /c ~ 1/137 δ = ~10 10 M c - różnica energii Kulombowskiej: Ε c (150) - Ε c (149) ~ -1.1 MeV Dane z Oklo: E r < 0.1 ev Model kroplowy jądra (Weizsacker): E c 0.7 Z 2 A 1/ α α 10 7 α const

18 α α 10 6 Dirac (1937) : Hipoteza wielkich liczb Gm p 2 e 2 /4πε α t Hħ m p c 2 = 1/T univ Widma absorpcyjne kwazarów F G ~F EM

19 BIBLIOGRAFIA John D. Barrow & John K. Webb Inconstant Constants, SCIENTIFIC AMERICAN 292 (2005) 57 G.A. Cowan A natural fission reactor SCIENTIFIC AMERICAN 235 (1976) 36 Y. Petrov et al., PRC 74, , (2006) A.P. Meshik, The workings of an ancient nuclear reactor SCIENTIFIC AMERICAN 293 (2005) 82 F. Gauthier-Lafaye, C.R.Physique 3(2002) 839 A.I.Slyakhter Nature, 264, 340 (1976) wikipedia i inne źródła internetowe