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天然核反应堆:20亿年前的核反应堆之谜

 更新时间:2015-07-15 08:01

20亿年前 核反应堆之谜破解

 奥克洛铀矿天然核反应堆活心区的残留部分

 天然核反应堆:20亿年前的核反应堆之谜 

美科学家发现 史前大自然就拥有核 反应堆由河水自然调节———

  美国《探索》频道4月4日报道了科学家对于20亿年前一核反应堆工作原理的解释。这个神秘而古老的反应堆是在非洲加蓬共和国发现的。在漫长的历史年代中,该反应堆启动了再关闭,关闭了再启动,间歇之间储蓄消耗掉的能量,所以一直维持到了今天,而且反应堆核心区从来没有熔毁的危险。

  物理学家从这个史前天然核反应堆中取出了一小份样品,带回了实验室研究。最终,华盛顿大学的亚历山大·梅利克和同事总结出了它的工作原理:这一核反应堆是由水调节的。奥克洛矿区有河水流过,河水缓缓渗入富含铀的岩床里,扮演了现代核反应堆的控制棒角色(现代核反应堆都是通过控制棒来加快或抑制核裂变反应)。

  河水的渗入加大了铀裂变效率,从而引发了铀裂变的一系列连锁裂变。这种裂变反应会放出大量热量,从而煮沸了岩床上的河水。一旦河水被烘干了,铀裂变就会随之结束。之后慢慢地又有河水渗进岩床,核反应就会再次启动。这样周而复始地进行下去,核反应堆的铀裂变总会在一个适当的时候得到控制,所以不会陷入一发不可收拾的连锁反应而导致核心区熔毁甚至大爆炸。

  新闻背景

  20亿年前的天然核反应堆

  1972年6月,法国一家工厂在使用从非洲加蓬共和国进口的奥克洛铀矿石时,惊讶地发现运来的铀矿石早已被使用过。为了探明真相,许多科学家纷纷来到加蓬奥克洛铀矿考察,不久他们发现了一个不可思议的史前遗迹———20亿年前的核反应堆!该反应堆结构合理,保存完整,而且运转时间长达50万年之久。

  然而在20亿年前,地球才刚刚开始萌发最原始的生命,人类也只是在近二三百万年间才真正出现。那么,是谁创造了这个古老的核反应堆?一时间众说纷纭,但没有一个站得住脚的证据证明它的来历。

20亿年前的核反应堆

1942年,当费米领导下的小组在芝加哥大学一个严格保密的实验室里启动他们的核反应堆时,无论谁都以为,这是开天辟地的第一个核反应堆。但是有谁知道,实际上早在大约18亿年前,核反应堆就开始在地球上运行了。

天然核反应堆:20亿年前的核反应堆之谜

在非洲西海岸四季如夏的赤道附近,加蓬共和国的奥克洛铀矿中,埋藏着六个反应堆的遗迹-- 化石 反应堆。这些反应堆在奥克洛矿的富铀矿体中达到过临界,消耗了部分燃料,然后停息了下来,在地下沉睡了18亿年,终于在1972年被法国的科学工作者所揭露。

这个古老核反应堆的第一个线索是由法国的鲍齐奎斯发现的。鲍齐奎斯是法国彼埃尔拉特气体扩散工厂的一个工作人员,他的工作是对天然铀进料进行常规分析。天然铀中,铀-235含量的精确数值是0.7202%,这个数值是相当恒定的,最大偏差也不超过千分之一。

但是,1972年5月的一天,当鲍齐奎斯跟往常一样对天然铀进料作常规分析时,得到了一个奇怪的结果,一个天然铀样品中铀-235的含量为0.7171%,这个数值比正常的数值偏低。这样大的偏差在很多情况下是微不足道的,但是在这里却具有重要的意义,因为它已远远超出了统计误差所允许的范围。鲍齐奎斯没有放过它,法国原子能委员会也没有忽视它。

这一偏差是怎样产生的呢?开始他们考虑,可能是由于气体扩散工厂的贫化铀 尾料 的沾污所引起的。因为只要有一点点贫化铀混进了天然铀样品,就会使该样品的铀-235含量显著偏低。于是,他们对其他一些绝对不会被贫化铀沾污的样品做了分析,结果发现,这些样品中的铀-235含量也都偏低,这就排除了贫化铀被沾污的可能性。

为了查清产生这一偏差的原因,他们通过生产过程的工艺链,做了一系列的 侦探 工作,从法国的铀处理工厂到加蓬共和国的铀矿石加工工厂,一直追踪到奥克洛露天铀矿。最后终于查明,这个铀-235含量偏低的天然铀样品,确是来自奥克洛铀矿。当他们对该矿的样品进行分析时,十分惊讶地发现,该矿富铀矿体铀样品中的铀-235,竟贫化50%之多。

那么,奥克洛矿的铀为什么会发生贫化呢?短缺的铀-235又到哪里去了呢?

经过再三深入研究与探讨,科学家们十分惊奇地发现:这些铀矿石早已被燃烧过,也就是说早已被人用过!

天然核反应堆:20亿年前的核反应堆之谜

这一重大发现立即轰动了科学界,为彻底查明事情真相,许多科学家纷纷来到加蓬奥克洛铀矿区,进行长时间的考察,终于发现了一个不可思议的史前遗迹--一座古老的核反应堆,这个核反应堆是由6个区域的大约500吨铀矿石组成,它的输出功率很低,只有1000千瓦。经过多年探索,科学界终于认定,奥克洛铀矿的铀-235,是链式反应中生成的 矿渣 是 核反应堆 曾经存在的证据,这表明奥克洛铀矿区的 核反应堆 在20亿年前已经点火工作,运转时间更长达50万年之久。

这简直是不可思议的。要知道,要发生核裂变链式反应,先要有大量高浓度铀-235,而天然铀矿中只含有极少比例的铀-235,即使铀-235足够多,要想使核反应不成为核爆炸,还必须使用中子慢化剂,如重水等。即使上述两个条件满足了,也并不等于真能发生持续的核反应,还必须使铀与慢化剂之间有某种比例的配置。

在人类建造的核电站中,通常都是核裂变反应堆。在这种反应堆中,必须用高纯度浓缩铀或钚为燃料,必须用石墨、重水等慢化剂来获得慢中子。反应堆中必须加装控制棒,使链式反应受人控制,以缓慢释放原子能。如此苛刻的条件,在奥克洛铀矿的 核反应堆 中是如何实现的呢?

有科学家认为,奥克洛铀矿纯粹是大自然的手笔。他们假设:在20亿年前,奥克洛铀矿中铀-235含量比现在高很多,铀-235产生的快中子经过矿石中地下水慢化和控制后,变成了慢中子,使链式反应能以缓慢方式发生。因为当核反应堆的温度太高时,将有更多的水蒸发掉,于是链式反应速度减慢、规模变小,使核反应堆温度降低甚至熄火。在这以后的漫长岁月中,地下水会重新汇聚,使慢中子增多,链式反应加速,核反应堆温度升高,以实现重新点火启动。所以,20亿年来,整个链式反应过程像间歇喷泉一样重复发生。也就是说,奥克洛核反应堆之所以没像原子弹那样爆炸, 功劳 全在于地下水的神奇控制,使之在持续几千年的链式反应中,一直缓慢释放着原子能。

科学家们还为这种论点找到了证据--在奥克洛矿区中找到了高度集中的氙同位素,这是一种只在核反应堆关闭并冷却后才出现的元素。

但是,质疑这种论点的也大有人在。有人认为,地下水毕竟不是重水,用来做核反应堆的慢化剂有点勉强,还有,奥克洛矿区的结构相当合理,保存得也相当完整,似乎并非自然形成,而是有目的地建造而成的。比如,目前的研究结果表明,这个核反应堆有几千米,如此巨大的一个核反应堆,对周围环境的热干扰却局限在反应区周围40米之内。更让人吃惊的是,核反应所产生的废物,并没有扩散,而是局限在矿区周围。与这个20亿年前的大型核反应堆相比,今天人类所能建造的最大的核反应堆,也显得黯然失色。

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