天然核反应堆：20亿年前的核反应堆之谜

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20亿年前 核反应堆之谜破解
奥克洛铀矿天然核反应堆活心区的残留部分
　

　
美科学家发现　史前大自然就拥有核　反应堆由河水自然调节———
　　美国《探索》频道4月4日报道了科学家对于20亿年前一核反应堆工作原理的解释。这个神秘而古老的反应堆是在非洲加蓬共和国发现的。在漫长的历史年代中，该反应堆启动了再关闭，关闭了再启动，间歇之间储蓄消耗掉的能量，所以一直维持到了今天，而且反应堆核心区从来没有熔毁的危险。
　　物理学家从这个史前天然核反应堆中取出了一小份样品，带回了实验室研究。最终，华盛顿大学的亚历山大·梅利克和同事总结出了它的工作原理：这一核反应堆是由水调节的。奥克洛矿区有河水流过，河水缓缓渗入富含铀的岩床里，扮演了现代核反应堆的控制棒角色（现代核反应堆都是通过控制棒来加快或抑制核裂变反应）。
　　河水的渗入加大了铀裂变效率，从而引发了铀裂变的一系列连锁裂变。这种裂变反应会放出大量热量，从而煮沸了岩床上的河水。一旦河水被烘干了，铀裂变就会随之结束。之后慢慢地又有河水渗进岩床，核反应就会再次启动。这样周而复始地进行下去，核反应堆的铀裂变总会在一个适当的时候得到控制，所以不会陷入一发不可收拾的连锁反应而导致核心区熔毁甚至大爆炸。
　　新闻背景
　　20亿年前的天然核反应堆
　　1972年6月，法国一家工厂在使用从非洲加蓬共和国进口的奥克洛铀矿石时，惊讶地发现运来的铀矿石早已被使用过。为了探明真相，许多科学家纷纷来到加蓬奥克洛铀矿考察，不久他们发现了一个不可思议的史前遗迹———20亿年前的核反应堆！该反应堆结构合理，保存完整，而且运转时间长达50万年之久。
　　然而在20亿年前，地球才刚刚开始萌发最原始的生命，人类也只是在近二三百万年间才真正出现。那么，是谁创造了这个古老的核反应堆？一时间众说纷纭，但没有一个站得住脚的证据证明它的来历。
20亿年前的核反应堆
1942年，当费米领导下的小组在芝加哥大学一个严格保密的实验室里启动他们的核反应堆时，无论谁都以为，这是开天辟地的第一个核反应堆。但是有谁知道，实际上早在大约18亿年前，核反应堆就开始在地球上运行了。



在非洲西海岸四季如夏的赤道附近，加蓬共和国的奥克洛铀矿中，埋藏着六个反应堆的遗迹-- 化石 反应堆。这些反应堆在奥克洛矿的富铀矿体中达到过临界，消耗了部分燃料，然后停息了下来，在地下沉睡了18亿年，终于在1972年被法国的科学工作者所揭露。
这个古老核反应堆的第一个线索是由法国的鲍齐奎斯发现的。鲍齐奎斯是法国彼埃尔拉特气体扩散工厂的一个工作人员，他的工作是对天然铀进料进行常规分析。天然铀中，铀-235含量的精确数值是0.7202％，这个数值是相当恒定的，最大偏差也不超过千分之一。
但是，1972年5月的一天，当鲍齐奎斯跟往常一样对天然铀进料作常规分析时，得到了一个奇怪的结果，一个天然铀样品中铀-235的含量为0.7171％，这个数值比正常的数值偏低。这样大的偏差在很多情况下是微不足道的，但是在这里却具有重要的意义，因为它已远远超出了统计误差所允许的范围。鲍齐奎斯没有放过它，法国原子能委员会也没有忽视它。
这一偏差是怎样产生的呢？开始他们考虑，可能是由于气体扩散工厂的贫化铀 尾料 的沾污所引起的。因为只要有一点点贫化铀混进了天然铀样品，就会使该样品的铀-235含量显著偏低。于是，他们对其他一些绝对不会被贫化铀沾污的样品做了分析，结果发现，这些样品中的铀-235含量也都偏低，这就排除了贫化铀被沾污的可能性。
为了查清产生这一偏差的原因，他们通过生产过程的工艺链，做了一系列的 侦探 工作，从法国的铀处理工厂到加蓬共和国的铀矿石加工工厂，一直追踪到奥克洛露天铀矿。最后终于查明，这个铀-235含量偏低的天然铀样品，确是来自奥克洛铀矿。当他们对该矿的样品进行分析时，十分惊讶地发现，该矿富铀矿体铀样品中的铀-235，竟贫化50％之多。
那么，奥克洛矿的铀为什么会发生贫化呢？短缺的铀-235又到哪里去了呢？
经过再三深入研究与探讨，科学家们十分惊奇地发现：这些铀矿石早已被燃烧过，也就是说早已被人用过！



这一重大发现立即轰动了科学界，为彻底查明事情真相，许多科学家纷纷来到加蓬奥克洛铀矿区，进行长时间的考察，终于发现了一个不可思议的史前遗迹--一座古老的核反应堆，这个核反应堆是由6个区域的大约500吨铀矿石组成，它的输出功率很低，只有1000千瓦。经过多年探索，科学界终于认定，奥克洛铀矿的铀-235，是链式反应中生成的 矿渣 是 核反应堆 曾经存在的证据，这表明奥克洛铀矿区的 核反应堆 在20亿年前已经点火工作，运转时间更长达50万年之久。
这简直是不可思议的。要知道，要发生核裂变链式反应，先要有大量高浓度铀-235，而天然铀矿中只含有极少比例的铀-235，即使铀-235足够多，要想使核反应不成为核爆炸，还必须使用中子慢化剂，如重水等。即使上述两个条件满足了，也并不等于真能发生持续的核反应，还必须使铀与慢化剂之间有某种比例的配置。
在人类建造的核电站中，通常都是核裂变反应堆。在这种反应堆中，必须用高纯度浓缩铀或钚为燃料，必须用石墨、重水等慢化剂来获得慢中子。反应堆中必须加装控制棒，使链式反应受人控制，以缓慢释放原子能。如此苛刻的条件，在奥克洛铀矿的 核反应堆 中是如何实现的呢？
有科学家认为，奥克洛铀矿纯粹是大自然的手笔。他们假设：在20亿年前，奥克洛铀矿中铀-235含量比现在高很多，铀-235产生的快中子经过矿石中地下水慢化和控制后，变成了慢中子，使链式反应能以缓慢方式发生。因为当核反应堆的温度太高时，将有更多的水蒸发掉，于是链式反应速度减慢、规模变小，使核反应堆温度降低甚至熄火。在这以后的漫长岁月中，地下水会重新汇聚，使慢中子增多，链式反应加速，核反应堆温度升高，以实现重新点火启动。所以，20亿年来，整个链式反应过程像间歇喷泉一样重复发生。也就是说，奥克洛核反应堆之所以没像原子弹那样爆炸， 功劳 全在于地下水的神奇控制，使之在持续几千年的链式反应中，一直缓慢释放着原子能。
科学家们还为这种论点找到了证据--在奥克洛矿区中找到了高度集中的氙同位素，这是一种只在核反应堆关闭并冷却后才出现的元素。
但是，质疑这种论点的也大有人在。有人认为，地下水毕竟不是重水，用来做核反应堆的慢化剂有点勉强，还有，奥克洛矿区的结构相当合理，保存得也相当完整，似乎并非自然形成，而是有目的地建造而成的。比如，目前的研究结果表明，这个核反应堆有几千米，如此巨大的一个核反应堆，对周围环境的热干扰却局限在反应区周围40米之内。更让人吃惊的是，核反应所产生的废物，并没有扩散，而是局限在矿区周围。与这个20亿年前的大型核反应堆相比，今天人类所能建造的最大的核反应堆，也显得黯然失色。
     
  
        
面对这个保存完整、结构合理的核反应堆，人们不禁要问：是谁留下了这个核反应堆？是地球上的人类吗？这绝对不可能。因为20亿年前地球上才刚刚萌发出最原始的生命，人类的出现不过是距今约200万年～300万年或150万年前的事，而人类只是在几十万年之前才开始使用火。那么，是谁留下了这个古老的核反应堆呢？



让我们从古代传说中寻找一点历史的痕迹吧。
《摩诃婆罗多》是印度的一部史诗，成书于公元后几百年，以前属口头流传，据考证，书中记载的史实至少据今有5000年。这本书中记载了居住在恒河上游的科拉瓦人和潘达瓦人、弗里希尼人和安哈卡人的两次战争。对于书中有关战争场面的描述，学者们曾经以为是 诗意的夸张 ，但当对比了广岛和长崎两颗原子弹爆炸后的情景，人们有理由认为，这实际上是原子弹爆炸的目击实录。
第一次大战是科拉瓦人与潘达瓦人之间的战争，书中是这样描述的：英勇的阿特瓦坦坐在维玛纳（飞机？）里，发射了阿格尼亚武器（原子弹？），它喷火，但无烟，威力无穷。刹那间，潘达瓦人的上空黑了下来，接着是狂风大作，乌云翻滚，沙石不断从空中打来。太阳似乎在空中摇曳，这种武器所喷出的可怕的灼热，使地动山摇，动物倒毙，河流沸腾，鱼虾全部烫死。阿格尼亚武器爆发时声如雷鸣，敌兵被烧死，如同焚焦的树干。
第二次战争的描述更是惨绝人寰：古尔卡乘着快速的维玛纳（航天器？），向敌方三个城市发射了一枚火箭（原子弹？），这火箭具有整个宇宙力，赤热的烟火柱，其亮度犹如一万个太阳滚滚升上太空，壮观无比 尸体被烧得无可辨认，毛发、指甲尽皆脱落，陶瓷器碎裂，盘旋的鸟儿在空中被烧死，食物被污染，再也不能食用。
为探究《摩诃婆罗多》记载的真实性，考古学家们在其记载的地点进行了发掘。在恒河上游发现众多已成焦土的废墟。这些废墟里，有许多岩石大块大块粘连在一起，表面呈凸凹不平的形状。物理学家知道，只有原子弹爆炸，才有这样的能量，其他如森林大火、火山喷发均达不到这个水平。在德肯原始森林里，至今有的废墟依然保留着被晶化的城墙，光滑的像玻璃，不仅建筑物被晶化，连其内的石制品也被晶化，而这正是原子弹爆炸中心的典型特征。另外，前苏联的物理学家戈尔波夫在恒河上游发现了一具远古的人体残骸。据测算，它上面所存的放射物质比同时期正常情况高出50倍以上。
人们还注意到，古代印度人曾使用过两个度量单位： 卡尔帕 ，相当于42亿3200万年； 卡希达 ，约等于三亿分之一秒。核物理学家知道：卡尔帕是放射性的同位素的半寿命，如铀-238的一半寿命为45亿1000万年；卡希达是同位素介子的半寿命单位，如K介子的半寿命为一百万分之一秒。于是，近似荒唐、却很合理的解释出现了：三四千年以前在恒河上游发生的两次大战，就是核大战！
     
  
        
但是，那个时代的人们怎么可能掌握核技术，并用于战争呢？唯一的解释是：天外来客。
奥克洛矿区的土著人中流传着这样的神话传说：在非常遥远的古代，整个世界一片漆黑，没有人类，也没有任何生物，大地一片荒凉。突然有一个神仙从天而降，来到奥克洛地区，用矿石雕刻了两个石像，这两个石像能放出耀眼的光芒，使茫茫黑夜中出现白昼。后来，两个石像变成活人，并且结成夫妻，他们的子孙后代，就成了当地部落的祖先。
神话中透露了一点讯息，那个自天而降的神仙，很可能就是来自外星球的高等智慧生物。也许20亿年前，有一艘来自太空的飞船，在奥克洛发现了铀矿，并建立了核反应堆，为自己的飞船补充燃料后飞离地球，却在当地留下了外星人活动的痕迹。不然，当地的居民怎么在遥远的过去就知道用铀矿做成的石像 能放射出耀眼的光芒 呢？
摘自《地外人类》
非洲20亿年前天然核反应堆揭秘




谁启动了20亿年前的核反应堆
撰文 亚历克斯·P·梅希克(Alex P. Meshik)
翻译 波特
20亿年前，十几座天然核反应堆神秘启动，稳定地输出能量，并安全运转了几十万年之久。为什么它们没有在爆炸中自我摧毁？是谁保证了这些核反应的安全运行？莫非它们真的如世间的传言那样，是外星人造访的证据，或者是上一代文明的杰作？通过对遗迹抽丝剥茧地分析，远古核反应堆的真相正越来越清晰地暴露在我们面前。
1972年5月，法国一座核燃料处理厂的一名工人注意到了一个奇怪的现象。当时他正对一块铀矿石进行常规分析，这块矿石采自一座看似普通的铀矿。与所有的天然铀矿一样，该矿石含有3种铀同位素──换句话说，其中的铀元素以3种不同的形态存在，它们的原子量各不相同：含量最丰富的是铀238；最稀少的是铀234；而人们垂涎三尺，能够维持核链式反应(chain reaction)的同位素，则是铀235。在地球上几乎所有的地方，甚至在月球上或陨石中，铀235同位素的原子数量在铀元素总量中占据的比例始终都是0.720%。不过，在这些采自非洲加蓬的矿石样品中，铀235的含量仅有0.717%！尽管差异如此细微，却引起了法国科学家的警惕，这其中一定发生过某种怪事。进一步的分析显示，从该矿采来的一部分矿石中，铀235严重缺斤短两：大约有200千克不翼而飞——足够制造6枚原子弹。
接连几周，法国原子能委员会(French Atomic Energy Commission，简写为CEA)的专家们都困惑不已。直到有人突然想起19年前的一个理论预言，大家才恍然大悟。1953年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的乔治·W·韦瑟里尔(George W. Wetherill)和芝加哥大学的马克·G·英格拉姆(Mark G. Inghram)指出，一些铀矿矿脉可能曾经形成过天然的核裂变反应堆，这个观点很快便流行起来。其后不久，美国阿肯色大学的一位化学家黑田和夫(Paul K. Kuroda)计算出了铀矿自发产生“自持裂变反应”(self-sustained fission)的条件。所谓自持裂变反应，即可以自发维持下去的核裂变反应，是从一个偶然闯入的中子开始的：它会诱使一个铀235原子核发生分裂，裂变产生更多的中子，又会引发其他原子核继续分裂，如此循环下去，形成连锁反应。
     
  
        
黑田和夫认为，自持裂变反应能够发生的第一个条件就是，铀矿矿脉的大小必须超过诱发裂变的中子在矿石中穿行的平均距离，也就是0.67米左右。这个条件可以保证，裂变的原子核释放的中子在逃离矿脉之前，就能被其他铀原子核吸收。
第二个必要条件是，铀235必须足够丰富。今天，即使是储量最大、浓度最高的铀矿矿脉也无法成为一座核反应堆，因为铀235的浓度过低，甚至连1%都不到。不过这种同位素具有放射性，它的衰变速率比铀238快大约6倍，因此在久远的过去，这种更容易衰变的同位素所占的比例肯定高得多。例如，20亿年前奥克罗铀矿脉形成的时候，铀235所占的比例接近3%，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大致相当。
第三个重要因素是，必须存在某种中子“慢化剂”(moderator)，减慢铀原子核裂变时释放的中子的运动速度，从而使这些中子在诱使铀原子核分裂时，更加得心应手。最终，矿脉中不能出现大量的硼、锂或其他“毒素”，这些元素会吸收中子，因此可以令任何核裂变反应戛然而止。
最终，研究人员在奥克罗和邻近的奥克罗班多地区的铀矿中，确定了16个相互分离的区域——20亿年前，那里的真实环境，居然与黑田和夫描绘的大致情况惊人地相似。尽管这些区域早在几十年前就被全部辨认出来，但是远古核反应堆运转过程的种种细节，直到最近才被我和同事彻底揭开。
轻元素提供证据
重元素分裂产生的轻元素提供了确凿无疑的证据：奥克罗铀矿在20亿年前确实发生过自持核裂变反应，而且持续时间长达数十万年。
奥克罗的铀异常情况被发现之后不久，物理学家就确定，天然的裂变反应导致了铀235的损耗。一个重原子核一分为二时，会产生较轻的新元素。找到这些元素，就等于找到了核裂变确凿无疑的证据。事实证明，这些分裂产物的含量如此之高，因此除了核链式反应以外，不可能存在其他任何解释。这场链式反应很像1942年恩里科·费米(Enrico Fermi)及其同事所做的那场著名演示(当时他们建成了世界上第一座可控原子核裂变链反应堆)，反应全靠自己的力量维持运转，只是时间上提早了20亿年。
如此令人震惊的发现公布后不久，世界各地的物理学家便开始研究这些天然核反应堆的证据，并在1975年加蓬首都利伯维尔的一次特别会议上，分享了他们关于“奥克罗现象”的研究成果。第二年，代表美国出席那次会议的乔治·A·考恩(George A. Cowan，顺便提及，他是美国著名的圣菲研究所的创建者之一，至今仍是该研究所的成员)为《科学美国人》撰写了一篇文章(参见1976年7月号乔治·A·考恩所著《天然核裂变反应堆》一文)，文中他讲解了当时的科学家对这些远古核反应堆运行原理的猜测。
     
  
        
比如，考恩描述了钚239的形成过程——数量更加丰富的铀238捕获了铀235裂变释放的一些中子，转变为铀239，然后再释放出两个电子，转化成钚239。在奥克罗铀矿中，曾经产生过超过两吨的钚239。不过这种同位素后来几乎全都消失了(主要是通过天然的放射性衰变，钚239的半衰期为2.4万年)，一些钚自身也经历了裂变，它所特有的裂变产物证明了这一点。这些轻元素丰富的含量让科学家推测，裂变反应一定持续了几十万年之久。根据铀235消耗的数量，他们计算出了反应堆释放的总能量，大概相当于1,500万千瓦的机器运转一整年所消耗的能量；再结合一些其他的证据，就能推算出反应堆的平均输出功率：不超过100千瓦，足够维持几十只烤箱的运作。
十几座天然反应堆自发工作，并维持着适度的功率输出，运转了大约几十万年之久，这确实令人惊叹。为什么这些矿脉没有发生爆炸，没有在核链式反应启动后立即自我摧毁？是什么机制使它们拥有了必不可少的自我调节能力？这些反应堆是稳定运转，还是间歇式发作？自奥克罗现象最初发现以来，这些问题迟迟得不到解答。实际上，最后一个问题困扰了人们长达30年之久，直到我和我在美国华盛顿大学圣路易斯分校的同事检测了一块来自这个神秘非洲铀矿的矿石之后，谜底才被逐渐揭开。
惰性气体揭露谜底
在奥克罗反应堆遗迹中，氙同位素的构成比例出现异常。找出这种异常的根源，就能揭开远古核反应堆的运作之谜。
最近，我们对奥克罗的一个反应堆遗迹进行了研究，重点集中在对氙气的分析方面。氙是一种较重的惰性气体(inert gas)，可以被矿物封存数十亿年之久。氙有9种稳定同位素，由不同的核反应过程产生，含量各不相同。作为一种惰性气体，它很难与其他元素形成化学键，因此很容易将它们提纯，进行同位素分析。氙的含量非常稀少，科学家可以用它来探测和追溯核反应，甚至用来研究那些发生于太阳系形成之前的、原始陨石之中的核反应。
分析氙的同位素成分需要一台质谱仪(mass spectrometer)，它可以根据原子量(atomic weight)的不同而分离出不同的原子。我有幸可以使用一台极其精确的氙质谱仪，那是我在华盛顿大学的同事查尔斯·M·霍恩贝格(Charles M. Hohenberg)制造的。不过在使用他的仪器之前，我们必须先把氙气从样品中提取出来。通常，科学家只须将寄主矿物加热到它的熔点以上，岩石就会失去晶体结构，无法再保留内部储藏的氙气。为了获得更多关于这种气体起源和封存过程的信息，我们采取了一种更加精巧的方法——激光萃取法(laser extraction)，它可以有针对性地从矿物样品的个别颗粒中释放出氙气，而不会触碰周围其他的部分。
     
  
        
我们可以利用的唯一一块奥克罗矿石碎块仅有1毫米厚、4毫米宽，我们把这种技术应用到碎块上的许多微小斑点之上。当然，我们首先需要决定将激光束聚焦到什么位置。在这方面，我和霍恩贝格得到了同事奥尔加·普拉夫迪夫切娃(Olga Pravdivtseva)的鼎力相助，她为我们的样本拍摄了一张详尽的X射线照片，识别出了候选的矿物。每次萃取之后，我们都会将得到的气体提纯，然后把氙气放入霍恩贝格的质谱仪中，仪器会显示出每一种同位素的原子数目。
氙气出现的位置令我们大吃一惊，它并不像我们想象的那样，大量分布在富含铀元素的矿物颗粒之中，储藏氙气数量最多的竟然是根本不含铀元素的磷酸铝颗粒。非常明显，在目前发现的所有天然矿物之中，这些颗粒中的氙浓度是最高的。第二个令人惊讶之处在于，与通常由核反应产生的气体相比，萃取出来的气体在同位素组成上有显著的不同。核裂变一定会产生氙136和氙134，但在奥克罗矿石中，这两种同位素似乎缺失严重，而其他较轻的氙同位素含量则变化不大。
同位素构成比例上的这种差异是如何产生的呢？化学反应无法提供答案，因为所有同位素的化学性质都完全相同。那么核反应，比如说中子俘获过程(neutron capture)，能不能给出解释呢？经过仔细分析，我和同事们把这种可能性也排除了。我们还考虑过不同同位素的物理分选过程：较重的原子移动速度比较轻的原子稍慢一些，有时它们就会相互分离开来。铀浓缩装置就是利用这个过程来生产反应堆燃料的，不过需要相当高的技术水平才能建造出这样的工业设备。即使自然界能够奇迹般地在微观尺度上创造出类似的“装置”，仍然无法解释我们所研究的磷酸铝颗粒中混合在一起的氙同位素比例。举例来说，如果确实发生过物理分选的话，考虑到现有的氙132的含量，氙136(比氙132重4个原子质量单位)的缺失，应该是氙134(比氙132重2个原子质量单位)的两倍。但实际上，我们并没有看到那样的模式。
绞尽脑汁之后，我们终于想通了产生氙同位素构成比例异常的原因。我们所测量的所有氙同位素都不是铀裂变的直接产物。相反，它们是放射性碘同位素衰变的产物，碘则由放射性碲衰变而来，而碲又由别的元素衰变产生，这是一个著名的核反应序列，最终的产物才是稳定的氙气。
我们的突破点在于，我们意识到奥克罗样品中不同的氙同位素产生于不同的时期，它们所遵循的时间表由它们的母元素碘和再上一代的元素碲的半衰期所决定。某种特定的放射性前体(precursor，即一系列反应过程的中间产物)存在的时间越长，它们形成氙的过程就被拖延得越久。例如，在奥克罗的自持裂变反应开始后，氙136仅过了大约1分钟就开始生成；一个小时后，稍轻一些的稳定同位素氙134出现；接下来，在裂变开始的若干天后，氙132和氙131登场亮相；最终，几百万年之后，氙129才得以形成——此时，核链式反应早已停止很久了。
     
  
        
如果奥克罗矿脉一直处于封闭状态，那么在它的天然反应堆运转期间积聚起来的氙气，就会保持核裂变所产生的正常同位素比例，并一直保存至今。但是，科学家没有理由认为，这个系统会是封闭的。实际上，有充分的原因让人猜想，它不是封闭的。奥克罗反应堆可以通过某种方式自行调节核反应，这个简单的事实提供了间接的证据。最可能的调节机制与地下水的活动有关：当温度达到某个临界点时，水会被煮沸蒸发掉。水在核链式反应中起到了中子慢化剂的作用，如果水不见了，核链式反应就会暂时停止。只有当温度下降，足够的地下水再次渗入之后，反应区域才会继续开始发生裂变。
这种关于奥克罗反应堆如何运转的说法强调了两个要点：第一，核反应很可能以某种方式时断时续地发生；第二，必定有大量的水流过这些岩石——足够冲洗掉一些氙的前体，比如可溶于水的碲和碘。水的存在有助于解释这样一个问题：为什么大多数氙现在留存于磷酸铝颗粒中，而没有出现在富含铀元素的矿物里——要知道，裂变反应最初是在这里生成那些放射性前体的。氙气不会简单地从一组早已存在的矿物中迁移到另一组矿物里——在奥克罗反应堆开始运转之前，磷酸铝矿物很可能还不存在。实际上，那些磷酸铝颗粒可能是就地形