20億年前地球自帶核反應(yīng)堆？

加蓬礦井1972年驚現(xiàn)真相

【Ecoticias網(wǎng)2月22日?qǐng)?bào)道】

1972年，技術(shù)人員在檢測(cè)鈾燃料時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一件自然界的怪事。一批來(lái)自加蓬?yuàn)W克洛地區(qū)礦區(qū)的原料中，一種關(guān)鍵鈾同位素的含量遠(yuǎn)低于預(yù)期，就像其中一部分已經(jīng)在核反應(yīng)堆里“燃燒”過(guò)一樣。

這一微小的偏差，開(kāi)啟了一段科學(xué)探索之旅。后續(xù)研究表明，該礦石帶有自持式核反應(yīng)的化學(xué)印記：約20億年前，地下深處曾發(fā)生過(guò)持續(xù)的核反應(yīng)，那時(shí)的地球還處于極早期的地質(zhì)階段。

違背規(guī)則的奇特鈾樣本

奧克洛的鈾礦石最初只是法國(guó)核工業(yè)例行質(zhì)量檢測(cè)的一部分。法國(guó)原子能和替代能源委員會(huì)（CEA）的物理學(xué)家會(huì)比對(duì)不同礦區(qū)鈾同位素的比例，確保沒(méi)有成分異常，完全符合自然界的正常配比。

天然鈾主要由鈾-238構(gòu)成，只含有少量鈾-235——正是這種同位素能在反應(yīng)堆中維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在地球上幾乎任何地方，甚至隕石里，鈾-235的比例都穩(wěn)定在0.72%左右，長(zhǎng)期保持高度恒定。

但在奧克洛樣品中，這一比例明顯偏低。從絕對(duì)值看差異不大，但相對(duì)于鈾同位素一貫的穩(wěn)定性而言卻極為顯著，這絕不可能是實(shí)驗(yàn)室誤差�？茖W(xué)家最初懷疑有人秘密轉(zhuǎn)移了裂變材料，但通過(guò)細(xì)致排查排除了一切人為篡改的可能。

要理解這件事為何如此震撼，我們要先知道什么是同位素。同位素是同一種元素的不同形態(tài)，雖化學(xué)性質(zhì)相同，但質(zhì)量略有差異；它們?cè)谧匀唤绲谋壤喈?dāng)于一種“全球特征標(biāo)識(shí)”，通常不會(huì)自行改變。

天然核反應(yīng)堆的運(yùn)行原理

人們一提到“反應(yīng)堆”，通常會(huì)想到混凝土穹頂、控制室和嚴(yán)格的安全檢查。從本質(zhì)上講，反應(yīng)堆只是一個(gè)聚集了足夠鈾-235的場(chǎng)所，一次裂變會(huì)觸發(fā)下一次裂變，形成可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)并釋放熱量。

天然核反應(yīng)堆與其原理相同，只是沒(méi)有人類設(shè)計(jì)，也沒(méi)有金屬燃料棒。它只是一片鈾礦富集的巖層，周?chē)h(huán)境恰好充當(dāng)了核電站的整套設(shè)備，讓鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得以啟動(dòng)，并以穩(wěn)定節(jié)奏持續(xù)進(jìn)行，而不是發(fā)生爆炸。

巖石與地下水如何形成核反應(yīng)

數(shù)十億年前，地球上鈾同位素的比例與今天不同。鈾-235的衰變速度比鈾-238更快，因此在地球更年輕時(shí)，鈾-235在天然鈾中的占比遠(yuǎn)高于現(xiàn)在，這讓礦床更容易達(dá)到發(fā)生裂變所需的臨界濃度。

在奧克洛礦床，富鈾巖層以合適的形態(tài)和儲(chǔ)量達(dá)到了這一臨界點(diǎn)。地下水滲入巖石，充當(dāng)了慢化劑，使裂變釋放的中子減速，從而觸發(fā)更多反應(yīng)，而不是直接逃逸。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，礦體、水和巖石結(jié)構(gòu)同時(shí)扮演了燃料、冷卻劑和控制系統(tǒng)的角色。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這里的反應(yīng)并非像炸彈那樣爆發(fā)，而是更像一座極低功率的工業(yè)反應(yīng)堆，以漫長(zhǎng)周期反復(fù)啟停：熱量將水煮沸蒸發(fā)，反應(yīng)暫停；待水重新滲入后，反應(yīng)再次啟動(dòng)。這種啟停模式在巖石內(nèi)的裂變產(chǎn)物分布中留下了永久痕跡，科學(xué)家正是基于此，在反應(yīng)堆停止運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)十億年后，還原了當(dāng)年的過(guò)程。

奧克洛為何至今仍讓科學(xué)家著迷

奧克洛是地球上唯一一處擁有直接且詳細(xì)的證據(jù)證實(shí)存在天然核反應(yīng)堆的地點(diǎn)。其他鈾礦床或許也曾接近臨界狀態(tài)，但即便發(fā)生過(guò)類似反應(yīng)，其信號(hào)也已隨時(shí)間消退，或被后續(xù)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)破壞。迄今為止，奧克洛仍是自然界能形成類似人造反應(yīng)堆條件的唯一典型案例。

這一遺址之所以備受關(guān)注，是因?yàn)樗鼘⒑宋锢砼c地球歷史緊密相連。通過(guò)分析放射性元素及其衰變產(chǎn)物數(shù)億年來(lái)在巖石中的留存情況，科學(xué)家可以研究核材料在地下的遷移規(guī)律，這對(duì)人類核廢料長(zhǎng)期儲(chǔ)存的研究至關(guān)重要。

它還能幫助研究者了解生命剛剛誕生時(shí)，早期地球的化學(xué)環(huán)境與地下水系統(tǒng)的運(yùn)作方式。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）等國(guó)際組織已將奧克洛礦區(qū)譽(yù)為一座天然實(shí)驗(yàn)室，既彰顯核能在現(xiàn)實(shí)世界中的力量，又揭示其局限性�？偠灾�，這座非洲礦場(chǎng)的探索之旅提醒我們：只要時(shí)間充裕且元素配比得當(dāng)，那些通常與尖端科技關(guān)聯(lián)的核反應(yīng)過(guò)程，有時(shí)也會(huì)在靜謐的地下悄然上演。

編譯：朱芳菲（新能源部）

審校：徐肖飛（新能源部）

編輯：朱芳菲（新能源部）