铀－“化石”反应堆

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地球上存在着各种各样的天然核转变过程：例如放射性衰变，自发裂变，中子诱发裂变以及其它许多类型的核反应。这些核转变过程，释放出巨大的能量，它们是地球演化的主要内部能源。最重的天然元素铀，在这方面起着十分重要的作用：

    首先，对于衰变能而言，只有那些半衰期与地球年龄相当的放射性同位素，才对地球的演化具有实际意义，这类同位素为数并不多，而铀238和铀235就是其中的两种(其它还有钍232和钾40等)；第二，天然存在的自发裂变元素只有两种，铀就是其中一种(另一种是钍)；第三，铀235是唯一天然存在的能在中子作用下发生裂变(中子诱发裂变)的同位素。尤其值得指出的是，计算表明，在地球历史开始的三十亿年内，铀235的中子诱发裂变能，是各种核转变能中最重要的能源。

    核转变能的考虑，使地球的演化学说发生了根本性的变革。这里我们不打算讨论这方面的各个细节，而只是向读者扼要地介绍一下饶有趣味的天然反应堆问题。

    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，这是开天辟地第一个核反应堆。但是有谁知道，实际上早在大约十八亿年前，天然的反应堆就开始在地球上运行了。

    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，就埋藏着六个天然反应堆的遗迹—“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，在地下沉睡了十八亿年，终于在1972年被法国的科学工作者所揭露。

    存在天然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，最大偏差也过不了千分之一。这样看来鲍齐奎斯的工作是相当乏味的，成天就跟那些与0.7202％相差无几的数据打交道。

    但是，1972年5月的一天，当鲍齐奎斯和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千分之四。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含量显着偏低。于是，他们对其它一些绝对不会被贫化铀沾污的样品作了分析，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。

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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？

    铀同位素的组成在整个太阳系的范围内都是相当恒定的，不仅对于地球样品是如此，就是对于月球样品和许多陨石样品也是如此。普通的物理和化学过程可使铀从一个区域迁移到另一个区域，使分散的铀集中(当然也可使集中的铀分散)。所有的铀矿，包括奥克洛铀矿在内，都是以这样的方式形成的。然而这样的过程对于铀235和铀238的作用是相同的，不能引起铀235的显着贫化或浓缩。也就是说，这样的过程不能使奥克洛铀矿中的铀235贫化如此之多。

    随着研究工作的深入，问题逐渐明朗化了。原来，短缺的铀235不是由于普通的物理和化学过程迁移走的，而是由于核物理过程(裂变)在原地破坏的。奥克洛铀矿的富铀矿体中，铀235大大贫化，同时含有大量的裂变产物元素。这些元素的同位素组成与正常的同位素组成很不一样，而与由核裂变产生的同位素组成极为一致。

    种种证据都表明，在遥远的过去，奥克洛铀矿中曾有六个富铀区域以天然反应堆的形式运行过。法国的科学工作者经过三个月的精心侦探，终于证实：是大自然，而不是人，构筑了地球上的第一座核裂变链式反应堆；人不是反应堆的发明者，而是大自然的不自觉的模仿者。

    在法国科学工作者宣布发现奥克洛天然反应堆时，不少人，尤其是一些核物理学家曾对此消息抱有怀疑：费米等一批世界上最优秀的物理学家，对材料的纯度、结构的几何配置等，作了异常精心的考虑之后，才在芝加哥大学建成了一座核裂变链式反应堆，难道大自然有同样的能力构筑这样的反应堆吗？

    表面上看来，似乎确实是不可能的。要造成核裂变链式反应，首先要有相当大量浓度很高的铀；其次，由于天然铀中只含有0.72％的铀235，只有用重水作慢化剂才有可能达到临界；第三，即使上述两个条件满足了，也并不等于真能达到临界了，还必须使铀与慢化剂之间有某种适宜的几何配置。显然，自然界虽有浓度很高的铀矿存在，但是自然界从未存在过足够纯的重水。

    那么，奥克洛反应堆的遗迹究竟是从何而来的呢？或许是很早以前，遥远的天外来客丢弃在地球上的废核燃料吧！这种想法过于浪漫了一点。其实，我们完全用不着借助于天外来客，而只要回到十八亿年前，就可以对“化石”反应堆的来源作极为合理的解释了。

    我们知道，铀235的半衰期约为7亿年，铀238的半衰期约为45亿年，也就是说，铀235要比铀238衰变得快得多，因此越是在地球历史的早期，天然铀中铀235的含量就越高。

    经计算很容易得知，铀中铀235的含量在7亿年前为1.3％，在10亿年前为1.6％，在14亿年前为2.3％，在21亿年前为4.0％，在28亿年前为7.0％，在地球形成时为17％。象奥克洛那样在十八亿年前形成的古老铀矿，开始时铀中的铀235含量约为3％。铀中的铀235含量这么高，根据反应推理论，只要用普通水作慢化剂，就有可能达到临界了。那么，再加上其它合适的条件，天然链式反应就完全有可能发生了。

    问题的关键就在于铀中铀235含量的不同：芝加哥反应堆使用的铀，铀235的含量只有0.72％，而十八亿年前奥克洛反应堆的铀，铀235的含量却高达3％。因此，核物理学家要是处在十八亿年前，他们就会发现，反应堆的建造要比现在容易得多了。

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经详细研究得知，奥克洛矿富铀矿体的厚度约为1米，长度约为100米，平均铀浓度约为25％；链式反应涉及了约500吨以上的铀，持续了5000到1500000年；反应期间释放了大约相当于1000亿度电的能量。

    关于天然链式反应的控制机制，一般认为水作为慢化剂在其中起着决定性的作用。我们可以设想，反应堆是这样运行的：链式反应首先以一系列局部“核火”的形式发生，开始只局限于反应区内最富铀的“热斑”处。以后，随着硼等毒物元素(吸收中子能力很大的元素)的“烧掉”，这种核火逐渐蔓延到铀浓度较小的邻近区域，产生的热量大大增加。

    此时，起慢化剂作用的水因沸腾而逐渐除去，致使中子增殖系数逐渐降低，直至链式反应完全停息。过后，由于链式反应的停息，反应堆逐渐冷却下来，液态的水又重新注入反应堆堆芯，使中子增殖系数增加，链式反应重又开始。这样周而复始，链式反应得到了很好的自动控制。

    关于地球历史上存在天然链式反应堆的可能性，也曾有一些科学家预言过。例如，早在六十年代初，我国地质学家侯德封教授就明确指出：“根据铀同位素丰度的计算，20～22亿年前天然铀中的铀235同位素丰度特别高，在岩石中存在有‘慢化剂’(如水、碳等)，根据反应堆中铀产生链式反应的理论计算，在岩石或矿石中有可能产生规模较大的链式反应。”

    这里我们又一次看到了科学预言在科学发展中所起的指导作用。法国科学工作者之所以对天然铀样品中铀235含量的稍稍降低如此敏感，是因为原来就有了关于天然链式反应的科学预言，因而他们迅速而顺利地证实了天然链式反应的存在，而并没有产生象发现铀核裂变时所出现的那种混乱局面。

    “化石”反应堆的研究，无论在科学理论上还是在实践上都有着重要的意义。在地球早期的历史中，天然反应堆为地球演化提供了重要的能源。“化石”反应堆的研究将有助于阐明沉积岩中铀矿床的成因和变化，从而有助于铀矿的查明。

    “化石”反应堆的研究，还可为反应堆的运行和控制机制、材料的长期辐照行为等一系列重要问题提供极有价值的资料。尤其值得指出的是，“化石”反应堆的研究为放射性废物的最终处置指出了一条可能的途径。

    原子能发电有许多优点，但也有它突出的缺点，就是会产生大量的放射性废物。随着原子能事业的不断发展，放射性废物的处置也就成了一个越来越严重的问题。放射性废物如果保存得不好，就会污染环境，危害人类，甚至危及子孙后代。因此，各国科学家一直在为寻找安全处置放射性废物的方法。人们早就设想，把放射性废物埋藏在废弃的探矿井中，但是苦于不知道放射性废物的长期迁移情况。要设计一个实验，来测定放射性废物在数百万年内的迁移情况，显然不是人类的能力所及的。

    然而奥克洛“化石”反应堆已经为我们完成了这样的一个实验，表明放射性废物中的各种有害物质，经过了十几亿年的长期地质作用，仍然相当稳定地保留在原来的地方。这就说明，在适宜的地质建造中埋藏放射性废物，是一种很有希望的最终处置方法。

    奥克洛“化石”反应堆是目前发现的仅有的一批“化石”反应堆，但显然不应该是独一无二的。据估计，在年龄大于10亿年、矿体厚度大于50厘米、铀含量大于20％(重量)的铀矿床中，都有可能发现“化石”反应堆。在加拿大、澳大利亚和美国的一些铀矿中都发现存在“化石”反应堆的迹象。另外，考虑到奥克洛“化石”反应堆是偶然被揭露的，因此不少的“化石”反应堆也有可能已被发掘，但没有引起注意。我们相信，随着时间的推移，一定会有更多的“化石”反应堆陆续被发现。

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这里，我们不禁联想到一个更有趣味的问题，那就是在近代，尤其是在目前，地球上是否有可能存在天然链式反应呢？

    前面已经讲过，由于铀235的同位素丰度目前只有0.72％，在一般条件下，用普通水作慢化剂是不可能使天然铀达到临界的。但是，若有性能更好的慢化剂如石墨存在、并与铀适当配置的话，那么天然链式反应目前看来也并不是绝对不可能发生的，当然发生的几率一定是极其微小的。

    然而，这只是对地壳表层而言的，至于地球深处，情况就要复杂得多了。在那里，由于压力和温度极高，而使地质和地球化学过程，与地表温度和压力不太高的环境有很大的区别，因此，铀或许能以某种特殊的机制得以富集，那么在这种情况下，是否有可能发生天然链式反应呢？

    看来，目前还不应该将这种可能性完全排斥。这是因为，地球深处压力和温度高得很，这对于造成临界是一个非常有利的条件。一方面，压力的增加势必使密度增高，而密度的增高又导致临界质量的减小；另一方面，在高温高压下，水对中子的慢化效果或许要好得多；再则，在此特殊条件下，中子反射体的性能或许能有所改进。因此，这些有利条件的综合，就有希望在地球深处构成一个临界体系。

    上述假说如果真能得到证实，无疑会在地球科学中爆发一场革命，诸如火山活动、深部地震等一类悬而未决的古老问题，将因此而得到更为满意的解释。

    当然，在目前的技术条件下，要验证这一点是非常困难的。看来对于地球内部中微子强度异常的探测，或许有助于这个问题的解决。铀核裂变时，会产生大量β放射性的裂变产物。这些裂变产物衰变时，除放出β粒子外，还会放出一种叫做中微子的基本粒子，中微子具有极强的穿透能力，能毫不费力地穿透整个地球。因此，地球深处若有核链式反应存在，就必然会有强大的中微子流作为链式反应的唯一直接信息，射达地面。可以相信，中微子探测技术的进展，迟早会对这一假说作出最终的检验。