天然核反应堆

美国科学家揭开天然核反应堆奥秘

科学家们认为，天然反应堆是可能的，因为，远古时期地球上铀235的含量比现在的要多。要发生核反应，铀矿中必须有不少于3%的铀235同位素。除此之外，要发生核反应还应该有合适的发生核反应的地点，而且反应堆周围不应该有吸取中子的物质存在。种种迹象显示，加逢的这些天然反应堆工作大约100万年。

1953年美国曾有人研究沥青铀矿时做出过一个粗略的预测，认为20亿年前，当铀235的丰度是3%时，沉积的铀矿更接近于能运行的反应堆。1956年黒田和夫则进一步预言，如果核反应所需的浓度、可能发生的过去时间以及铀235与铀238的比率都满足的话，自发的核反应可能在自然界发生。但是他并不认为地球上能够找到同时满足这些特殊条件的地方。

1972年6月2日，在法国皮埃尔拉特核燃料再处理厂工作的布兹盖博士（Dr. Bouzigue）用常规的质谱分析法对六氟化铀样本的分析发现，来自奥克洛河附近铀矿中铀235与铀238两种同位素的比例失常，正常情况下，铀235的自然丰度是0.7202±0.0006%，而奥洛克的铀235自然丰度是0.7171±0.0007%，少了约0.003%。为了防止可以用作核武器的铀235被偷窃，法国原子能委员会进行了调查，但是所有的环节都没有发现问题，而且自从1970年开始开采奥克洛铀矿以来，所有来自这里的铀矿样本都显示铀235略少了一点。

进一步调查发现，奥克洛铀矿的矿层中含有30多种核连锁反应的副产物。副产物之一的钕，其同位素钕142不是裂变产生的，从而可以确定奥克洛铀矿中自然钕在核反应开始之前的丰度，进而确定核反应的效果和时间。最后认为由于奥克洛特殊的地质条件导致了从20亿年前开始的天然核反应。

为了做进一步的地质化学调查，奥克洛铀矿的开采在1972年暂停了一段时间。最后在奥克洛发现了14座已经停止了核反应的古反应堆遗址，另外还在奥克洛南边的班贡贝发现了一座。

在非洲和美国科罗拉多的其他遗址也发现了铀235不足的现象，但是都还没有确认它们是天然核反应引起的。

以目前的自然条件来看，这样的天然和反应堆是完全不可能存在的。目前自然界中铀235的含量非常少。天然核反应堆引起了科学家们极大的兴趣，他们认为加逢的这些天然核反应堆是独一无二，在地球上任何其他地方都无法找到的。它们让人类知道了许多关于地球历史的信息。它们还让人类有机会了解，核反应堆如果长期工作的话，会造成怎样的后果。而且，研究远古核反应堆将有助于提高处理放射性核废料的技术

在大约20亿年前，地球上的铀235相对丰度在3%左右，在特殊的条件下，正好能够启动核连锁反应。奥克洛铀矿源于地球形成时沉积在地壳中的铀。经过不断的剧烈地质活动，富铀矿层在花岗岩顶部的砂石层内偶然沉积。又经过数百万年，铀矿层顶部近1千米厚的砂石层被冲刷掉。花岗岩呈45°倾斜，这使得斜坡底部雨水和铀氧化物堆积。20亿年前恰好蓝绿藻开始生长，它们通过光合作用增加了水中的氧含量，并使一些铀变成了可溶的氧化物。

当可溶解铀的浓度达到10%后，核反应便能够启动，这个临界状态开始于18.4±0.7亿年。为了不让能够保持反应的中子逃逸，矿层至少需要0.5米厚。当核反应速度太快时，导致温度上升（大多数研究者认为反应堆的温度应当在200-400℃之间），水被汽化，中子与水分子碰撞减速使反应变慢，这又导致温度降低，水蒸气凝结为液体，减少了对中子的吸收，于是核反应又开始加快。就这样，水作为核反应的缓冲剂，以稳定的自我调节方式，使核连锁反应断断续续的间歇进行了近100万年。核反应最终停止之前，连锁反应的持续时间变化不定，从几年到几千年，反应堆的运作寿命跨度是22.9±7万年。在奥克洛矿层范围内的6个地址共有约1吨铀235被裂变掉。

人类30年前就已经发现了天然核反应堆的存在，并知道大自然具有进行核反应的能力。日前，美国华盛顿大学的研究人员通过分析一种样品的裂变反应中产生的惰性气体的同位素结构，发现了这一过程的反应机理，研究的样本来自西非加蓬的一个天然核反应堆，这是一块不足八分之一英寸的岩石碎片。华盛顿大学的物理学家亚历山大·梅什科博士通过分析标本中氙气同位素结构，发现这个天然的核反应堆的工作原理类似于一个锅炉。这个反应堆在20亿年前曾处于活跃状态，每次循环反应持续30分钟，然后休眠或冷却两个半小时。

在10月29日出版的《Physical Review Letters》中，梅什科和他的合作者发表了相关文章, 他说，这种核反应与锅炉的相似性揭示出在链式反应开始后的半个小时，大量的水变成水蒸气，降低了热中子通量使得反应堆处于亚临界状态。这个反应堆需要经过两个半小时来进行冷却，直到裂变的氙开始新的积累。然后，水会回到反应区，使中子适当缓和从而再次建立一个自我维持的反应链。

梅什科说，这个自然反应堆不仅运行得非常精确，而且在废料的保存方面很安全，甚至比现在人工的反应堆还要先进。我们现在的反应堆面临诸多的问题，通过对这个没有电子元件、没有模型，完全独立运行的天然反应堆的研究，将有助于使我们的核反应堆在安全和效率方面有所提升。