【未解之謎】遠古科技:20億年前核反應堆

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大家好,我是扶搖

今天我們來給大家介紹個非常稀罕的物件,20億年前的核反應堆,全世界僅此一例。而且它的奇特的運行方式以及核廢料處理方式,令當代科學家都嘖嘖稱奇。

故事得從非洲小國加蓬共和國(Gabon)説起。加蓬位於非洲中西部,早期為法國殖民地,國土面積只有27萬平方公里,人口不到200萬。國家雖小,礦產卻很豐富,有石油、鎂礦、鐵礦、黃金礦、鈾礦等等。加蓬人靠出口這些礦產,比鄰國過得富裕。

1968年法國發現奧克洛(Oklo)地區的鈾礦比較豐富,於是進行挖掘開採。1972年,法國皮埃拉特的一家核燃料廠進口了奧克洛鈾礦石。


一個奇怪的現象就在這時被發現了。

工作人員鮑齊奎斯在對礦石的提煉產品,六氟化鈾進行常規分析時,發現其中鈾-235同位素的含量只有0.717%,而不是應有的0.720%自然含量。接著又測到好幾批來自該礦區的鈾原​​料都有這種偏低的結果。這種異常現象引起了科學家的關注。要知道在地球上幾乎所有的地方,甚至在月球上或隕石中,鈾-235同位素的自然含量始終都是0.720%。

雖然是微⼩的差異,但是意義卻是重大的。它足以令科學家懷疑,奧克洛鈾礦石可能並非自然產品。

難道這些礦石已經過人工處理了?帶著疑惑,科學家們進行了實地調查,發現雖然奧克洛鈾礦是個含鈾量很高的高品位礦,但鈾-235同位素含量在整個礦區平均值僅為0.62%,最低值只有0.296%。這可是相當反常的。

科學家們迅速開展研究,很快就發現了原因所在——核裂變。為什麽呢?因為較重的原⼦核⼀分為⼆時會產生新的輕元素,而這些鈾礦石中輕元素的含量極⾼,除了曾經發生過核裂變之外,沒有別的解釋。也就是說,這些鈾礦石都已經被當作核反應原料利用過了。

這個解釋,把科學家們自己都嚇了一跳。眾所周知,居里夫人發現鈾不過才一百多年的歷史,世界上第一座核能發電廠1956年才於英國誕生。奧克洛鈾礦深埋地下,年代久遠,顯然不會是現代核工業的廢棄物,那會是什麽呢?

勘察結果通報到了法國科學院後,引起了世界各地物理學家的濃厚興趣,專家們紛至沓來,對奧克洛鈾礦進行了各種研究。

1975年6月,國際原子能機構在加蓬首都利伯維爾市組織了專門的學術討論會。物理學家們⿑聚⼀堂分享他們對「奧克洛現象」的研究,最後一致斷定,距今約20億年前在奧克洛礦區曾有16座核反應堆斷斷續續地運行了約50萬年,平均輸出功率⼤致為100千⽡,約能供應幾⼗個烤麵包機運作。

這著實令⼈吃驚。如果這些核反應堆是自然形成的,那麽它們為什麽沒有在核裂變連鎖反應開始後爆炸⽽自毀?是什麼機制使它們能夠⾃我調節穩定不斷地運作了幾十萬年?而放射性核廢料又是怎樣被安全處理的呢?

為了回答上面的問題,四十多年來,科學家做了很多的研究,然而隨著謎題的解開,人們卻越來越傾向於相信,奧克洛核反應堆很可能並非自然形成。

為什麼這麼說呢?我們來看看科學家們所揭示出來的,奧克洛核反應堆三大奇特之處。

超常的鈾含量

鈾-235必須足夠豐富達到臨界質量才能導致核裂變的連鎖反應。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。而根據推算,20億年前奧克洛鈾礦脈形成的時候,鈾-235所占的比例接近4%,與現在大多數核電站中使用的,人工提純的濃縮鈾燃料的濃度大致相當。這也就是説,奧克洛鈾礦很可能也是人工提純的。

神奇的「間歇泉」模式 50萬年不變

這裡,我們先來普及一下核知識:核裂變是從一個偶然闖入的中子開始的。它會誘使一個鈾-235原子核發生分裂,裂變產生更多的中子,然後又會引發其它原子核繼續分裂,如此進行下去,形成連鎖反應。

而要使一個鈾-235核反應堆穩定運作,必須有中子「慢化劑」(moderator)來催化核裂變,還得有「中子毒物」(Neutron poison)來控制核反應速度。二者缺一不可。

鈾-235只有在慢中子的撞擊下才會裂變產生能量,而中子剛從鈾原子中分裂出來的時候速度很快,所以必須存在某種中子「慢化劑」,減慢鈾原子核裂變時釋放的中子速度,這樣才能使核反應繼續下去。一般的核電廠中使用的是輕水或者重水做慢化劑。

同時為了讓核反應堆能穩定運作不至於發生核爆炸,核反應堆會使用「中子毒物」,通過吸收多餘的自由中子,來控制核連鎖反應的速度。這種吸收中子的物質通常置於反應堆的控制棒中。

而奧克洛核反應堆則巧妙地採用了間歇泉模式。俄國科學家艾力克斯·梅席克教授(Alex P. Meshik)的研究表明,奧克洛反應堆是間歇使用的,運作30分鐘,然後⼜關閉⾄少兩個⼩時30分鐘,然後再啟動。它使用地下水做中子慢化劑,使鈾-235裂變時產生的快中子慢化,從而使鏈式核反應持續進行。而核反應釋放出的熱量又加熱了地下水,使其沸騰汽化,然後在⼀次壯觀的噴發中,排出所有沸騰的地下⽔,於是沒有了中子慢化劑,鏈式反應也就停止了。

然後⽔慢慢回到反應區,中⼦受到適當的緩衝,核分裂再度展開,反應堆又開始工作。如此反覆進行,水的不斷流入和沸騰汽化,起到了現代反應堆控制棒的作用,使得反應堆穩定運作幾⼗萬年,沒有出現過任何熔毀或爆炸事件。

然而間歇泉在自然界中是非常罕見的,因為生成條件非常苛刻。除了要有地熱源和地下水之外,還必須有特殊的水文地質結構。地面要有裂隙系統向下直通到地熱處,而且必須要有一種特殊的物質硅華(SiO2),從岩石中溶解並沉積在間歇泉管道系統的內壁上,使之不漏氣,地底產生的壓力才能夠一直被帶到頂部而不洩漏,從而讓水噴發。

而因為地下水的水量和水溫易受周圍環境影響,能穩定保持定時噴發的間歇泉幾乎沒有。目前也只有美國黃石公園的老忠實比較守時。但老忠實也不穩定,1939年時平均間隔時間為66.5分鐘,現在已經逐漸升至90分鐘。照此下去,千年以後,我們大概也就看不到老忠實了。而奧克洛的間歇泉系統卻穩定運作了50萬年,定時噴發,不隨外界因素變化而改變。這背後如果沒有一個智能的控制系統在隨時調整平衡,很難想像是怎樣做到的。

巧妙的核廢料處理方式

大家都知道,核廢料處理在現代核工業中是件非常令人頭痛麻煩的事情。

奧克洛核反應堆有幾公里,如此巨大的一個核反應堆,對周圍環境的熱干擾卻局限在反應區周圍40米之內。更讓人吃驚的是,核反應所產生的廢物,並沒有擴散,而是局限在礦區周圍。這是怎麽做到的呢?

核裂變最危險的副產品之一是放射性銫,如果洩露進土壤或水中,就會引起嚴重的健康問題。美國海軍研究實驗室(US Naval Research Laboratory)的埃文·格羅普曼博士(Evan Groopman)研究發現,奧克洛核反應堆產生的銫卻被巧妙地結合在了另一種裂變產物,釕的分子結構中,從而沒有從古老的核反應堆中洩漏出來。

而另一種核裂變產物,放射性的惰性氣體氙氣,現代核電站一般就是任其釋放到大氣之中。而梅席克教授的研究表明,奧克洛間歇泉的水在噴發後溫度下降時會析出磷酸鋁,磷酸鋁顆粒在形成過程中會捕獲逸出的氙氣,並將其牢牢鎖在自己的結晶體內。

這真是很神奇。是誰發現了釕和磷酸鋁的奇特功效,又是用怎樣巧妙的手段讓那些放射性物質乖乖聽話,自進牢籠的呢?

格羅普曼博士曾經讚歎說,「反應堆中發生的情況奇蹟般地匯集到了一塊,令人難以置信。」這種種精巧的設計背後如果只是來自於大自然一個又一個的巧合,那麽我們只能説是神力所為。

科學家們說,地球的年齡是45億年。而我們人類的有記錄的歷史,大概也就5千年。5千年以前呢?洪荒。洪荒之前呢?無人知曉。可歷史卻是超越我們生命之外永恆的存在。

人們常説,歷史是重複的。如果是這樣,那麽這45億年中曾經會有多少文明,多少人類,在創世、繁榮、沒落與沉寂中輾轉輪回過?

20億年前正當盛年的地球,會是孤單星球嗎?@#

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責任編輯:李維真

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