자연 핵분열 원자로

Natural nuclear fission reactor
자연 핵분열 원자로로 이어지는 가봉의 지질학적 상황
  1. 원자로 구역
  2. 사암
  3. 우라늄광석층
  4. 화강암

화석 천연 핵분열로는 자급자족하는 핵 연쇄반응이 발생한 우라늄 퇴적물이다.이것은 우라늄과 (안정적인 딸 핵분열 생성물의) 핵종 둘 다의 동위원소 비율 분석을 통해 조사할 수 있다.자연형 원자로가 존재할 수 있는 조건은 1956년 폴 쿠로다 가즈오에 의해 예측되었다.[1]이 현상은 1972년 프랑스 물리학자 프란시스 페린에 의해 가봉의 옥로에서 예측된 것과 매우 유사한 조건에서 발견되었다.

옥로는 세계에서 유일하게 알려진 곳으로, 센티미터 크기의 광석층이 패치를 이룬 16개의 부지로 이루어져 있다.여기서 자급자족하는 핵분열 반응은 약 17억 년 전에 일어났다고 생각되며, 그 기간 동안 평균 100 kW 미만의 화력을 가진 수십만 년 동안 계속되었다.[2][3][4]

역사

1972년 5월 프랑스 피에렐라테의 트리카스틴 우라늄 농축현장에서 가봉에 위치한 옥로광산의 UF6 샘플을 비교한 일상적인 질량분석 결과
 U 동위원소 양이 일치하지 않는 것으로 나타났다.일반적으로 이 표본들은 0.60%에 불과한 반면, 농도는 0.72%이다.[5]모든 민간 우라늄 처리 시설은 핵분열성 동위원소를 세심하게 설명해야 핵무기 제조에 전용되는 일이 없도록 하기 때문에 이 불일치에는 설명이 필요했다.이리하여 프랑스의 Commissarity á l'énergie atomique (CEA)는 조사를 시작했다.옥로에서 채굴된 우라늄의 가장 중요한 동위원소 2곳의 상대적 함량을 측정한 결과 다른 광산에서 얻은 우라늄에 비해 비정상적인 결과가 나타났다.이 우라늄 퇴적물에 대한 추가 조사 결과 U농도가
0.44%로 낮은 우라늄 광석이 발견됐다.네오디뮴과 루테늄과 같은 핵분열 생성물의 동위원소를 후속적으로 검사한 결과, 아래에 자세히 기술된 바와 같이 이상 징후도 나타났다.그러나 미량 방사성동위원소 U는 다른 천연 샘플과 비교하여 농도에서 크게 벗어나지 않았다.둘 다 고갈된 우라늄 농축과 재처리 우라늄 보통 234U 농도 크게 55ppm234U의 영년 평형 238U에 친척에게서 다른 결과를 가지고 올 것이다.이 234U 함께 와 235로 눈에 띄는 것에 둘 다 중성자 포획에 의해 235에서 고속 중성자 원자로에(n,2n)반응 유도에 의해 생산된 소비되고 있는으로 인한 있다.Oklo에서는 원자로가 활성화되었을 때 존재하는 U 농도의 가능한 편차가 붕괴된 지 오래되었을 것이다.

U에서의
이러한 손실은 정확히 원자로에서 일어나는 일이다.가능한 설명은 우라늄 광석이 먼 지질학적 과거 자연 핵분열 원자로로 작동했다는 것이었다.다른 관측들은 같은 결론으로 이어졌고, 1972년 9월 25일 CEA는 약 20억년 전에 지구에서 자급자족하는 핵 연쇄반응이 일어났다는 그들의 발견을 발표했다.후에, 다른 자연 핵분열 원자로들이 이 지역에서 발견되었다.

핵분열 생성물 동위원소 서명

열 중성자 대상이었던 U의
천연 네오디뮴과 핵분열 생성물 네오디뮴의 동위원소 시그니처.

네오디뮴

네오디뮴과 다른 원소들은 보통 지구에서 발견되는 것과 다른 동위원소 성분으로 발견되었다.예를 들어, Oklo는 Nd
 동위원소를 6% 미만으로 함유하고 있는 반면, 천연 네오디뮴은 27%를 함유하고 있지만, Oklo는 Nd
 동위원소를 더 많이 함유하고 있다.Oklo-Nd에서 자연 동위원소 Nd 풍요를 빼면 U의
핵분열로 생성된 동위원소 조성이 일치했다.

루테늄

열 중성자 대상이었던 U의
천연 루테늄과 핵분열 생성물 루테늄의 동위원소 시그니처.모
(극히 장수하는 이중 베타 방출체)는 원자로가 작동을 멈춘 이후 시간이 지나도록 루에게
 부패할 시간이 없었다.

옥로에서 루테늄의 동위원소 비율에 대한 유사한 조사 결과, 루의
농도가 다른 자연 발생보다 훨씬 높은 것으로 나타났다(27~30% 대 12.7%)이 이상 현상은 Tc가
Ru에
부패함으로써 설명될 수 있다.막대 도표에서 루테늄의 정상적인 자연 동위원소 시그니처는 열 중성자와 U의
핵분열 결과인 핵분열 생성물 루테늄과 비교된다.핵분열 루테늄은 동위원소 서명이 다른 것이 분명하다.핵분열 생성물 혼합물에서 루의
수준은 몰리브덴의 장수(반수명 = 10년19) 동위원소 때문에 낮다.원자로가 가동되고 있던 시기의 규모에서 루에
 대한 붕괴는 거의 일어나지 않았을 것이다.

메커니즘

천연 원자로는 우라늄이 풍부한 광물 퇴적물이 지하수로 범람하면서 형성되었는데, 이는 핵분열로 생성된 중성자의 감속재 역할을 할 수 있다.연쇄 반응이 일어나 지하수가 끓어 없어지는 열이 발생했지만 중성자를 늦출 수 있는 감속재 없이 반응이 느려지거나 멈췄다.따라서 원자로는 인간이 만든 경수로에서 안전 메커니즘으로 사용되는 반응성의 음극계수를 가지고 있었다.광물 퇴적물을 식힌 후 물이 되돌아오고 반응이 다시 시작되어 3시간마다 전체 사이클이 완료되었다.핵분열 반응 주기는 수십만 년 동안 계속되었고, 점점 줄어드는 핵분열 물질이 중성자 독의 축적과 결합하여 더 이상 연쇄 반응을 지속할 수 없게 되면서 끝났다.

우라늄의 핵분열은 일반적으로 알려진 5개의 핵분열-제품 가스 제논 동위원소를 생성하며, 5개의 동위원소는 다양한 농도에서 자연 원자로의 잔해에 갇힌 채 발견되었다.20억년 후 광물 형성에 갇힌 제논 동위원소의 농도는 원자로 운전의 특정 시간 간격을 계산할 수 있다. 임계치는 약 30분, 냉각 시간은 2시간 30분이다.[6]제논-135호는 가장 강력한 중성자 독이다.그러나, 그것은 주목할 만한 양으로 직접 생산되는 것이 아니라 오히려 요오드-135 (또는 그것의 모핵종 중 하나)의 붕괴 산물로 생산된다.제논-135 자체는 불안정하며 중성자를 흡수하지 못하면 세슘-135로 분해한다.세슘-135는 비교적 오래 살지만, 옥로 원자로에서 생산되는 세슘-135는 이후 안정적 바륨-135로 더욱 부패했다.한편 제논-135호에서 중성자 포획의 산물인 제논-136호는 이중 베타 붕괴를 통해 극히 느리게 분해될 뿐이며 따라서 과학자들은 우라늄 핵분열을 멈춘 지 거의 20억 년 후에 그러한 동위원소 비율에 근거한 계산에 의해 이 원자로의 중성자를 결정할 수 있었다.

반응을 가능케 한 핵심 요인은 17억년 전 원자로가 임계화됐을 당시 핵분열성 동위원소 U가
천연 우라늄의 약 3.1%를 차지해 오늘날의 일부 원자로에서 사용되는 양과 맞먹는 양이라는 점이었다.(남은 96.9%는 핵분열성이 아닌 U
.U는
U에
비해 반감기가 짧고, 따라서 더 빨리 해독되기 때문에 현재 천연 우라늄에 U가
풍부하다는 것은 0.72%에 불과하다.그러므로 자연 원자로는 중수나 흑연 없이는 지구에서 더 이상 가능하지 않다.[7]

옥로 우라늄 광석 매장지는 천연 원자로가 존재했던 곳으로 알려진 유일한 곳이다.다른 풍부한 우라늄 광석체도 당시 핵반응을 뒷받침할 충분한 우라늄을 가지고 있었을 것이지만, 연쇄반응을 뒷받침하는 데 필요한 우라늄, 물, 물리적 조건의 조합은 현재 알려진 한 옥로 광석체에게 독특했다.

20억년 전에 옥로 자연 원자로를 시작하게 된 또 다른 요인은 지구 대기의 산소 함량 증가였다.[4]우라늄은 자연적으로 지구의 암석에 존재하며, 핵분열 U의
풍부함은 원자로가 가동되기 전에는 항상 최소 3% 이상이었다.우라늄은 오직 산소가 있는 곳에서만 물에 녹는다.따라서 지구의 노화기에 산소 농도가 높아지면 우라늄이 용해되고 지하수와 함께 운반되어 충분한 농도가 축적되어 풍부한 우라늄 광석을 형성할 수 있는 곳으로 이동하게 되었을지도 모른다.당시 지구상에 이용 가능한 새로운 에어로빅 환경이 없었다면, 이러한 농도는 아마도 일어날 수 없었을 것이다.

이 우라늄에서 핵반응은 센티미터에서 미터 사이즈의 정맥으로 약 5톤의
U를 소비하고 수 백 도까지 온도를 상승시킨 것으로 추정된다.[4][8]대부분의 비휘발성 핵분열 생성물과 액티니드는 지난 20억년 동안 정맥 내에서 겨우 센티미터만 움직였다.[4]연구들은 이것을 핵폐기물 처리에 유용한 자연 아날로그로 제시했다.[9]

원자 미세구조 상수와의 관계

옥로의 자연형 원자로는 원자 미세구조 상수 α가 지난 20억년 동안 변화했을 가능성을 확인하기 위해 사용되어 왔다.그것은 α가 다양한 핵반응의 속도에 영향을 미치기 때문이다.예를 들어 sm은
중성자를 포획해 sm이
되고, 중성자 포획률은 α의 값에 따라 다르기 때문에 옥로에서 채취한 샘플에서 2개의 사마륨 동위원소의 비율을 이용하여 20억 년 전의 α 값을 계산할 수 있다.

여러 연구에서 옥로에 남겨진 방사성 동위원소의 상대적 농도를 분석한 적이 있으며, 대부분의 연구에서는 당시 핵반응이 오늘날과 많이 같다는 결론을 내렸으며, 이는 α도 마찬가지라는 것을 암시한다.[10][11][12]

참고 항목

참조

  1. ^ Kuroda, P. K. (1956). "On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals". Journal of Chemical Physics. 25 (4): 781–782, 1295–1296. Bibcode:1956JChPh..25..781K. doi:10.1063/1.1743058.
  2. ^ Meshik, A. P. (November 2005). "The Workings of an Ancient Nuclear Reactor". Scientific American. 293 (5): 82–6, 88, 90–1. Bibcode:2005SciAm.293e..82M. doi:10.1038/scientificamerican1105-82. PMID 16318030.
  3. ^ Mervine, Evelyn (July 13, 2011). "Nature's Nuclear Reactors: The 2-Billion-Year-Old Natural Fission Reactors in Gabon, Western Africa". blogs.scientificamerican.com. Retrieved July 7, 2017.
  4. ^ a b c d Gauthier-Lafaye, F.; Holliger, P.; Blanc, P.-L. (1996). "Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical event" in a geologic system". Geochimica et Cosmochimica Acta. 60 (25): 4831–4852. Bibcode:1996GeCoA..60.4831G. doi:10.1016/S0016-7037(96)00245-1.
  5. ^ Davis, E. D.; Gould, C. R.; Sharapov, E. I. (2014). "Oklo reactors and implications for nuclear science". International Journal of Modern Physics E. 23 (4): 1430007–236. arXiv:1404.4948. Bibcode:2014IJMPE..2330007D. doi:10.1142/S0218301314300070. ISSN 0218-3013. S2CID 118394767.
  6. ^ Meshik, A. P.; et al. (2004). "Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon". Physical Review Letters. 93 (18): 182302. Bibcode:2004PhRvL..93r2302M. doi:10.1103/PhysRevLett.93.182302. PMID 15525157.
  7. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. p. 1257. ISBN 978-0-08-037941-8.
  8. ^ De Laeter, J. R.; Rosman, K. J. R.; Smith, C. L. (1980). "The Oklo Natural Reactor: Cumulative Fission Yields and Retentivity of the Symmetric Mass Region Fission Products". Earth and Planetary Science Letters. 50 (1): 238–246. Bibcode:1980E&PSL..50..238D. doi:10.1016/0012-821X(80)90135-1.
  9. ^ Gauthier-Lafaye, F. (2002). "2 billion year old natural analogs for nuclear waste disposal: the natural nuclear fission reactors in Gabon (Africa)". Comptes Rendus Physique. 3 (7–8): 839–849. Bibcode:2002CRPhy...3..839G. doi:10.1016/S1631-0705(02)01351-8.
  10. ^ 뉴 사이언티스트:옥로 원자로와 미세구조 값.2004년 6월 30일.
  11. ^ Petrov, Yu. V.; Nazarov, A. I.; Onegin, M. S.; Sakhnovsky, E. G. (2006). "Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core". Physical Review C. 74 (6): 064610. arXiv:hep-ph/0506186. Bibcode:2006PhRvC..74f4610P. doi:10.1103/PHYSREVC.74.064610. S2CID 118272311.
  12. ^ Davis, Edward D.; Hamdan, Leila (2015). "Reappraisal of the limit on the variation in α implied by the Oklo natural fission reactors". Physical Review C. 92 (1): 014319. arXiv:1503.06011. Bibcode:2015PhRvC..92a4319D. doi:10.1103/physrevc.92.014319. S2CID 119227720.
  • Bentridi, S.E.; Gall, B.; Gauthier-Lafaye, F.; Seghour, A.; Medjadi, D. (2011). "Génèse et évolution des réacteurs naturels d'Oklo" [Inception and evolution of Oklo natural nuclear reactors]. Comptes Rendus Geoscience (in French). 343 (11–12): 738–748. Bibcode:2011CRGeo.343..738B. doi:10.1016/j.crte.2011.09.008.

외부 링크