誰啟動了20億年前的核反應堆

1、誰啟動了20億年前的核反應堆1972年5月，法國一座核燃料處理廠的一名工人注意到了一個奇怪的現(xiàn)象。當時他正對一塊鈾礦石進行常規(guī)分析，這塊礦石采自一座看似普通的鈾礦。與所有的天然鈾礦一樣，該礦石含有3種鈾同位素──換句話說，其中的鈾元素以3種不同的形態(tài)存在，它們的原子量各不相同：含量最豐富的是鈾238；最稀少的是鈾234；而人們垂涎三尺，能夠維持核鏈式反應（chainreaction）的同位素，則是鈾235。在地球上幾乎所有的地方，甚至在

2、月球上或隕石中，鈾235同位素的原子數(shù)量在鈾元素總量中占據(jù)的比例始終都是0.720%。不過，在這些采自非洲加蓬的礦石樣品中，鈾235的含量僅有0.717%！盡管差異如此細微，卻引起了法國科學家的警惕，這其中一定發(fā)生過某種怪事。進一步的分析顯示，從該礦采來的一部分礦石中，鈾235嚴重缺斤短兩：大約有200千克不翼而飛――足夠制造6枚原子彈。接連幾周，法國原子能委員會（FrenchAtomicEnergyCommission，簡寫為CEA）

3、的專家們都困惑不已。直到有人突然想起19年前的一個理論預言，大家才恍然大悟。1953年，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的喬治W韋瑟里爾（GegeW.Wetherill）和芝加哥大學的馬克G英格拉姆（MarkG.Inghram）指出，一些鈾礦礦脈可能曾經(jīng)形成過天然的核裂變反應堆，這個觀點很快便流行起來。其后不久，美國阿肯色大學的一位化學家黑田和夫（PaulK.Kuroda）計算出了鈾礦自發(fā)產(chǎn)生“自持裂變反應”（selfsustainedfi

4、ssion）的條件。所謂自持裂變反應，即可以自發(fā)維持下去的核裂變反應，是從一個偶然闖入的中子開始的：它會誘使一個鈾235原子核發(fā)生分裂，裂變產(chǎn)生更多的中子，又會引發(fā)其他原子核繼續(xù)分裂，如此循環(huán)下去，形成連鎖反應。黑田和夫認為，自持裂變反應能夠發(fā)生的第一個條件就是，鈾礦礦脈的大小必須超過誘發(fā)裂變的中子在礦石中穿行的平均距離，也就是0.67米左右。這個條件可以保證，裂變的原子核釋放的中子在逃離礦脈之前，就能被其他鈾原子核吸收。第二個必要條件

5、是，鈾235必須足夠豐富。今天，即使是儲量最大、濃度最高的鈾礦礦脈也無法成為一座核反應堆，因為鈾235的濃度過低，甚至連1%都不到。不過這種同位素具有放射性，它的衰變速率比鈾238快大約6倍，因此在久遠的過去，這種更容易衰變的同位素所占的比例肯定高得多。例如，20億年前奧克羅鈾礦脈形成的時候，鈾235所占的比例接近3%，與現(xiàn)在大多數(shù)核電站中使用的、人工提純的濃縮鈾燃料的濃度大致相當。第三個重要因素是，必須存在某種中子“慢化劑”（mode

6、rat），減慢鈾原子核裂變時釋放的中子的運動速度，從而使這些中子在誘使鈾原子核分裂時，更加得心應手。最終，礦脈中不能出現(xiàn)大量的硼、鋰或其他“毒素”，這些元素會吸收中子，因此可以令任何核裂變反應戛然而止。最終，研究人員在奧克羅和鄰近的奧克羅班多地區(qū)的鈾礦中，確定了16個相互分離的區(qū)域――20億年前，那里的真實環(huán)境，居然與黑田和夫描繪的大致情況驚人地相似。盡管這些區(qū)域早在幾十年前就被全部辨認出來，但是遠古核反應堆運轉(zhuǎn)過程的種種細節(jié)，直到最近

7、才被我和同事徹底揭開。輕元素提供證據(jù)重元素分裂產(chǎn)生的輕元素提供了確鑿無疑的證據(jù)：奧克羅鈾礦在20億年前確實發(fā)生過自持核裂變反應，而且持續(xù)時間長達數(shù)十萬年。奧克羅的鈾異常情況被發(fā)現(xiàn)之后不久，物理學家就確定，天然的裂變反應導致了鈾235的損耗。一個重原子核一分為二時，會產(chǎn)生較輕的新元素。找到這些元素，就等于找到了核裂變確鑿無疑的證據(jù)。事實證明，這些分裂產(chǎn)物的含量如此之高，因此除了核鏈式反應以外，不可能存在其他任何解釋。這場鏈式反應很像194

8、2年恩里科費米（EnricoFermi）及其同事所做的那場著名演示（當時他們建成了世界上第一座可控原子核裂變鏈反應堆），反應全靠自己的力量維持運轉(zhuǎn)，只是時間上提早了20億年。前發(fā)現(xiàn)的所有天然礦物之中，這些顆粒中的氙濃度是最高的。第二個令人驚訝之處在于，與通常由核反應產(chǎn)生的氣體相比，萃取出來的氣體在同位素組成上有顯著的不同。核裂變一定會產(chǎn)生氙136和氙134，但在奧克羅礦石中，這兩種同位素似乎缺失嚴重，而其他較輕的氙同位素含量則變化不大。

9、同位素構(gòu)成比例上的這種差異是如何產(chǎn)生的呢？化學反應無法提供答案，因為所有同位素的化學性質(zhì)都完全相同。那么核反應，比如說中子俘獲過程（neutroncapture），能不能給出解釋呢？經(jīng)過仔細分析，我和同事們把這種可能性也排除了。我們還考慮過不同同位素的物理分選過程：較重的原子移動速度比較輕的原子稍慢一些，有時它們就會相互分離開來。鈾濃縮裝置就是利用這個過程來生產(chǎn)反應堆燃料的，不過需要相當高的技術水平才能建造出這樣的工業(yè)設備。即使自然界能

10、夠奇跡般地在微觀尺度上創(chuàng)造出類似的“裝置”，仍然無法解釋我們所研究的磷酸鋁顆粒中混合在一起的氙同位素比例。舉例來說，如果確實發(fā)生過物理分選的話，考慮到現(xiàn)有的氙132的含量，氙136（比氙132重4個原子質(zhì)量單位）的缺失，應該是氙134（比氙132重2個原子質(zhì)量單位）的兩倍。但實際上，我們并沒有看到那樣的模式。絞盡腦汁之后，我們終于想通了產(chǎn)生氙同位素構(gòu)成比例異常的原因。我們所測量的所有氙同位素都不是鈾裂變的直接產(chǎn)物。相反，它們是放射性碘同

11、位素衰變的產(chǎn)物，碘則由放射性碲衰變而來，而碲又由別的元素衰變產(chǎn)生，這是一個著名的核反應序列，最終的產(chǎn)物才是穩(wěn)定的氙氣。我們的突破點在于，我們意識到奧克羅樣品中不同的氙同位素產(chǎn)生于不同的時期，它們所遵循的時間表由它們的母元素碘和再上一代的元素碲的半衰期所決定。某種特定的放射性前體（precurs，即一系列反應過程的中間產(chǎn)物）存在的時間越長，它們形成氙的過程就被拖延得越久。例如，在奧克羅的自持裂變反應開始后，氙136僅過了大約1分鐘就開始生

12、成；一個小時后，稍輕一些的穩(wěn)定同位素氙134出現(xiàn)；接下來，在裂變開始的若干天后，氙132和氙131登場亮相；最終，幾百萬年之后，氙129才得以形成――此時，核鏈式反應早已停止很久了。如果奧克羅礦脈一直處于封閉狀態(tài)，那么在它的天然反應堆運轉(zhuǎn)期間積聚起來的氙氣，就會保持核裂變所產(chǎn)生的正常同位素比例，并一直保存至今。但是，科學家沒有理由認為，這個系統(tǒng)會是封閉的。實際上，有充分的原因讓人猜想，它不是封閉的。奧克羅反應堆可以通過某種方式自行調(diào)節(jié)核

13、反應，這個簡單的事實提供了間接的證據(jù)。最可能的調(diào)節(jié)機制與地下水的活動有關：當溫度達到某個臨界點時，水會被煮沸蒸發(fā)掉。水在核鏈式反應中起到了中子慢化劑的作用，如果水不見了，核鏈式反應就會暫時停止。只有當溫度下降，足夠的地下水再次滲入之后，反應區(qū)域才會繼續(xù)開始發(fā)生裂變。這種關于奧克羅反應堆如何運轉(zhuǎn)的說法強調(diào)了兩個要點：第一，核反應很可能以某種方式時斷時續(xù)地發(fā)生；第二，必定有大量的水流過這些巖石――足夠沖洗掉一些氙的前體，比如可溶于水的碲和碘

14、。水的存在有助于解釋這樣一個問題：為什么大多數(shù)氙現(xiàn)在留存于磷酸鋁顆粒中，而沒有出現(xiàn)在富含鈾元素的礦物里――要知道，裂變反應最初是在這里生成那些放射性前體的。氙氣不會簡單地從一組早已存在的礦物中遷移到另一組礦物里――在奧克羅反應堆開始運轉(zhuǎn)之前，磷酸鋁礦物很可能還不存在。實際上，那些磷酸鋁顆?？赡苁蔷偷匦纬傻?，一旦被核反應加熱的水冷卻到300℃左右，磷酸鋁顆粒就會形成。在奧克羅反應堆運轉(zhuǎn)的每個活躍期和隨后溫度仍然很高的一段時間里，大量的氙氣