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
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
Oklo - lokalizacja Złoże uranu 1,950(40) Ga Franceville paleoprotozoik
Metoda U-Pb datowanie skał cyrkonowych Zr(SiO 4 ) uwięzienie U migracja Pb 2.5 1.5 2 1 0.5 T 1/2 = 4.5 Ga T 1/2 = 0.7 Ga
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 %) 28 000 ton uranu Eksploatacja 1962-1999
Badania rudy z kopalni Oklo (1972) W jednej z próbek znaleziono tylko 0.44 % 235 U! Urobek z lat 1970-72, 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)
Rozszczepienie i reakcja łańcuchowa Neutron termiczny e n ~ 0.03 ev
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
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 > 1 2 10 9 lat temu Woda jako moderator
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
Struktura geologiczna złoża w Oklo 15m 0.5 m 10m Inklinacja i infiltracja złoża Wzrost koncentracji U w niszach skalnych (kształt soczewki)
Struktura geologiczna złoża w Oklo ~3 km Rdzeń o wysokiej koncentracji U ( do 70 %) porowata, silnie spękana skała Kiedyś Teraz 1m Strefa 9
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
Produkty rozszczepienia znalezione w Oklo Analiza izotopowa odwiertu 149 Sm silnie absorbuje neutrony termiczne w reakcji rezonansowej n + 149 62Sm 150 62 150 62 Sm* Sm + γ deficyt 149 Sm Stosunek izotopowy 149 Sm/ 147 Sm σ 149 ~100 kbarn (prawdopodobieństwo zajścia reakcji)
Wychwyt rezonansowy neutronu przez 149 Sm n + 149 62Sm 150 62 150 62 Sm* Sm + γ E r =0.0973 ev Γ γ E r σ γ Γ γ E r 2 (wz. Breita-Wignera)
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
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 1/3 2 10 8 α α 10 7 α const
α α 10 6 Dirac (1937) : Hipoteza wielkich liczb Gm p 2 e 2 /4πε 0 10 40 α t Hħ m p c 2 = 1/T univ Widma absorpcyjne kwazarów F G ~F EM
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, 064610, (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