非洲中部加蓬的奧克洛由法國物理學(xué)家弗朗西斯·佩蘭發(fā)現(xiàn)天然核反應(yīng)堆，指在鈾礦層中發(fā)現(xiàn)的的同位素能夠在過去自然發(fā)生自持核連鎖反應(yīng)的一種現(xiàn)象。1956年日裔美籍物理學(xué)家黑田和夫預(yù)言了在某種條件下存在天然核反應(yīng)堆的可能性。發(fā)現(xiàn)的天然核反應(yīng)堆的自然條件與預(yù)言非常相似。
奧克洛是目前世界上唯一確認(rèn)的曾經(jīng)自然發(fā)生自持的核連鎖反應(yīng)的地方，共有16處。從大約20億年以前開始反應(yīng)，斷斷續(xù)續(xù)反應(yīng)了幾十萬年，在此期間平均輸出功率為100千瓦輸出為3000萬伏特。
事實(shí)真相
關(guān)于“奧克洛核反應(yīng)堆”有不少關(guān)于史前文 明的說法，這些都是有缺陷的推論，真相是： 1972年，法國從非洲加蓬進(jìn)口一些鈾礦石，準(zhǔn)備用于核工業(yè)。這些鈾礦石產(chǎn)于奧克洛地區(qū)，但是，經(jīng)過同位素分析后發(fā)現(xiàn)，U235的平均濃度竟然只有0.62%，比U235的正常濃度0.72%低得多。為了研究這一特殊現(xiàn)象，科學(xué)家們到分布為帶狀的奧克洛鈾礦區(qū)的各點(diǎn)取樣，然后做同位素分析，又發(fā)現(xiàn)了濃度低于0.3%的貧化鈾（U235濃度小于其天然濃度0.72%的鈾）。通過認(rèn)真的科學(xué)研究后發(fā)現(xiàn)，在20億年前，由于地質(zhì)的變遷，有水滲入到奧克洛鈾礦區(qū)，從而引發(fā)了奧克洛鈾礦中的鈾進(jìn)行了天然的自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)，從而使奧克洛鈾礦區(qū)U235的濃度值嚴(yán)重低于正常值。這是人們發(fā)現(xiàn)的一例天然（并非人造）核反應(yīng)堆，被稱之為奧克洛現(xiàn)象。
奧克洛核反應(yīng)堆
通常人們以為，在地球上，只有人類建造的“核反應(yīng)堆”?？墒?，在非洲西海岸的加蓬奧克洛鈾礦，法國工程師鮑齊奎斯發(fā)現(xiàn)了奇異的情況。他在1972年6月，對這里的礦石作出了分析，結(jié)果令科學(xué)界大吃一驚。經(jīng)過對鈾礦中一種鈾的同位素鈾235進(jìn)行常規(guī)分析，結(jié)果顯得異乎尋常：天然鈾235的含量，比他過去測量所得的數(shù)值低。這個(gè)數(shù)據(jù)表明，幾十億年前，這里的鈾235可能已燃燒過。
發(fā)現(xiàn)經(jīng)過
尋找原因
1972年6月，奧克洛的鈾礦石運(yùn)到了法國的一家工廠。法國科學(xué)家對這些鈾礦石進(jìn) 行了嚴(yán)格的科學(xué)測定，發(fā)現(xiàn)這些鈾礦石中能直接作為核燃料的鈾235的含量偏低，甚至低到不足0．3%。而其他任何鈾礦中鈾235的含量理應(yīng)是0.73%。事實(shí)上這種奇特的現(xiàn)象早在二十年前已被科學(xué)家們預(yù)言。
探討和研究
經(jīng)過再三深入探討和研究，科學(xué)家們十分驚奇地發(fā)現(xiàn)：這些鈾礦早已被燃燒過，早已被人用過。這一重大發(fā)現(xiàn)立即轟動了科技界。為了徹底查明事實(shí)真相，歐美一些國家的許多科學(xué)家紛紛前往奧克洛鈾礦區(qū)，深入進(jìn)行考察和研究。經(jīng)過長時(shí)間的共同努力探索，斷定在奧克洛有一個(gè)很古老的原子反應(yīng)堆，又叫核反應(yīng)堆。這個(gè)原子反應(yīng)堆由6個(gè)區(qū)域的大約500噸鈾礦石組成，它的輸出功率只有100千瓦左右。據(jù)科學(xué)家們考證，該礦成礦年代大約在20億年前，原子反應(yīng)堆在成礦后不久就開始運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長達(dá)50萬年之久。
面對這個(gè)20億年前的設(shè)計(jì)科學(xué)、結(jié)構(gòu)合理、保存完整的原子反應(yīng)堆，科學(xué)家們開心不已，因?yàn)樵缭诙昵?a href="/hebeideji/7249583858893946884.html">加利福尼亞大學(xué)的喬治·維色里爾（George W.Wetherill）和芝加哥大學(xué)的馬可·英格蘭姆（Mark G.Inghram）就指出20億年前的鈾礦石可能產(chǎn)生天然鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在1956年，美國阿肯薩斯大學(xué)的日裔核化學(xué)家黑田和夫更歸納出了天然核反應(yīng)堆成立所需要的條件，這些條件，在奧克勞鈾礦的數(shù)十個(gè)礦床中，有十幾個(gè)恰好都符合。
裝置
原子反應(yīng)堆是使鈾等放射性元素的原子核裂變以取得核能的裝置。這種裝置絕對不可能自然形成，只能按照嚴(yán)格的科學(xué)原理和程序，采用高度精密而先進(jìn)的技術(shù)手段和設(shè)備，由科學(xué)家和專門技術(shù)工人來建造，只有用人工的方法使鈾等通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)或氫核通過熱核反應(yīng)聚合成為氦核的過程取得原子能。
困擾疑惑
奧克洛核反應(yīng)堆。
最早的核反應(yīng)堆出現(xiàn)在20億年前。這一令人震驚的結(jié)論緣自1972年科學(xué)家在非洲加蓬奧克洛地區(qū)發(fā)現(xiàn)的天然核反應(yīng)堆。進(jìn)行了數(shù)十年研究后，科學(xué)家今天終于弄清楚這些相當(dāng)于100千瓦“迷你核電站”的反應(yīng)堆，在曾經(jīng)持續(xù)15萬年的一段時(shí)期內(nèi)，是如何每3個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次能量輸出的。奧克洛（Oklo）是非洲加蓬一個(gè)鈾礦區(qū)的名字。正是從這個(gè)礦區(qū)，法國取得了其核計(jì)劃所需的鈾。1972年，當(dāng)這個(gè)礦區(qū)的鈾礦石被運(yùn)到法國時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)其中一些鈾礦竟然是被“利用過”的，鈾235的含量不足0.3%，低于0.711%的天然含量，似乎這些鈾礦石早已被一個(gè)核反應(yīng)堆使用過。正是這一現(xiàn)象導(dǎo)致科學(xué)家實(shí)地調(diào)查，并發(fā)現(xiàn)了該地區(qū)的天然核反應(yīng)堆：當(dāng)?shù)剽櫟V石中的鈾曾經(jīng)歷了一個(gè)自給自足的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，這曾釋放出大量的熱能。
在這一過程中，鈾原子的放射性裂變釋放出中子，從而引起其他鈾原子的裂變，最終導(dǎo)致核裂變并釋放出熱能之類的能量。現(xiàn)代的核反應(yīng)堆正是運(yùn)用這一原理來產(chǎn)生能量的。
然而，讓人感到困惑不解的是，奧克洛“核反應(yīng)堆”鏈?zhǔn)搅炎儾⑽闯霈F(xiàn)失控的痕跡，否則將導(dǎo)致礦脈被破壞，甚至發(fā)生爆炸。一切都似乎是井然有序的。在現(xiàn)代的核工廠，人們利用緩和劑來控制核反應(yīng)速度，緩和劑可以吸收一些裂變的中子，使鏈?zhǔn)搅炎兯俣嚷聛?，?dāng)然也可以通過對中子能量的調(diào)節(jié)來加速反應(yīng)的進(jìn)行。
專家分析
科學(xué)認(rèn)定
經(jīng)過多年探索，科學(xué)界終于認(rèn)定，奧克洛鈾礦的鈾235，是鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 中生成的“礦渣”，是“核反應(yīng)堆”曾經(jīng)存在的證據(jù)，這表明奧克洛鈾礦區(qū)的“核反應(yīng)堆”，在20億年前已經(jīng)點(diǎn)火工作。在20億年前，奧克洛鈾礦中鈾235含量比現(xiàn)在高很多，由于某種原因，可能是自然條件得天獨(dú)厚，此地形成了“核反應(yīng)堆”。反應(yīng)堆的燃燒使鈾235的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得以緩慢進(jìn)行，并且在數(shù)十億年演化過程中，斷斷續(xù)續(xù)地釋放核能，其方式和間歇泉噴水相似。這簡直是不可思議的。要知道，要發(fā)生核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，先要有大量高濃度鈾235，而天然鈾礦中只含有極少比例的鈾235；即使鈾235足夠多，要想使核反應(yīng)不成為核爆炸，還必須使用中子慢化劑如重水等；即使上述兩個(gè)條件滿足了，也并不等于真能發(fā)生持續(xù)的核反應(yīng)，還必須使鈾與慢化劑之間有某種比例的配置。
創(chuàng)造神奇
在人類建造的核電站中，通常都是核裂變反應(yīng)堆。在這種反應(yīng)堆中，必須用高純度濃縮鈾或?yàn)槿剂希槐仨氂檬⒅厮嚷瘎﹣慝@得慢中子；反應(yīng)堆中必須加裝控制棒，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)受人控制，以緩慢釋放核能。如此苛刻的條件，在奧克洛鈾礦的“核反應(yīng)堆”中，是如何實(shí)現(xiàn)的呢？至今在科學(xué)界仍然存在很多爭論。最自然的論點(diǎn)是，奧克洛鈾礦純粹是大自然的手筆。20億年前，種種機(jī)緣的巧合，使奧克洛礦區(qū)的鈾235含量比現(xiàn)在高得多。于是大自然就地取材，利用普通水作“慢化劑和調(diào)節(jié)閥”，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在人類難以想象的環(huán)境中，簡潔而神奇地發(fā)生。
最新論點(diǎn)
水的作用舉足輕重，這是科學(xué)界的最新論點(diǎn)。美國科學(xué)家亞歷山大·梅希克認(rèn)為，鈾235產(chǎn)生的快中子經(jīng)過礦石中地下水慢化和控制后，變成了慢中子，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能以緩慢方式發(fā)生。更令人稱奇的是，鈾235發(fā)生的每一次鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，都可能持續(xù)數(shù)千年。因?yàn)楫?dāng)核反應(yīng)堆的溫度太高時(shí)，將有更多的水蒸發(fā)掉，于是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度減慢、規(guī)模變小，使核反應(yīng)堆溫度降低甚至熄火。在這以后的漫長歲月中，地下水會重新匯聚，使慢中子增多，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)加速，核反應(yīng)堆溫度升高，以實(shí)現(xiàn)重新點(diǎn)火啟動。所以，有科學(xué)家相信，20億年來，整個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程像間歇噴泉一樣重復(fù)發(fā)生。顯然，地下水是核反應(yīng)的觸發(fā)和控制開關(guān)，是關(guān)鍵所在。也就是說，奧克洛核反應(yīng)堆，之所以沒像原子彈那樣爆炸，“功勞”全在于地下水的神奇控制，使之在持續(xù)幾千年的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，一直緩慢釋放著核能。
但是，質(zhì)疑這種論點(diǎn)的也大有人在。有人認(rèn)為，地下水畢竟不是重水，用來做核反應(yīng)堆的慢化劑有點(diǎn)勉強(qiáng)，還有，奧克洛礦區(qū)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)合理，保存得也相當(dāng)完整，似乎并非自然形成，而是有目的地建造而成的。比如，目前的研究結(jié)果表明，這個(gè)核反應(yīng)堆有幾千米，如此巨大的一個(gè)核反應(yīng)堆，對周圍環(huán)境的熱干擾卻局限在反應(yīng)區(qū)周圍40千米之內(nèi)。更讓人吃驚的是，核反應(yīng)所產(chǎn)生的廢物，并沒有擴(kuò)散，而是局限在礦區(qū)周圍。與這個(gè)20億年前的大型核反應(yīng)堆相比，今天人類所能建造的最大的核反應(yīng)堆，也顯得黯然失色。
科學(xué)預(yù)言
對于奧克洛現(xiàn)象，科學(xué)家們早在60年代就有預(yù)言，比如，中國著名的科 學(xué)家，中國科學(xué)院學(xué)部委員侯德封先生，在60年代就明確指出，由于U235的放射性半衰期，也就是U235在放射性衰變過程中，原子核的數(shù)目或U235的濃度，減少到原來數(shù)目的一半時(shí)，所需要的時(shí)間大約為7億年，因此，現(xiàn)在天然U235的正常濃度為0.72%，但是在幾十億年前，也就是地球形成后的幾十億年中，鈾礦中U235的濃度卻遠(yuǎn)高于今天的濃度，也就是天然的濃縮鈾，如果自然條件具備的話，就會發(fā)生天然的自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)。國外科學(xué)界的同行們也相繼作出了同樣的預(yù)見，美國的一些科學(xué)家明確指出，20億年前的鈾礦石中U235的濃度足以產(chǎn)生天然連鎖反應(yīng)，并且明確地給出了天然鈾礦發(fā)生天然自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)的條件。很快，在1972年，科學(xué)家們的預(yù)見被證實(shí)了。
專家實(shí)驗(yàn)
奧克洛核反應(yīng)堆核電站實(shí)驗(yàn)
據(jù)《自然》雜志報(bào)道，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，奧克洛反應(yīng)堆裂變的進(jìn)行和停止是有周期性的，每30分鐘的裂變反應(yīng)之后就會有兩個(gè)半小時(shí)的間歇?？茖W(xué)家經(jīng)過觀察與實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為是礦石中的水充當(dāng)了這一角色。當(dāng)鈾原子發(fā)生核裂變時(shí)，被釋放出的中子運(yùn)行速度極快，以至于不能被其他原子吸收，因而不能引發(fā)其他原子的鏈?zhǔn)搅炎?。但是水能讓中子的速度慢下來。在奧克洛的反應(yīng)堆中，正是水的關(guān)鍵作用才讓鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得以持續(xù)。然而，反應(yīng)進(jìn)行時(shí)會產(chǎn)生大量的熱，這會把巖石中的水分蒸干，沒有了天然緩和劑，反應(yīng)堆就會停止反應(yīng)。只有當(dāng)巖石冷卻之后，水分含量又重新從地下水那里得到補(bǔ)充，核反應(yīng)才會再次開始。
科學(xué)家是在測定了奧克洛地區(qū)巖石中的含量之后得出上述結(jié)論的，作為裂變生成物，氙這種氣體一旦生成，就會從鈾礦中散發(fā)到空氣中。但是假如反應(yīng)堆存在周期性的冷卻，氙就可以被保存在鋁磷酸鹽的巖石顆粒中。奧克洛當(dāng)?shù)?a href="/hebeideji/3670117990656531318.html">礦石顆粒中氙的高含量證明了這些天然反應(yīng)堆的確是周期性運(yùn)行的。
現(xiàn)代工業(yè)核反應(yīng)堆會產(chǎn)生出氙和等氣體，但人們一直沒有捕捉它們的可行辦法，對奧克洛天然核反應(yīng)堆的研究，也許可以讓今天從事核工業(yè)的技術(shù)專家們得到啟發(fā)。
相關(guān)結(jié)論
奧克洛核反應(yīng)堆
對于20億年前的U235的濃度來說，實(shí)在是太容易了，要求的條件也非常簡單。首先是U235的濃度一般至少要超過1%。因?yàn)檎Ｇ闆r下，一般動力核反應(yīng)堆使用的核燃料都是濃度超過1%、一般不超過5%的低濃度U235?，F(xiàn)在U235的正常濃度是0.72%，而U235的半衰期大約為7億年，也就是說，每往前推7億年，其濃度就應(yīng)該是現(xiàn)在濃度的一倍，那么20億年前的U235正常濃度就遠(yuǎn)高于3%。
其次就是，U235在放射性衰變過程中，會放出中子，如果其他U235的核吸收一個(gè)中子后，通常會分裂成兩個(gè)小核，并放出2到3個(gè)快中子，同時(shí)釋放出能量。如果放出的這些中子，只要有1個(gè)以上能夠被其他U235俘獲，就能發(fā)生核裂變反應(yīng)。但是，U235裂變產(chǎn)生的是快中子，不容易被俘獲，所以反應(yīng)堆需要慢化材料，如水（礦床局部斷裂可以引起水的滲透）或碳等來減慢快中子的速度。當(dāng)鈾礦中沉積的鈾濃度較高，同時(shí)堆塊質(zhì)量或者是堆塊體積超過臨界值時(shí)，中子被俘獲的機(jī)會就會大大增加，核裂變反應(yīng)也就非常容易發(fā)生了。
如果上述核裂變反應(yīng)不斷加劇，釋放的能量過多，就會使溫度升高到一定程度（此時(shí)若不加以控制，反應(yīng)會更加劇烈，就會發(fā)生核爆炸），慢化材料水就會汽化為蒸汽，前面提到的對快中子的慢化效應(yīng)就會降低，連鎖反應(yīng)減慢。這個(gè)自然調(diào)節(jié)機(jī)制使得反應(yīng)堆能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，這樣就形成了自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)?？梢?，奧克洛現(xiàn)象完全是地球演化過程中發(fā)生的自然現(xiàn)象，并不是史前人類的杰作。
未解之謎
分布位置
二十億年前，在今天的非洲加蓬，曾存在著一個(gè)大型的鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)堆，運(yùn)轉(zhuǎn)了很多萬年。奧克洛(Oklo)是非洲加蓬共和國一個(gè)鈾礦的名字。從這個(gè)礦區(qū)，法國取得其核計(jì)劃所需的鈾。1972年，當(dāng)這個(gè)礦區(qū)的鈾礦石被運(yùn)到一家法國的氣體擴(kuò)散工廠時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)這些鈾礦是被利用過的，其含量低于0.711w%的自然含量。似乎這些鈾礦石早已被一個(gè)核反應(yīng)堆使用過。法國政府宣布了這一發(fā)現(xiàn)，震驚了全世界?？茖W(xué)家們對這個(gè)鈾礦進(jìn)行了研究，并將研究成果于1975年在國際原子能委員會(International Atomic Energy Agency)的一個(gè)會議上公布。
條件
法國科學(xué)家在整個(gè)礦區(qū)的不同地方都發(fā)現(xiàn)了核裂變的產(chǎn)物和TRU廢物。開始時(shí)，這些發(fā)現(xiàn)讓人很迷惑，因?yàn)橛锰烊坏拟櫴遣豢赡苁购朔磻?yīng)堆越過臨界點(diǎn)(而發(fā)生核反應(yīng)的)，除非在特別的情況下，有石墨和重水。但在Oklo周圍地區(qū)，這些條件是從來都不大可能具備的。
U235的半衰期為七億(7.13E8)年，少于U238的半衰期四十五億(45.1E9)年。從地球形成至今，相比U238，更多的U235衰變了。這就說明在久遠(yuǎn)年代以前，天然鈾礦的濃度比今天要高的多。實(shí)際上，簡單的計(jì)算就可以證明，30億年前此濃度為3%左右。而此濃度已足以在一般的水中進(jìn)行核反應(yīng)。而當(dāng)時(shí)在Oklo附近是有水源的。
參考資料 >