在人類掌握核裂變技術(shù)、建造核電站之前近二十億年，地球本身就已經(jīng)在地殼深處運(yùn)行著一批天然核反應(yīng)堆，并持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了數(shù)十萬年，恰逢最早的多細(xì)胞生命開始在地球上出現(xiàn)。

這一離奇現(xiàn)象最早追溯到1972年。法國皮埃爾拉泰的Eurodif鈾加工廠在檢測一批來自非洲西部加蓬的鈾礦石時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)其中鈾?235（U?235）的含量比“自然標(biāo)準(zhǔn)值”略低，但這種偏差在該礦區(qū)所有樣品中都一致出現(xiàn)。 天然鈾中U?235的比例約為0.720%，而加蓬奧克洛（Oklo）礦區(qū)巖石中只有0.717%，看似只是0.003%的微小差異，卻在物理學(xué)上極具意義，因?yàn)檫@意味著一部分U?235已經(jīng)“消失”，最合理的解釋只有一個：這些鈾此前經(jīng)歷過核裂變過程，相當(dāng)于曾被當(dāng)作“核燃料”使用過。

面對這一異常，時(shí)任法國物理學(xué)家弗朗西斯·佩蘭起初也難以置信。隨著進(jìn)一步分析推進(jìn)，科研人員在樣品中找到了只有核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才能留下的同位素指紋，由此確認(rèn)奧克洛鈾礦帶曾在地球內(nèi)部自然形成并維持過核反應(yīng)堆，而且不止一個，而是一整組獨(dú)立的“反應(yīng)堆區(qū)”。 維也納自然史博物館自2019年起永久收藏了奧克洛樣品，其巖石標(biāo)本策展人盧多維克·費(fèi)里耶形容，這是“鈾礦自己完成了裂變”，別無他解。

研究顯示，二十億年前的地球環(huán)境與今日大為不同。那時(shí)天然鈾中U?235的含量約為3%，大致接近部分現(xiàn)代核反應(yīng)堆燃料的濃度水平，但僅有這一點(diǎn)還不足以維持自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 在奧克洛，當(dāng)?shù)氐叵滤L期滲流過富鈾巖層，水中的氫原子充當(dāng)了天然“中子減速劑”，類似于當(dāng)今許多水冷堆利用水慢化中子的方式，使本來極少見的自發(fā)裂變事件得以被放大并接力，引發(fā)和維持一段時(shí)間的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

這一天然核反應(yīng)堆并非持續(xù)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，而是呈現(xiàn)周期性“開關(guān)機(jī)”。當(dāng)裂變產(chǎn)生的熱量積累到一定程度，局部溫度升高會將地下水煮沸，水蒸發(fā)離開裂變區(qū)，相當(dāng)于撤走了“慢化劑”，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)隨之熄火。 待巖石逐漸冷卻、地下水重新滲入裂變帶后，中子再次被減速下來，反應(yīng)堆又重新“點(diǎn)火”啟動，如此循環(huán)，歷時(shí)數(shù)十萬年。 國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）的彼得·伍茲指出，就像現(xiàn)代輕水堆一樣，一旦缺少能減速中子的介質(zhì)，裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)便無法繼續(xù)，而在奧克洛，水既是減速劑，也是調(diào)節(jié)“功率”的關(guān)鍵因素。

自1972年這一現(xiàn)象被系統(tǒng)認(rèn)識以來，科學(xué)家在奧克洛主鈾礦帶內(nèi)已辨認(rèn)出至少15個天然反應(yīng)堆區(qū)，附近的班貢貝（Bangombé）一帶也發(fā)現(xiàn)了類似遺跡。 每個反應(yīng)堆在活躍期被估算可釋放約100千瓦熱功率，以現(xiàn)代核電標(biāo)準(zhǔn)來看算不上龐大，但在遠(yuǎn)古地球環(huán)境中，這是一股極不尋常的地質(zhì)能量來源。 有學(xué)者在2011年的論文中稱，“奧克洛現(xiàn)象”是20世紀(jì)地球科學(xué)與核物理領(lǐng)域最令人驚異和意外的發(fā)現(xiàn)之一。

值得注意的是，這樣的天然核反應(yīng)堆如今已不可能再在自然界重新“自發(fā)搭建”。隨著地質(zhì)年代推移，天然鈾中U?235的比例衰減到如今的約0.7%，遠(yuǎn)低于能夠在自然條件下維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的門檻，如今的核反應(yīng)堆必須依靠人工濃縮才能運(yùn)作。 雖然奧克洛所在地區(qū)仍是重要的鈾礦開采基地，但這一帶對科學(xué)界而言價(jià)值更在于提供了一個獨(dú)一無二的天然“實(shí)驗(yàn)室”，讓研究者得以從地質(zhì)記錄中追蹤遠(yuǎn)古核裂變過程及其對周圍環(huán)境的長周期影響。

正如伍茲所言，時(shí)間、地質(zhì)條件與水文環(huán)境這三重因素以極其罕見的方式疊加在一起，才讓奧克洛天然反應(yīng)堆得以在二十億年前短暫“點(diǎn)亮”地球，并將故事保存至今。 他形容，這像是一宗跨越地質(zhì)時(shí)代的“偵探案”，而科學(xué)界已經(jīng)成功拼合出關(guān)鍵線索，揭示了地球史上這段幾乎不可復(fù)制的核能奇景。