天然核反應堆
1°23′40″S 13°09′39″E / 1.39444°S 13.16083°E
1. 核反應區域
2. 砂石
3. 鈾礦層
4. 花崗岩
天然核反應堆是指在鈾礦層中發現的鈾的同位素能夠在過去自然發生自持核連鎖反應的一種現象。1956年日裔美籍物理學家黑田和夫預言了在某種條件下存在天然核反應堆的可能性[1]。這種現象由法國物理學家弗朗西斯·佩蘭於1972年在非洲加蓬的奧克洛發現。這些天然核反應堆的自然條件與先前的預言非常相似。
奧克洛是目前世界上唯一已知的曾經自然發生自持的核連鎖反應的地方，共有16處。從大約20億年以前開始反應，斷斷續續反應幾十萬年，在此期間平均輸出功率為100千瓦。[2][3]
歷史
1953年美國曾有人研究瀝青鈾礦時做過一個粗略的預測，認為20億年前，當鈾235的豐度是3%時，沉積的鈾礦更接近於能運行的反應堆[4]。1956年黑田和夫則進一步預言，如果核反應所需的濃度、可能發生的過去時間以及鈾235與鈾238的比率都滿足的話，自發的核反應可能在自然界發生[1]。但是他並不認為地球上能夠找到同時滿足這些特殊條件的地方[4]。
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（Dr. Bouzigue）用常規的質譜分析法對六氟化鈾樣本的分析發現，來自奧克洛河附近鈾礦中鈾235與鈾238兩種同位素的比例失常，正常情況下，鈾235的自然豐度是0.7202±0.0006%，而奧克洛的鈾235自然豐度是0.7171±0.0007%，少了約0.003%[4]。為了防止可以用作核武器的鈾235被偷竊，法國原子能委員會進行了調查，但是所有的環節都沒有發現問題，而且自從1970年開始開採奧克洛鈾礦以來，所有來自這裡的鈾礦樣本都顯示鈾235略少了一點[4]。
進一步調查發現，奧克洛鈾礦的礦層中含有30多種核連鎖反應的副產物。副產物之一的釹，其同位素釹142不是裂變產生的，從而可以確定奧克洛鈾礦中自然釹在核反應開始之前的豐度，進而確定核反應的效果和時間。最後認為由於奧克洛特殊的地質條件導致了從20億年前開始的天然核反應[4]。
為了作進一步的地質化學調查，奧克洛鈾礦的開採在1972年暫停了一段時間。最後在奧克洛發現了14座已經停止了核反應的古反應堆遺址，另外還在奧克洛南邊的班貢貝發現了一座[4]。
在非洲和美國科羅拉多的其他遺址也發現了鈾235不足的現象，但是都還沒有確認它們是天然核反應引起的[4]。
裂變產物釹和釕的同位素特徵
釹和釕兩種元素同位素豐度的異常可以證明自持性裂變核反應曾在奧克洛鈾礦發生。
釹
奧克洛鈾礦釹的同位素特徵不同於地球其他地方的釹元素。比如，正常的釹元素含有27.2%的142
Nd
和12.2%的143
Nd
。但在奧克洛樣品中，142
Nd
的含量低於6%，143
Nd
的含量卻很高。奧克洛鈾礦釹的142
Nd
豐度低於天然釹，是因為142
Nd
的前體142
Ce
是個長壽核素，在奧克洛天然反應堆停堆後尚未完全轉變成142
Nd
。
釕
奧克洛鈾礦釕的同位素特徵不同於地球其他地方的釕元素：其99
Ru
的豐度（27-30%）遠遠超出天然釕中99
Ru
的豐度（12.7%）。這是因爲100
Ru
的前體100
Mo
是個長壽核素，在奧克洛天然反應堆停堆後沒有時間完全轉變成100
Ru
，導致100
Ru
豐度偏低。
天然核反應堆的機理
在大約20億年前，地球上的鈾235相對豐度在3%左右，在特殊的條件下，正好能夠啟動核連鎖反應。奧克洛鈾礦源於地球形成時沉積在地殼中的鈾。經過不斷的劇烈地質活動，富鈾礦層在花崗岩頂部的砂石層內偶然沉積。又經過數百萬年，鈾礦層頂部近1千米厚的砂石層被沖刷掉。花崗岩呈45°傾斜，這使得斜坡底部雨水和鈾氧化物堆積。20億年前恰好藍綠藻開始生長，它們通過光合作用增加了水中的氧含量，並使一些鈾變成了可溶的氧化物。[4]
當可溶解鈾的濃度達到10%後，核反應便能夠啟動，這個臨界狀態開始於18.4±0.7億年。為了不讓能夠保持反應的中子逃逸，礦層至少需要0.5米厚。同時，鈾235自發裂變時產生快中子，而鈾235要進行鏈式反應，需要吸收熱中子。要將快中子的速度降低下來，就需要中子減速劑。液態水正好充當了這個角色。當自持性鏈式反應開始時，反應堆溫度升高（大多數研究者認為反應堆的溫度應當在200-400℃之間），水被汽化，熱中子的數量下降使核反應速度下降。於是反應堆溫度降低，水蒸氣又凝結為液態水，熱中子的數量上升，再次引發自持性鏈式反應。就這樣，水作為核反應的緩衝劑，以穩定的自我調節方式，使核連鎖反應斷斷續續的間歇進行了近100萬年。核反應最終停止之前，連鎖反應的持續時間變化不定，從幾年到幾千年，反應堆的運作壽命跨度是22.9±7萬年。在奧克洛礦層範圍內的6個地址共有約1噸鈾235被裂變掉。[4]
與精細結構常數的關係
奧克洛天然核反應堆已被用來檢驗過去20億年來精細結構常數α是否發生改變的可能性。因為α能夠影響到各種核反應的速度。例如釤149俘獲一個中子生成釤150和一個光子的反應，α對中子的俘獲率會產生影響。從奧克洛鈾礦樣本中取得兩種釤同位素的比值就可以計算20億年前的α值。[4]大部分對此的研究認為現在的α值與20億年以前相比沒有變化[5] [6]，或者說只允許沒有變化[4]。
但是另一方面，數據樣本的質量和反應堆溫度的不確定性使得還不能完全排除α值發生變化的可能性[4]。此外，考慮到範圍廣泛的各種理論中，假設電磁力和強作用力的常數按照某種方式變化（例如帶有額外維度空間的卡盧察-克萊因理論，它預言α和強作用力與隨時間變化的額外維度空間的平均直徑的-2次方成比例），α值發生變化的可能性也不能排除。[4]
科幻中的天然核反應堆
在地球上發現的天然核反應堆使人幻想其他星球說不定也可能存在同樣的現象。天文學家弗萊德·霍伊爾在其科幻小說《哈雷彗星》(Comet Halley)中，講述彗星上的生命如何依靠彗核內的天然核反應發展的故事[7][4]。
參考文獻
- ^ 1.0 1.1 Kuroda, P. K. On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals. The Journal of Chemical Physics. 1956-01-01, 25 (4): 781. doi:10.1063/1.1743058.
- ^ Meshik, A. P. The Workings of an Ancient Nuclear Reactor. Scientific American. November 2005. （原始內容存檔於2009-02-27）.
- ^ Gauthier-Lafaye, F.; Holliger, P.; Blanc, P.-L. Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical event" in a geologic system. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1996, 60 (25): 4831–4852. doi:10.1016/S0016-7037(96)00245-1.
- ^ 4.00 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 4.07 4.08 4.09 4.10 4.11 4.12 4.13 約翰·巴羅. 大自然的常数：从开端到终点. 陸棟. 上海: 上海譯文出版社. 2006-04: 240–258. ISBN 7532738019.
- ^ Eugenie Samuel Reich. Speed of light may have changed recently. New Scientist. 30 June 2004 [2011-03-16]. （原始內容存檔於2010-08-29）.
- ^ Petrov, Yu. V.; Nazarov, A. I., Onegin, M. S., Sakhnovsky, E. G. Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core. Physical Review C. 2006, 74 (6): 064610. doi:10.1103/PHYSREVC.74.064610.
- ^ Hoyle, Fred. Comet Halley : a novel in two parts 1st U.S. ed. New York: St. Martins Press. 1985. ISBN 0-312-15098-9.
