古老的核反应堆大自然的鬼斧神工——奥克洛天然核反应堆-聚上美

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史前文明的核反应堆 法国有一家工厂使用从非洲加蓬共和国进口的奥克洛铀矿石，发现进口铀矿石已被人利用。铀矿石的一般含铀量为0.72%，而奥克洛铀矿石的含铀量却不足0.3%。科学家来到加蓬奥克洛铀矿考察，发现一个古老的核反应堆，由6个区域约五百吨铀矿石构成，输出功率约100千瓦。反应堆保存完整，结构合理，运转时间长达上百万年。据考证，奥克洛铀矿成矿年代大约在20亿年之前，成矿后不久就有了核反应堆。如今经证实，此核反应堆于1972年由法国物理学家发现是自然形成的。自然界竟比人类先一步“造”成第一个核反应堆。此现象已被破解，是自然力量导致了核反应的温和持续，水可以加速中子速度，导致核反应加剧，反应过快导致温度过高时，水分蒸发，中子速度减慢，就这样持续反复了上百万年。
大自然的鬼斧神工——奥克洛天然核反应堆 古老的核反应堆大自然的鬼斧神工——奥克洛天然核反应堆(图1)

奥克洛天然核反应堆遗址

1972年5月法国一座核燃料处理厂发现来自非洲加蓬的奥克洛铀矿石样品中铀235与铀238两种同位素的比例失常，其中铀235比例明显偏低。法国原子能委员会介入调查后进一步发现自从1970年开始开采自非洲加蓬奥克洛的铀矿以来，所有样本都显示铀235偏少。

铀235是自然界唯一天然存在的核裂变材料，铀矿中天然铀238含量99.28%，铀235含量0.71%，其余是0.006%的U234。人们的通过提练获得各种级别浓度的铀235供商业、军用核反应堆以及核武器使用。

天然铀矿石标本

法国人计算从加蓬运抵法国的奥克洛铀矿石缺少的核燃料足够制造6枚原子弹。天然铀矿竟然被“用”过！消息一经传出世界一片哗然，人们纷纷给出解答，外星来客说，地球古老先进文明说甚嚣尘上。最终，科学家们给出了最后答案，大自然的鬼斧神工——一座天然核反应堆。

奥克洛铀矿区外貌

早在1953年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校两位教授指出可能存在天然的核裂变反应堆。1956年，美国阿肯色大学的日裔化学家黑田和夫(Paul K. Kuroda)计算出了铀矿“自持裂变反应”(self-sustained fission)的条件。

必须存在诱发铀235原子核裂变的中子。铀矿矿脉的尺寸必须超过诱发裂变的中子在矿石中穿行的平均距离(约0.67米)，如此裂变产生更多的中子才会引发铀矿其它铀235原子核继续分裂，形成链式反应。

今天，自然界铀矿中铀235的浓度全部低于1%，无法引发链式反应。但在久远的过去，半衰期为7亿年的铀235所占的比例则高得多。经科学家计算20亿年前奥克洛铀矿脉形成的时候，铀235浓度可达3%以上，与现在大多数核电站中使用的、人工提纯的浓缩铀燃料的浓度相当。

奥克洛铀矿石标本

诱发核裂变的中子叫热中子(能量<0.1eV，速度2200m/s，热中子又叫慢中子，本文统一叫热中子)。每一个铀235原子核裂变后会释放出的2~3个中子，大概率为快中子(能量2eV，速度14000千米/秒)，一般情况下热中子数量少不足以支持链式反应。链式反应必须有使快中子速度降低下来成为热中子的某种介质，这种介质我们叫慢化剂(moderator)。自然水的慢化效率不高，远低于石墨、重水等专用慢化剂。可足够多、足够多、足够多的水就是堪用的慢加剂，而且到处都是，取用方便成本低。现今世界上的军、民用核反堆绝大多数是压水堆，就是利用水做慢化剂。

有人会问，原子弹上有慢化剂吗？答案是没有。原子弹非常极端地使用90%以上浓度的浓缩铀和其它高浓缩裂变材料。链式反应发生时，在极小空间内密集的高浓度核裂变材料能够释放出的足以支撑链式反应的巨量热中子。咱们言归正传，地质考察发现20亿前奥克洛铀矿是存在地下水的，天然核反应堆慢化剂问题解决了。

最终，研究人员在加蓬奥克洛铀矿地区确定了16个远古核反应堆遗址以及核反应产物遗迹（氙同位素在奥克洛铀矿的发现和论证成为最终确定奥克洛铀矿天然反应堆的关键因素，本文不展开）。反应堆由6个区域的大约500吨铀矿石组成，它的输出功率只有100千瓦左右。据科学家考证，该矿20亿年前成矿后不久就开始运转，运转时间长达50万年之久。不是外星人，也不是什么古老文明。

奥克洛天然核反应堆示意图

奥克洛天然核反应堆的运作

非洲加蓬奥克洛铀矿区，富含铀的砂石/粘土板岩层有1000米厚位于呈45°角度倾斜的花岗岩层上方（上图土黄色部分）。在漫长地质年代里，地下水的不断冲刷使溶解的含铀氧化物逐渐富集在倾斜向下延伸的砂石/粘土板岩层的某个位置。20亿年前，地球蓝绿藻极为繁盛，光合作用使大气含氧量远高于现在，高含氧量加速铀矿中的铀在水作用下化合成为可溶水氧化物，从而进一步加速铀的富集。

奥克洛铀矿区外貌(仍然被水环绕）

奥克洛铀矿外貌

奥克洛铀矿区裸露在外的砂层/粘土层

大概在18.4±0.7亿年，当裂变铀的浓度达到10%后，一颗自然衰变产生的热中子偶然更必然的启动了铀的链式反应。富集的铀矿在水慢化剂作用下发生着链式反应，不断释放热量，地下水不断升温最终汽化，天然反应堆的慢化剂随之减少，链式反应规模减小直至停止。地下水后来逐渐汇聚，慢化热中子再次触发链式反应，天然核反应堆再度运行，地下水温度升高汽化，热中子减少核反应停止，如此周而复始~~~。20亿年来，奥克洛铀矿的链式反应就象间歇喷泉一样重复发生直到铀235含量不足以支撑链式反应彻底“关停”。显然，地下水是奥克洛铀矿天然核反应的关键，水周而复始的出现和消失，使核反应堆在持续几十万年的链式反应中一直缓慢释放着原子能。

我们对大自然的鬼斧神工惊叹不已，当笔者抬头暼到天空的太阳，想到那里的核聚变已经连续运转了几十亿年，想到宇宙有无法想象数量之多的恒星和它们的集团，以及集团的集团~~~~，有比大海沙子还多的的核聚变反应堆就在我们头顶，惊掉下巴。

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