（杨智程，南京理工大学，辐射防护与核安全） 世界上第一个可控式核反应堆于上世纪40年代由费米团队在美国建造而成。可控式核反应堆是人类智慧的结晶，是人类为了控制核裂变反应进行的速度而设计的装置。最早从1896年贝克勒尔发现天然放射性现象，到后来电子，中子，质子的相继发现，再到质能方程的提出与重核裂变反应的发现，可以说，核反应堆的建造几乎汇集了当时世界上所有顶尖科学家辛苦研究的结果。然而，就在上世纪70年代，有科学家发现，在一个极为偏僻落后的地区，竟存在着象征科技文明的核反应堆。更令人惊叹的是，通过科学家的研究发现，这些核反应堆似乎在20亿年前便已存在，而且安稳地运作了几十万年。面对这些存在于几十亿年前设计科学的核反应堆，我们很容易就会脑补一些大片级的画面：远古地球文明爆发全球核战争，而这里就是远古文明隐蔽的核燃料“补给站”，或是外星文明星际旅行时曾造访地球，在此地开采核燃料后离去。事实到底如此？还要从几位科学家的神奇预言开始说起。 首先，核反应堆必须要有核燃料。这一点毋庸置疑。所以反应堆必须在类似于铀矿这类地方。其次，铀矿必须要用到铀235，这是一种铀元素的同位素（铀238也是铀的同位素，铀238因为裂变时需要速度很快的中子，但铀238却在裂变后产生慢中子，所以产生的中子不足以维持自身核反应正常进行，反应就会停止。就像潮湿的木头，可以点燃，却不能继续燃烧。）而且铀235的浓度必须高于某个值（这个值在百分之三左右）核反应才能正常进行。第四个条件，便是铀矿的大小。铀矿不能太小，以至于中子在穿越整个铀矿后都不会与铀结合发生核反应。第五个条件，是反应堆中的中子的数目和状态要合适。中子不能太快，也不能太多，更不能太少。要保持这一点很难，在现代核反应堆中，我们常常会用到中子吸收棒和中子慢化剂。但在遥远的过去，要实现这一点几乎是不可能的。最后一个条件，是反应堆的冷却剂。核裂变反应会产生大量热量，若不加以控制，则会造成堆心熔毁。所以，反应堆需要一种冷却剂，使得反应进行时产生的热量能被及时带走，避免反应堆烧毁。 要同时满足这些条件，几乎是不可能！ 尽管条件如此苛刻，但就像前文所说的一样，世界上确实有这样一个地方。 这里是奥克洛。 奥克洛，位于非洲中西部海岸的加蓬共和国境内。加蓬共和国曾为法国殖民地，以石油，矿业出口为主要经济支柱。众所周知，法国核电一直位于世界领先地位。核能发电是法国最主要的电力来源，核电产生的电力提供了法国所有电力的百分之八十以上。（另外说一句，法国核电站之所以如此之多，与很多因素有关，其中一项便是法国公众信任他们的科学家和工程师。至今，法国核电站都未发生过大规模核泄漏事故。）法国核能产业的迅速发展源于1973年爆发的石油危机。正式处于同时期的1972年，法国科学家从加蓬进口了一批铀矿石准备用于核工业。但科学家们通过仔细分析后发现，用于核裂变反应的铀235浓度与正常情况下的浓度有差别。（事实上，位于地球各处的铀的同位素丰度大致是应该相等的）虽然只有百分之零点几的差别，但这一差别放在一个含有几百吨的铀矿中，带来的后果则是几百千克纯铀235的消失（用于人类战争的世界上第一颗原子弹“小男孩”仅含有铀 可是，关于这个核反应堆运作的具体细节，科学家们也是一头雾水。为什么核反应堆可以源源不断输出能量而不爆炸？是什么在其中起到了关键作用？时间又过了30年。科学家Alex· P·Meshik与他的团队通过惰性气体的分析给了我们这个问题的详细解答。 我们知道，氙是一种重惰性气体，并且很容易被提纯然后进行分析。由于氙的性质很稳定，所以可以被封存在矿物中很久而不发生变化。氙有九种不同的稳定同位素，由不同的核反应过程产生，并且不同的氙的同位素由不同的核反应过程产生。根据氙的这些优良性质，科学家Alex决定选择氙来追溯核反应过程，从而进一步分析铀矿里到底发生了什么。 Alex认为，若核反应堆是封闭运转的，那么由铀裂变产物衰变而来的不同种同位素氙的含量将会符合理论计算的值。但事实并非如此。Alex发现，本该出现在铀附近的氙却更多地出现在了根本不含铀的磷酸铝颗粒中；本该由核裂变大量产生的稳定同位素氙136和氙134却确实严重。排除掉许多可能性，结合核反应堆能够稳定运行的条件，Alex想到了地下水。 Alex想到，或许不同的稳定氙同位素是先由铀裂变的裂变产物，再由不同裂变产物衰变而来。例如，铀235→碘131→氙131，但不同的核反应时间跨度很大，这与物质的半衰期有关，可以达到几百万年之久。而且，正如上文所说，核反应堆需要一种冷却剂，能够及时带走核反应产生的大量热量。同时，核反应堆还需要一种中子慢化剂，能够使得中子速度不至于过快而不与铀核结合。地下水可以做到这些！ Alex指出，或许就是因为地下水的存在，才使得核反应堆具有了自我调节能力。首先，地下水可以作为中子慢化剂在铀矿中起到减慢中子速度的作用。其次存在于铀矿里面的地下水在核反应堆运行至温度过高时会被蒸发。于是核裂变反应将会减慢，矿岩冷却，反应停止。直至地下水重新汇集，慢中子增多，从而重新开启核裂变反应。Alex推测，几十亿年前，核反应堆就是这样间歇性的被神奇地重复启动，关闭了几十万年。同时，氙的放射性前体碘。碲等物质是在氙136生成很久以后才产生的。地下水的存在可以很好的解释，为什么氙136与134缺失严重。氙136与氙134生成的速度较快，在地下水汇集时，氙会被赶走，于是留下来的放射性前体，会在几百万年后生成氙的另外一些同位素——此时核反应堆早已停止了运行。 不得不感叹大自然的鬼斧神工！这是一个多么精彩的世界！ 正是如此多的精妙的巧合与意外，才为奥克洛带来了这样的神奇。事实上，在几十亿年前的地球上，能满足自持式核反应的条件并不罕见。如今，天然铀矿的铀235浓度在百分之零点七左右，然而这一数值在几十亿年前的地球将会达到百分之三点几（铀235半衰期为七亿年）——足以用作核反应堆的核燃料。其次，几十亿年前的地球还在处于初生阶段，各种地质演化明显，地下水活动频繁，也为核反应堆的形成提供了外部条件。所以，在世界上的某些隐蔽角落里，也许还存在着一些不为人知的，失落的核能遗迹。
小羊问答时间 Q：核聚变，核裂变，核衰变都有什么区别呀( ⊙ o ⊙ )感觉他们好像。 A: 核聚变是两个较小质量的核聚合成一个较大的核，而核裂变则相反，是一个较大质量的核分裂成两个或多个较小质量的原子。核衰变则是原子核自发放出某些粒子而变成另一种核的过程。原子弹，裂变核电站的能源就是来自于核裂变。根据核聚变原理，人类制造了氢弹，一种威力远大于原子弹的核武器。以及人类正在研究的核聚变反应堆。核聚变反应堆主要是把聚变燃料加热到1亿度以上高温，让它产生核聚变，然后利用热能。
Q：为什么说地球上的铀浓度都相等啊？他们不是分布在各个地方吗？ A：这是一个有意思的问题。首先我们来思考一个问题。地球上的铀来源于何方？在上个世纪，天文学家乔治·伽莫夫（George Gamov）发现了产生在宇宙中的轻元素的核反应。后来，天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）完成了有关元素起源的先驱工作。Hoyle坚信，在星星核心内部进行核反应，可以将更多的质子和中子加到氢和氦中，产生所有元素，至少直到铁元素为止。但是由于质子会互相排斥以及结合能等问题，一般的恒星无法满足合成超过铁的条件。后来，他想到了更大的恒星，以及超新星。他认为，当巨星剧烈地崩溃时，产生的几亿度高温足以合成更大质量的元素，然后，生成的元素将会从巨星的大气中抛出来。也就是说，按照Hoyle的理论，我们地球上的金，银，铜，铁，铀等或许都是来源于几十亿年前的超新星爆炸。具体来说，或许我们的地球就是几十亿年前消亡的星星得尘埃所构成的。而地球上的铀，虽然散落于不同地方，却很可能就是一次超新星爆发遗留下来的礼物。所以铀235在无外界条件影响下，状态是相同的，从而世界各地的铀235浓度大致相等。这样才会导致法国科学家在分析铀235浓度时仅通过百分之零点几的差异而发现铀矿的铀235有被使用过的痕迹。（每当我意识到我鼻子上架着一个由来自于几十亿年前超新星爆发，穿越了大半个宇宙的金属材料做成的眼镜架时，我便欣喜不已。然而我却很少意识到，组成我本身的元素就是来自于一百三十七亿年前的一次大爆炸。就组成我的元素的历史而言，我都已经可以进入博物馆了。但是，或许博物馆又与我同岁呢？哈哈。） |
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