Под знаком кванта.

Титан Прометей — внук Урана, сын Фемиды и брат Атланта больше других помог Зевсу в его битве с Кроносом: именно он склонил великую богиню Гею стать на сторону Зевса и посоветовал ему низвергнуть побежденных титанов в мрачный Тартар. После победы Зевс решил уничтожить прежний род людской и вместо него создать новый, лучший. Для начала он лишил людей огня в наказание за хитрость Прометея в их пользу при разделе жертвенного быка. В ответ Прометей похитил огонь из кузницы Гефеста и передал его людям, а также научил их искусствам и знаниям, земледелию и скотоводству, чтению и письму. Разгневанный громовержец приковал Прометея к скале над морем в далекой Скифии, куда каждый день в течение долгих лет прилетал орел клевать его печень. Кроме того, он повелел Гефесту создать из глины и воды Пандору — первую земную женщину нового поколения — и отдать ее в жены Эпиметею, брату Прометея. Афродита украсила Пандору прелестями, Гермес внушил ей хитрость, а Зевс подарил запечатанный сосуд с людскими бедами. Искушаемая любопытством, Пандора вскрыла сосуд, и все земные несчастья разлетелись по свету; на дне сосуда осталась лишь надежда, которая с тех пор заменяет людям счастье.

Эта древняя легенда не поблекла даже теперь, после многих лет неумеренного употребления ее фрагментов в бесчисленных повествованиях об открытии атомной энергии. Чаще всего вспоминают незадачливую Пандору с ее сосудом как прообраз атомной бомбы, часто — Прометея, добывшего атомный огонь ценой страданий и внутреннего разлада между долгом и нравственностью. И совсем редко упоминают конец легенды: Геракл убивает орла и разбивает цепи, Зевс прощает Прометея, а мудрый кентавр Хирон умирает вместо него, даруя Прометею свое бессмертие.

Борьба человека за атомный огонь даже для нас, современников начала атомной эры, уже покрыта легендами.

Драматическая история овладения атомной энергией неотделима от трагических поворотов судьбы всего человечества во времена самой бесчеловечной из его войн. Каждая подробность этой истории важна и значительна, но, чтобы в должной мере оценить их смысл, надо вначале представить себе суть физических процессов, составляющих основу происходивших событий.

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ

Поздно вечером 21 декабря 1938 г. Отто Ган и Фриц Штрассман закончили статью, в которой вынуждены были признать, что при облучении урана медленными нейтронами возникают элементы барий, лантан и церий. В тот вечер Отто Ган вряд ли в полной мере предвидел все последствия своего открытия, хотя и чувствовал безошибочно их важность. Он позвонил своему другу Паулю Розбауду, издателю еженедельника «Naturwissenschaften», и попросил опубликовать их сообщение как можно быстрее. Розбауд вставил статью в готовый номер, и она была напечатана уже через две недели, 6 января 1939 г. Эта статья оказалась тем последним камнем, который увлекает за собой лавину: только в течение 1939 г. было опубликовано свыше ста работ по проблеме деления урана. (Шесть лет спустя эта работа Гана будет отмечена Нобелевской премией 1944 г.; он узнает об этом в состоянии глубокой депрессии после сообщений о Хиросиме и Нагасаки, сидя под арестом в английском замке.)

В то время, когда Пауль Розбауд знакомился со статьей Гана и Штрассмана, Энрико Ферми поднимался по трапу парохода, чтобы навсегда покинуть фашистскую Италию. 2 января 1939 г. он сошел на берег в гавани Нью-Йорка: «Итальянский мореплаватель прибыл в Новый Свет» (четыре года спустя такими словами Артур Комптон сообщит руководству американского уранового проекта об успешном запуске первого атомного реактора под руководством Ферми). 7 января, на следующий день после выхода статьи Гана и Штрассмана, в Соединенные Штаты отплывал Нильс Бор. 16 января он сошел с корабля в Нью-Йоркском порту, еще не зная, что именно в этот день Отто Фриш отправил в редакцию «Nature» сразу две статьи: в одной из них «Разрушение урана нейтронами: новый тип ядерной реакции» (напечатана 18 февраля) Отто Фриш и Лизе Мейтнер объяснили суть открытия Гана и Штрассмана и впервые ввели термин «деление ядер», в другой Отто Фриш сообщал, что накануне (13 января) он наблюдал осколки деления урана с помощью простейшей ионизационной камеры. (На многие годы в кругу друзей «деление» станет прозвищем Отто Фриша).

Нильс Бор и Энрико Ферми встретились 26 января в Вашингтоне на конференции по теоретической физике, где Нильс Бор рассказал об открытиях последних недель. Реакция физиков была бурной и единодушной и очень напоминала реакцию самого Бора на рассказ Фриша: «Как мы могли не замечать этого так долго!» — сказал он тогда, хлопнув себя по лбу. В течение ближайших двух-трех дней открытие деления ядра было подтверждено по крайней мере в пяти лабораториях США, 26 января в этом убедился Жолио-Кюри в Париже (его заметка в Докладах Французской академии была напечатана уже 30 января), а к тому времени, когда вышла статья Фриша и Мейтнер, деление ядер уже наблюдали десятки исследователей в Копенгагене и Нью-Йорке, Вашингтоне и Париже, Ленинграде и Варшаве.

Выступая вслед за Бором, Энрико Ферми обратил внимание на то, что при делении ядер урана, кроме двух ядер-осколков, должно испускаться несколько нейтронов, которые в свою очередь могут вызвать последующие деления, то есть в уране возможна цепная реакция деления с выделением огромной энергии. Заключение Ферми было очень естественным (хотя в то время и не вполне очевидным: сами Фриш и Мейтнер, например, не заметили этого следствия своей гипотезы), однако противоречило наблюдаемым фактам: никто никогда не видел, чтобы кусок урана взрывался при облучении его нейтронами.

Размышляя над этим противоречием, Нильс Бор вспомнил, что четыре года назад Артур Демпстер с помощью своего

усовершенствованного масс-спектрометра обнаружил редкий изотоп урана ²³⁵₉₂U, причем оказалось, что природный уран на 99,28 % состоит из изотопа ²³⁸₉₂U и лишь на 0,72 % — из изотопа ²³⁵₉₂U. Бор предположил, что медленными нейтронами делится уран-235, а быстрые нейтроны, которые при этом делении испускаются, сразу же поглощаются ядрами урана-238, поэтому нейтронная вспышка гаснет, как спичка, брошенная в поленницу сырых дров. Альфред Нир (р. 1911 г.) и Джон Даннинг (1907—1975) подтвердят эту гипотезу Бора только через год, 1 марта 1940 г., но поверили в нее сразу и во всех дальнейших исследованиях принимали ее во внимание.

Сразу же встало три новых вопроса: Сколько нейтронов и с какой энергией вылетает из ядра изотопа урана-235 при каждом делении? Что происходит с ядрами изотопа урана-238 после захвата нейтрона? При каких условиях возможно осуществить незатухающую цепную ядерную реакцию в уране?

Ответ на первый вопрос уже в середине марта получили сразу четыре группы исследователей: Фредерик Жолио-Кюри, Хальбан и Коварски во Франции, Флеров и Русинов в России, Ферми, Андерсон и Ханштейн, а также Сцилард и Зинн в США. Оказалось, что при каждом делении ядра урана-235 испускается примерно два-три вторичных нейтрона со средней энергией 1,3 МэВ. (Точное число нейтронов деления ν=2,42, измеренное впоследствии, оставалось государственной тайной вплоть до 1950 г.)

При попытке ответить на второй вопрос вспомнили сразу одну из работ Мейтнер, Гана и Штрассмана. Еще в 1937 г., повторяя эксперименты группы Ферми, они заметили, что ядра урана особенно эффективно поглощают нейтроны с энергией 25 эВ (так тогда думали, в действительности — 6,8 эВ). Такое резонансное поглощение нейтронов всегда сопровождается β-активностью с периодом полураспада 23 мин, в отличие от случая поглощения медленных «тепловых» нейтронов с энергией 0,04 эВ, когда наблюдается сложная смесь различных периодов полураспада. Теперь причина такого различия прояснилась: уран-235 наиболее эффективно делится медленными нейтронами (его сечение деления велико), и образующиеся в этом случае продукты деления имеют различные периоды полураспада. Напротив, при энергии нейтронов в несколько электрон-вольт сечение резонансного поглощения ураном-238 значительно превышает сечение деления урана-235, поэтому основным процессом является превращение урана-238 в нептуний-238 путем β-распада.

Таким образом, чтобы цепная реакция стала возможной, необходим замедлитель нейтронов, который должен, во-первых, уменьшить их энергию в 10 миллионов раз — от 1 МэВ, с которой они вылетают при делении ядра урана-235, до энергии 0,1 эВ — и, во-вторых, осуществить это так быстро, чтобы нейтроны успели замедлиться до того, как они столкнутся с ядром урана-238. Наконец, сам замедлитель не должен поглощать нейтроны, то есть сечение захвата им нейтронов должно быть очень малым.

Наиболее эффективно замедляет нейтроны водород (это хорошо помнили после опытов Ферми 1934 г.), но, к несчастью, оказалось, что он сильно их поглощает: сечение реакции

в которой при столкновении нейтрона с протоном образуется тяжелый изотоп водорода дейтерий и испускается γ-квант, равно σ = 0,33 барн. Это значительно меньше, чем сечение резонансного захвата в уране-238, равное ≈10 000 барн, но все-таки слишком много.

Летом 1939 г. советские теоретики Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон проделали первый расчет кинетики цепной реакции деления в растворе урана с водой. Их выводы были неутешительными: такой гомогенный ядерный реактор будет работать только в том случае, если концентрацию изотопа урана-235 повысить до 2,5 % вместо тех 0,72 %, которые присутствуют в любом образце природного урана.

Так возникла первая большая проблема атомной энергетики: разделение изотопов урана. Вначале ее считали настолько неприступной, что в течение двух лет о ней практически не думали. В самом деле, казалось невероятным, что когда-нибудь удастся разделить химически совершенно идентичные атомы изотопов урана, массы ядер которых различаются всего на полтора процента. Но война меняет представления о границах возможного: уже в 1944 г. были построены и работали заводы по разделению изотопов урана — огромные четырехэтажные корпуса шириной в полкилометра и в километр длиной, потреблявшие энергию электростанции, равной по мощности Днепрогэсу. Технологические детали этого процесса до сих пор хранятся в секрете, но его идея — метод газовой диффузии — хорошо известна.

Если смесь двух газов пропустить сквозь пористую перегородку с отверстиями, которые чуть больше самих атомов, то за перегородкой легкого газа в смеси станет немного больше, чем до перегородки, и, повторяя этот процесс многократно, смесь газов можно в принципе разделить полностью. По удивительной прихоти природы среди примерно 200 соединений урана есть только одно газообразное — шестифтористый уран UF₆ — ядовитый газ, который уже при 56°C конденсируется в виде игольчатых кристаллов. Если этот газ пропустить через специальную пористую перегородку, то за ней урана-235 станет на 0,14 % больше, чем до нее, а поставив несколько тысяч таких перегородок, можно в конце концов отделить уран-235 от урана-238. Все это станет возможным, однако, только пять лет спустя, а летом 1939 г. ученые были озабочены другим: как осуществить незатухающую ядерную реакцию в природном уране?

Прежде всего, вместо воды следовало выбрать другой замедлитель. Выбор оказался небогатым: либо углерод (сечение захвата им нейтронов σ = 0,0034 барн), либо тяжелая вода D₂O, то есть вода, в которой водород замещен дейтерием (сечение захвата σ = 0,0012 барн). Легко видеть, что тяжелая вода предпочтительнее. Однако ее очень трудно добывать: в литре обычной воды содержится всего 0,15 г тяжелой. К тому же в 1939 г. это умели делать только в одном месте в мире — в Норвегии, на небольшом заводе в Веморке. Из двух возможностей Жолио-Кюри и Гейзенберг независимо друг от друга выбрали тяжелую воду, в то время как Ферми, Сцилард и Курчатов решили попытать счастья с графитом.

Условие, при котором цепная ядерная реакция возможна, принято записывать с помощью простой и знаменитой «формулы четырех сомножителей»:

Коэффициент размножения — это число вторичных нейтронов, возникающих в реакторе бесконечных размеров на каждый первичный нейтрон деления. Ясно, что расходящаяся цепная реакция возможна лишь в том случае, если k_∞> 1, то есть в каждом последующем «поколении» нейтронов будет больше, чем в предыдущем.

Коэффициент η — это число вторичных тепловых нейтронов в естественном уране, которое отличается от среднего числа нейтронов деления в чистом уране-235. Дело в том, что при захвате медленного нейтрона ядрами урана-235 они делятся только в 84 % случаев, а в остальных 16 % испускают γ-квант и превращаются в ядра изотопа урана-236. Кроме того, даже тепловые нейтроны захватываются изотопом урана-238, хотя и много слабее, чем резонансные. Но в естественной смеси изотопов урана-238 в 149 раз больше, чем урана-235, поэтому для такой смеси коэффициент η = 1,34 — много меньше исходного коэффициента размножения ν = 2,42, хотя все еще и превышает единицу.

Коэффициент ε учитывает то обстоятельство, что быстрые нейтроны деления, пока их энергия больше чем 1,5 МэВ, способны также делить и ядра урана-238, то есть реально увеличивают число вторичных нейтронов. Для уран-графитовых реакторов ε = 1,03.

Много хлопот доставил коэффициент φ — вероятность избежать резонансного захвата нейтронов в уране-238 в процессе их замедления. Если бы все нейтроны деления достигали тепловых энергий без потерь в уране-238, то коэффициент φ был бы равен единице. Как всякий идеал, значение φ=1 недостижимо, но можно пытаться к нему приблизиться. Способ увеличить коэффициент φ придумали почти сразу же, летом 1939 г.: во Франции, США и Германии независимо возникла идея гетерогенного реактора. Суть идеи проста и состоит в следующем: вместо того чтобы перемешивать равномерно уран и замедлитель, нужно разместить блоки урана в пространстве на некотором расстоянии друг от друга, наподобие атомов в кристаллической решетке, а затем уже заполнить этот объем замедлителем. В этом случае нейтроны деления, вылетая из блоков урана с энергией около 2 МэВ, большую часть пути будут проходить в замедлителе и к тому времени, когда они достигнут другого блока урана, уже минуют опасную резонансную область энергий. К тому же нейтроны деления, образовавшиеся в блоках урана с большой начальной энергией 2 МэВ, проходят его толщу, не успевая замедлиться до резонансных энергий, что еще более повышает эффективность такого гетерогенного реактора. (В работе Исая Исидоровича Гуревича и Исаака Яковлевича Померанчука, которая стала важным элементом советской урановой программы, это явление названо «блок-эффектом».) Должным образом подбирая расстояния между блоками урана, на этом пути достигли значения φ = 0,93 (для гомогенного реактора φ=0,65).

Коэффициент ϑ в «формуле четырех сомножителей» — это вероятность избежать захвата нейтрона в замедлителе и всевозможных примесях. Для чистого графита удалось повысить этот коэффициент до значения ϑ=0,84. Очень важно, чтобы графит был чистым: малейшая примесь, например, бора — всего 3 — 4 атома на миллион атомов углерода — делает его непригодным для замедлителя. (Сечение захвата нейтронов ядрами бора огромно: σ_захв = 755 барн, поэтому только при концентрации примеси примерно 10^-6 захватом нейтронов в боре можно пренебречь

по сравнению с захватом в углероде, для которого σ_захв =0,0034 барн.)

Таким образом, для уран-графитового гетерогенного реактора на естественном уране произведение четырех сомножителей

то есть цепная ядерная реакция в бесконечно большом реакторе возможна.

В реальном реакторе конечных размеров часть нейтронов теряется, уходя из объема реактора наружу через его поверхность, поэтому действительный коэффициент размножения нейтронов k меньше k_∞ и

k=k_∞ρ,

где коэффициент ρ зависит от размеров и формы реактора, но всегда меньше единицы. Очевидно, существуют какие-то критические размеры реактора, при которых произведение k = k_∞∙ρ =1. Оставалось выяснить, насколько велики эти размеры.

В декабре 1940 г. Ганс Халбан и Лео Коварски в Англии, куда они после оккупации Франции эмигрировали со всем запасом урана и тяжелой воды, установили, что для осуществления незатухающей ядерной реакции достаточно взять около 5 т тяжелой воды и разместить в ней должным образом примерно столько же тонн урана. К аналогичному выводу пришел и Гейзенберг в Германии. Однако такого количества тяжелой воды не было тогда во всем мире, и трудно было ожидать, что она появится в ближайшее время. Поэтому Ферми пытался определить критические размеры уран-графитового реактора и в течение последующих двух лет достиг цели.

Итак, ядерный реактор построить можно. Но можно ли им управлять? Не взорвется ли он, как только значение коэффициента размножения нейтронов k превысит единицу? Оказалось, что природа и здесь пошла навстречу человеку.

В лавине работ, которые появились сразу вслед за открытием деления урана, была одна, которую вначале не оценили должным образом. В марте 1939 г. Робертс, Мейер и Вонг из Колумбийского университета обнаружили, что примерно 1 % нейтронов вылетает при делении урана не вместе с осколками, а чуть позже — через 0,2, 0,9 и даже через 56 с. Физика этого явления вскоре стала понятной: запаздывающие нейтроны, в отличие от мгновенных, вылетают не из ядра урана, а из его осколков.

Осколки эти — свыше сотни изотопов около сорока различных элементов из середины таблицы Менделеева — отягощены избытком нейтронов и стремятся от них избавиться. Большая часть изотопов освобождается от нейтронов путем β-распада, то есть превращая их в протоны,— точно так же, как это происходило в опытах Ферми по поглощению нейтронов ядрами. Однако небольшая часть образовавшихся изотопов, после некоторых колебаний, выбрасывает лишний нейтрон целиком, не расщепляя его на протон и электрон. Именно эти запаздывающие нейтроны, которые составляют всего 0,64 % от общего их числа, позволяют управлять работой ядерного реактора. В самом деле, если по какой-то причине число нейтронов в реакторе внезапно увеличится, то благодаря запаздывающим нейтронам они станут размножаться лавинообразно не сразу, а только через несколько секунд. Этого времени вполне достаточно, чтобы погасить «атомный огонь» вручную, без всякой автоматики, погружая в толщу реактора стержни из бора или кадмия (сечения захвата нейтронов для них огромны: для кадмия, например, σ_захв = 2450 барн).

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР

Названия «атомная энергия», «атомный реактор», «атомная бомба» — дань исторической традиции. В действительности при этом речь всегда идет о ядерной энергии, ядерном реакторе и ядерной бомбе. И хотя инерцию общепринятого словоупотребления преодолеть теперь, по-видимому, уже нельзя, помнить об этом следует.

В среду, 2 декабря 1942 г., в 15 ч 25 мин по местному времени на теннисном корте под трибунами стадиона в Чикаго Энрико Ферми впервые в истории человечества осуществил управляемую ядерную реакцию в «атомном котле». Первый ядерный реактор представлял собой сплющенный эллипсоид диаметром 8 м и высотой 6 м, сложенный из 385 т графитовых брикетов, между которыми на расстоянии 21 см друг от друга было размещено 46 т урановых блоков весом 2 кг каждый, то есть в целом реактор был похож на кристалл с кубической решеткой. Мощность этого реактора — 40 Вт — была меньше мощности горящей спички, и после 28 мин работы ядерная реакция в нем была остановлена с помощью кадмиевых полос. Криков восторга не было, лишь Вигнер откупорил припасенную им бутылку кьянти — любимого вина Ферми. 43 участника и свидетеля этого события понимали его значительность: отныне пути назад, в доатомную эру, больше не было.

В среду 25 декабря 1946 г., в 19 часов в Москве под руководством Игоря Васильевича Курчатова запущен первый советский ядерный реактор.

15 декабря 1948 г. неподалеку от Парижа под руководством Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри запущен французский ядерный реактор.

27 июня 1954 г. вступила в строй первая в мире атомная электростанция в г. Обнинске под Москвой мощностью 5 МВт.

С тех под прошло не так много лет, но уже сейчас свыше 400 ядерных реакторов в 26 странах мира вырабатывают более 300 ГВт электроэнергии — около 16% всей электроэнергии на Земле, то есть больше, чем все гидростанции мира. Во Франции АЭС вырабатывают 70 % электроэнергии, а к концу века эта доля возрастет до 85 % (во всем мире — до 30 %).

История овладения атомной энергией уникальна во многих отношениях: по значимости проблемы, обстоятельствам, сопутствовавшим ее решению, и последствиям, которые еще далеко не всеми осознаны. В науке и раньше так случалось, что два исследователя независимо друг от друга открывали одно и то же явление. Само по себе это не очень удивительно, если мы верим в объективность законов природы. Но впервые случилось так, что сотни и тысячи людей, разделенные океанами, пожаром войны и стеной секретности, последовательно, шаг за шагом приходили к одинаковым заключениям, ставили и решали одни и те же научные, технологические и инженерные задачи и примерно в той же последовательности. Только в 1955 г., после 15 лет практически полной изоляции, ученые из СССР и США, Франции и Англии, Канады и Японии — всего 79 стран — собрались в Женеве на Первую международную конференцию по мирному использованию атомной энергии и смогли убедиться, что их независимые измерения и формулы совпали с большой точностью. Мало того, часто совпадали даже обозначения в формулах, полученных в разное время и разными людьми. Как будто Книга Природы открылась всем им одновременно, а они лишь записали ее письмена.

Оглядываясь назад, трудно удержаться от удивления, насколько узкой оказалась тропа и сколь хрупким мостик из века пара и электричества в эпоху атома и ядра. Ведь любой из четырех сомножителей в формуле для коэффициента размножения нейтронов мог оказаться на 5—10 % меньше — и реактор на природном уране был бы невозможен. А если бы не запаздывающие нейтроны, то управление реактором стало бы специальной и трудной проблемой.

Все физические процессы, происходящие внутри ядерного реактора, мы знаем теперь во всех деталях. Для начала цепной реакции в принципе достаточно даже одного нейтрона. В толще урана они всегда есть: каждую секунду в 1 кг урана спонтанно делятся 7 ядер, и вылетающие при этом нейтроны могут служить «спичкой», поджигающей «урановый костер». Вылетевшие нейтроны, прежде чем дать

начало новому поколению нейтронов, живут в реакторе меньше тысячной доли секунды. За это время они успевают испытать с ядрами углерода 114 соударений, пройти путь 54 см, замедлиться до тепловых скоростей и вызвать новое деление ядра урана. Число нейтронов в реакторе нарастает лавинообразно и через несколько секунд достигает уровня, который заранее задан расположением регулирующих стержней поглотителей. В каждом кубическом сантиметре объема мощного реактора содержится примерно пол миллиарда нейтронов, которые всегда «находятся в пути» от одного ядра урана к другому. В целом же внутри корпуса реактора устанавливается некоторое стационарное распределение нейтронов, так называемое нейтронное поле довольно сложной конфигурации, которое отчасти можно уподобить распределению электрического поля в электролитических ваннах. Им можно управлять, иногда оно испытывает колебания и всегда является предметом пристального внимания физиков и повседневных забот инженеров.

В целом, несмотря на сложность физических процессов, происходящих в «атомном котле», его принципиальная схема оказалась проста до чрезвычайности. «Урановый реактор олицетворяет собой самое гениальное и замечательное достижение разума за всю историю человечества»,— писал Фредерик Содди в конце жизни, через 50 лет после начала своих опытов с ураном и торием.

ВОКРУГ КВАНТА Спонтанное деление урана

В феврале 1939 г. статьи Гана и Штрассмана, Мейтнер и Фриша почти одновременно дошли до Ленинграда. Как и повсюду, в лаборатории И. В. Курчатова немедленно начались эксперименты. Вскоре там тоже наблюдали осколки ядер урана, и уже в апреле Георгий Николаевич Флеров и Лев Ильич Русинов измерили число вторичных нейтронов деления ν = 3±1, а в мае 1940 г. Флеров и Константин Антонович Петржак натолкнулись на новое, неожиданное явление природы — спонтанное деление ядер урана. Оказалось, что даже в отсутствие нейтронов, без внешнего воздействия, ядра урана самопроизвольно взрываются. Это происходит очень редко: период полураспада по каналу деления равен 10¹⁶ лет, то есть в миллион раз больше, чем время существования Вселенной, и в два миллиарда раз больше, чем период α-распада урана. В среднем за час из 3∙10²¹ ядер, содержащихся в 1 г урана, распадается всего 23 ядра. Это очень мало, но именно такие сигналы природы свидетельствуют о самых важных деталях ее устройства.

Естественный ядерный реактор Окло

7 июня 1972 г. при стандартном масс-спектрометрическом анализе урана, поступившего на обогатительный завод во Франции, было обнаружено, что содержание урана-235 в исходном сырье составляет 0,717 % вместо 0,720 %, обычного для всех земных пород, образцов лунного грунта и метеоритов. Поиски источника аномалии привели на рудник вблизи селения Окло в Габоне (Западная Африка). Концентрация двуокиси урана UO₂ в месторождении Окло в среднем не превышала 0,5 % (что довольно обычно), но иногда в нем встречались линзы толщиной около метра и протяженностью 10—20 м с концентрацией UO₂ до 20—40 %. Именно в этих линзах содержание изотопа урана-235 оказалось значительно меньше обычного (0,72 %) и достигало значения 0,62 %, а иногда 0,44 %.

Некоторое время ученые пребывали в замешательстве: до сих пор не было известно случая, чтобы изотопный состав какого-либо элемента зависел от взятого для анализа образца. Тщательное изучение геологии месторождения показало, что оно расположено в дельте древней реки, в толще осадочных пород, образовавшихся около 1,8 млрд. лет назад, в раннюю протерозойскую эру. В то время сутки были в полтора раза короче нынешних, Европа покоилась на дне океана, вместо Азии было несколько материков, а жизнь только-только зарождалась: в морях уже обитали сине-зеленые бактерии, но пройдет еще около миллиарда лет, прежде чем они освоят процесс фотосинтеза.

Но самое существенное для феномена Окло заключалось в том, что концентрация урана-235 в естественной смеси изотопов урана составляла в то время около 3 %, то есть примерно столько же, сколько в современных водо-водяных ядерных реакторах (напомним, что период полураспада урана-238 равен 4,5 млрд. лет, в то время как урана-235 — только 0,7 млрд. лет). Поэтому каждый раз, когда в линзу урановой руды (размеры которой также сравнимы с объемом активной зоны современных реакторов) попадала вода, в ней начиналась ядерная реакция деления, которая продолжалась до тех пор, пока выделившееся тепло не испаряло воду, и естественный ядерный реактор, лишенный замедлителя, прекращал работу; после остывания линзы и заполнения ее водой реакция начиналась снова. По оценкам реактор Окло работал в таком режиме более полумиллиона лет, хотя средняя мощность его при этом не превышала 25 кВт.

Феномен Окло — замечательный пример явления природы, которое, будучи у всех на виду, тем не менее, подобно электромагнитным волнам, может веками оставаться незамеченным до тех пор, пока не будут изобретены теоретические понятия, необходимые для его адекватного объяснения. Вряд ли имеет смысл подробно пояснять, что без таких понятий, как «атом», «ядро», «нейтрон», «изотопы», «радиоактивность», «период полураспада», «деление», «сечение реакций» и т. д., глубокий смысл отличия двух чисел 0,717 и 0,720 % всего лишь в третьем знаке после запятой попросту никому бы не был понятен, не говоря уж о том, что без современного масс-спектрографа такое различие в содержании изотопа урана-235 вообще нельзя обнаружить.

Кроме того, существование естественного ядерного реактора в далеком прошлом самым убедительным образом доказывает возможность безопасной эксплуатации всех ядерных реакторов настоящего. И, наконец, больная проблема ядерной энергетики — проблема захоронения радиоактивных отходов — выглядит теперь не столь безнадежно: оказалось, что вся «ядерная зола» осталась на том же месте, где она и возникла около 2 млрд. лет назад при горении «ядерного огня».