奧克洛鈾礦（Oklo 鈾 Mine）是位于中非加蓬上奧果韋省弗朗斯維爾城附近的鈾礦。奧克洛鈾礦的成礦年代大約在20億年前。由62個區域組成的約500噸鈾礦石曾自然形成了一個核反應堆。這個反應堆在礦床形成后不久就開始運行，盡管其輸出功率僅在10到100千瓦之間，但它持續運轉了長達50萬年的時間。
1972年6月2日，法國皮埃爾拉特核燃料再處理廠的布茲蓋博士（Dr.Bouzigue）在對六氟化鈾樣品進行常規質譜分析時，發現來自奧克洛鈾礦的鈾-235同位素豐度低于正常水平，在奧克洛樣品中，這一比例降至0.7171±0.0007%，減少了約0.003%。科學家們在奧克洛礦區發現了一個由約500噸鈾礦石組成的自然核反應堆遺址。測定表明，奧克洛鈾礦形成于約20億年前，該反應堆在礦床形成后不久即開始運行，輸出功率在10至100千瓦間，持續了約50萬年。這一發現使人們想起1953年由喬治·W·韋瑟里爾和馬克·G·英格拉姆提出的理論，他們認為某些鈾礦可能自然形成了裂變反應堆。黑田和夫進一步計算了自持裂變反應所需的條件。最終確認，奧克洛鈾礦在20億年前確實經歷了長期的自持核裂變反應。
奧克洛現象的發現對于研究太陽系物質及地球早期演化具有一定參考價值。此外，它對同位素學和地球化學領域也有重大價值，并為原子能工業發展、核反應堆運行機制研究及核廢料處理提供了思路，表明在合適的地質結構中可以安全儲存放射性廢物，使其自然衰變直至最終消失。
命名
20世紀70年代，法國在奧克洛開采鈾礦以推動中核集團發展時，意外發現了一個自然形成的核反應堆，這一發現震驚了世界，該反應堆被稱為奧克洛核反應堆。
歷史沿革
1953年，美國相關研究人員在對瀝青鈾礦進行研究時作出了一項較為粗略的預測。其認為在20億年前，當鈾235的豐度為3%時，沉積的鈾礦更趨近于能夠運行的核反應狀態。
1956年，黑田和夫進一步作出預言，倘若核反應所需的濃度、可能發生的過去時間以及鈾235與鈾238的比率均滿足特定條件，那么自發的核反應有可能在自然界中發生。然而，他并不認為地球上能夠尋找到同時滿足這些特殊條件的地點。
1972年6月2日，在法國皮埃爾拉特核燃料再處理廠工作的布茲蓋博士運用常規的質譜分析方法對六氟化鈾樣本進行分析時發現，來自奧克洛河附近鈾礦中的鈾235與鈾238兩種同位素的比例出現異常。在正常情況下，鈾235的自然豐度為0.7202±0.0006%，而奧克洛的鈾235自然豐度為0.7171±0.0007%，減少了約0.003%。為防止可用于核武器的鈾235被竊取，法國原子能委員會展開了調查。但在所有環節中均未發現問題，并且自1970年開始開采奧克洛鈾礦以來，所有來自該礦的鈾礦樣本均顯示鈾235略微減少了一點。
為了查明真相，科學家們決定前往奧克洛礦區進行實地考察。在那里，他們發現了一個已經停止運行但卻保存完好的自然核反應堆。這個反應堆由六個不同區域的總計約500噸鈾礦構成。經過測定，奧克洛鈾礦床的形成時間大約在20億年前，而核反應堆幾乎是在礦床形成后不久就開始運行，雖然其輸出功率僅為10到100千瓦之間，但持續運轉的時間卻長達50萬年之久。
最終，在奧克洛及其附近地區的鈾礦中，研究人員確定了16個相互獨立的區域，這些區域在大約20億年前的真實環境條件與黑田和夫所描述的情況驚人地一致。研究表明，奧克洛鈾礦在20億年前確實經歷了自持的核裂變反應，而且這一過程持續了數十萬年之久。
從奧克洛采集的巖石樣本中，部分是在鉆探活動中獲取的，并被保存在法國核能和可再生能源公司歐安諾（Orano，原阿海琺Areva）的總部。2018年初，兩份半剖面的鉆芯樣本被捐贈給了位于維也納的自然博物館。此次捐贈活動得到了法國常駐聯合國及維也納國際組織代表團的支持，同時，歐安諾與法國原子能與替代能源委員會（CEA）提供了財政資助，促成了這次捐贈。國際原子能機構（IAEA）的科學家們通過監控放射性水平并確保巖石樣本的安全處理，在將這些樣本運送至維也納的過程中給予了協助。
成因
第一個因素是，赤道西非的這些鈾礦床一定含有臨界質量的鈾-235開始這種反應。第二個促成因素是，水在奧克洛巖石中起了慢化劑作用，吸收中子，控制鏈式反應。加蓬所處的具體地質背景也提供了幫助。鈾（包括鈾-235）的化學含量總量足夠高，個別礦床厚且足夠大。最后一點是，奧克洛在時間的流逝中成功地保存下來。
相關理論
加州大學洛杉磯分校的喬治·W·韋瑟里爾（George W. Wetherill）和芝加哥大學的馬克·G·英格拉姆（Mark G. Inghram）提出了一些鈾礦礦脈可能曾經形成過天然的核裂變反應堆的觀點。他們認為，在特定條件下，鈾礦脈能夠自發地產生自持裂變反應。所謂自持裂變反應是指一個中子觸發鈾-235原子核裂變后，釋放出的額外中子又會繼續引發其他鈾-235原子核裂變的過程，形成一個連續的連鎖反應。
美籍日裔化學家黑田和夫（Paul K. Kuroda）進一步計算了鈾礦脈發生自持裂變反應的必要條件：
尺寸要求
鈾礦脈的大小至少要超過中子在礦脈中自由行進的平均距離，大約為0.67米。這確保了裂變產生的中子能夠在逃逸之前被其他鈾原子核吸收。
鈾-235濃度
鈾-235的豐度需要達到一定的水平（臨界質量），在大約20億年前，奧克洛鈾礦脈中的鈾-235豐度接近4%，與今天大多數核電站使用的濃縮鈾燃料相似。
中子慢化
需要有中子慢化劑的存在，通常是水或石墨等材料，來減慢裂變過程中釋放的快中子速度，使其更容易與其他鈾原子核相互作用，促進裂變。
無硼、鋰等
礦脈中不能有大量的硼、鋰等元素，因為這些元素會吸收中子，從而中斷裂變反應。
主要特征
礦物組成
奧克洛鈾礦的礦化位于F1砂巖和F1p砂巖的沉積接觸帶中，分為四個段落產出。在富礦段中，截體含有方鈾礦包體的碳質物質；而在貧礦段中，主要估計為鈾礦（軸石），在氧化帶中，主要礦物包括黃鈉鈾礦（naumannite）、鈾鉛礦（銅鈾云母）和鈾軸礦（鈣鈾云母）。礦化的形成可能與古地理條件有關，推測是在陸相沉陷盆地向過渡相演變的過程中形成的。根據礦化特點，可以區分出富鈾鈾礦（鈾軸礦）和貧鈾鈾礦（鈾軸礦）。富鈾鈾礦與地質構造中的倒轉構造有一定的空間關聯，而貧鈾鈾礦則與沉積層增厚有關。
奧克洛鈾礦中的鈾以三種不同的同位素形態存在，分別是鈾-238、鈾-235和鈾-234。在這三種同位素中，鈾-238的含量最為豐富，而鈾-234則是最稀有的。鈾在礦石中是以天然氧化鈾的形式存在，常見的形式為UO2，在適當的溫度（300至350°C）下形成。
鈾礦的主要成分是鈾-238，其半衰期為45.1億年，以及鈾-235，其半衰期相對較短，為7.1億年。因此，在地質時間尺度上，鈾-235相對于鈾-238的豐度會隨著時間的推移而逐漸減少。然而，在20億年前，鈾-235的豐度較高，達到了近4%，這使得當時的鈾礦具備了形成自持裂變反應的條件。
物理特性
該礦床的礦石中，鈾-235和鈾-238同位素的比例出現了異常偏差。在一般情況下，地球上所有天然鈾礦中，鈾-235的豐度大約為0.7202%，然而，奧克洛鈾礦中的鈾-235豐度只有0.7171%，比預期值少了約0.003%。奧克洛鈾礦礦石的鈾-235含量偏低，甚至低到不足0.3%，而其他任何鈾礦中鈾-235的含量理應是0.73%。
裂變產物
進一步的研究顯示，在奧克洛鈾礦的礦層中發現了超過30種核裂變反應的副產物。國際原子能機構組織了專門的學術討論會，勘測證實了鮑齊奎斯的發現，還檢測到了某些“?天然反應堆”?的遺跡及其附近礦石中存在的鈾-235裂變產物（如鑭、鈰、鐠、釹、釤、釓、钚、釔、鋯、釕、銠、鈀、鎵、鈮、銀、鉬、碘、氪、氙等元素）。
分布區域
奧克洛鈾礦床位于非洲國家加蓬，形成于大約20億年前的元古代弗朗斯維爾組（Francville Group）的地層中。該礦床位于海陸過渡區的河流三角洲環境中，礦化呈似層狀分布，厚度約為6-10米，長900米，寬600米，平均品位為0.4%，金屬儲量為15000噸。礦石中含有豐富的有機質和黃鐵礦，在氧化-還原界面附近，礦石品位較高，可達20-60%UO2。天然反應堆遺跡分布在礦層中黏土化發育的地方，共有16個反應堆遺跡，每個反應堆的鈾含量特別高（25-50%），周圍的巖石不含石英，顏色為綠色或黑色，且沒有明顯的沉積構造。
礦物開采
奧克洛鈾礦是一個典型的沉積型鈾礦。礦脈含鈾巖層的厚度約為5到8米，傾斜角度大約為45°。在發現礦石中鈾-235成分異常之前，已經沿礦脈開采了大約30米，并進行了鉆孔抽樣以控制含鈾量。礦石的平均含鈾量在0.4%到0.5%之間，但在某些局部地區的含鈾量遠高于平均水平。經過詳細的鉆探，研究人員確定了兩個主要的富集區。其中一個富集區的厚度約為0.5到1米，含鈾量超過了20%，是平均水平的40倍以上。只有在這種高含鈾量的區域才有可能發生鏈式裂變反應。
另一個富集區長達14米，寬度約為1米，其中一部分含鈾量超過40%。在這個富集帶周圍，含鈾量迅速下降，距離10厘米遠處，含鈾量降至5%，隨后進一步降至1%。對第二個富集區中的鈾進行同位素分析表明，該區域鈾-235的貧化現象明顯，而在較遠處，同位素組分基本正常。研究表明，這個富集帶實際上是一個反應區。對采樣的礦石進行分析后，發現鈾-235的貧化程度與含鈾量之間存在對應關系，即鈾-235的貧化主要發生在含鈾量高的礦石中。
在礦坑的北端有兩個主要的富集區，分別被開采了大約150平方米和300平方米。這兩個區域相距約30米，其中第一個區分布較為分散，第二個區則相對集中。在更南邊約40米的位置，還有一個較小的第三富集區，位于尚未開采的區域內。此外，后來又發現了另外三個富集區，在奧克洛礦中共發現了六個反應區。
應用領域
鈾的裂變同位素23?Ｕ在核能發電、核彈制造等領域有著十分重要的作用。天然鈾在有機催化領域等也具有較大的作用。
軍事領域
23?Ｕ豐度達到80%以上可用于制造核武器，如鈾核彈、原子彈等；貧鈾，即23?Ｕ豐度在0.2%到0.4%之間，可用于生產貧鈾武器，如貧鈾彈。
貧鈾可用于制造高密度穿甲彈，具有高密度、高硬度和自燃性，使用中高速擊中目標，能夠有效摧毀重裝甲目標。此外，鈾還可制造儲存或運載放射性物質的容器外殼，起到阻擋輻射的作用。雖然鈾本身具有放射性，但其高密度的性質使它能夠有效阻擋強烈的輻射，如鐳元素等。
鈾核彈具有兩種形式，一種為僅使用23?Ｕ制成；另一種使用經23?U轉化形成的23?Pu。后者更為復雜，具有更強的爆炸力。
核電站
鈾具有核裂變的特性，是核燃料與核武器的理想原材料。與煤炭相比，鈾在裂變時會放出大量的能量。千克23?Ｕ全部裂變釋放的能量與2500噸標準煤燃燒后釋放的能量相同，且與燃煤相比污染更小。23?Ｕ豐度達到3%～5%之間可應用于民用核電領域。當前世界上發達國家中至少三分之一的電力來自核能發電，其中法國最為依賴核能發電，其核電能占據了全國總電能的百分之八十。核反應堆還可以用作輻照源，在農業領域發揮作用，同時還能在醫藥方面用于放射治療、放射免疫藥盒、造影診斷等，在工業和地質等方面用于工業探傷、自動控制、地質勘探和文物考古等。
有機催化
四價鈾配位化合物可作為催化劑，實現分子內氨基對烯烴和炔烴的氨基環化，還可以實現了末端炔烴和硫醇的加成反應。六價鈾，鈾酰陽離子[UO?]2?具有吉爾伯特·路易士酸性，可實現了硫醇的Michael加成，還可以實現芳基酰胺脫水等有機催化轉化反應。
地球科學
鈾的同位素在地球科學領域具有重要作用。U-Th‐Pb同位素體系可用于進行地質年代學鑒定，還可用于探究地球以及天體的年齡和演化歷史，用于示蹤巖漿熱演化歷史和沉積物源示蹤研究等。鈾在顆粒破碎年齡計算、物源示蹤、地表風化等方面均有著重要作用，可為生命演化問題提供新的研究視角。
影響
人們對于奧克洛現象的存在條件，遠不能說已經徹底搞清楚了，在較后的地質年代是否存在，也還需要仔細地探索。但是，奧克洛現象的發現，對于研究太陽系物質和地球早期的歷史演化，對于同位素學和地球化學，都有極其重要的價值。同時對于原子能工業的發展，對研究核反應堆的運行機制和令人頭痛的核廢料的處理也是很有啟發的，它告訴人們，在適當的地質構造中，可以儲存放射性廢物，讓它們自發衰變，直至消耗殆盡。
參考資料 >
Oklo, an Experiment in Long-Term Geologic Storage.researchgate.2024-09-07
遇見地球上20億年前 已知天然核反應堆——奧克洛.www.iaea.org.2024-03-06
道法自然?天然核反應堆或啟發人類安全處理核廢料.微信公眾平臺.2024-09-08
天然裂變反應堆——奧克洛現象.世界科學.2024-09-12
[謎團] 誰留下的核反應堆?.福州新聞網.2024-09-13
Nuclear Weapon Design.archive.2023-05-12