誰啓動瞭20億年前的核反應堆撰文 亞曆剋斯‧P‧梅希剋(Alex P. Meshik)翻譯 波特20億年前 十幾座天然核反應堆神秘啓動 非洲20億年前天然核反應堆揭秘[附圖] - 趣味新聞網

發表日期 2006-12-28T15:41:31+08:00

     誰啓動瞭20億年前的核反應堆

撰文 亞曆剋斯‧P‧梅希剋(Alex P. Meshik)

翻譯 波特

20億年前，十幾座天然核反應堆神秘啓動，穩定地輸齣能量，並安全

運轉瞭幾十萬年之久。為什麼它們沒有在爆炸中自我摧毀？是誰保証

瞭這些核反應的安全運行？莫非它們真的如世間的傳言那樣，是外星

人造訪的證據，或者是上一代文明的傑作？通過對遺跡抽絲剝繭地分

析，遠古核反應堆的真相正越來越清晰地暴露在我們麵前。

1972年5月，法國一座核燃料處理廠的一名工人注意到瞭一個奇怪的

現象。當時他正對一塊鈾礦石進行常規分析，這塊礦石採自一座看似

普通的鈾礦。與所有的天然鈾礦一樣，該礦石含有3種鈾同位哪裏─

換句話說，其中的鈾元素以3種不同的形態存在，它們的原子量各不

相同：含量最豐富的是鈾238；最稀少的是鈾234；而人們垂涎三尺，

能夠維持核鏈式反應(chain reaction)的同位素，則是鈾235。在地

球上幾乎所有的地方，甚至在月球上或隕石中，鈾235同位素的原子

數量在鈾元素總量中占據的比例始終都是0.720%。不過，在這些採自

非洲加蓬的礦石樣品中，鈾235的含量僅有0.717%！盡管差異如此細

微，卻引起瞭法國科學傢的警惕，這其中一定發生過某種怪事。進一

步的分析顯示，從該礦採來的一部分礦石中，鈾235嚴重缺斤短兩：

大約有200韆剋不翼而飛──足夠製造6枚原子彈。

接連幾周，法國原子能委員會(French Atomic Energy Commission，

簡寫為CEA)的專傢們都睏惑不已。直到有人突然想起19年前的一個理

論預言，大傢纔恍然大悟。1953年，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校

的喬治‧W‧韋瑟裏爾(George W. Wetherill)和芝加哥大學的馬剋‧

G‧英格拉姆(Mark G. Inghram)指齣，一些鈾礦礦脈可能曾經形成過

天然的核裂變反應堆，這個觀點很快便流行起來。其後不久，美國阿

肯色大學的一位化學傢黑田和夫(Paul K. Kuroda)計算齣瞭鈾礦自發

産生『自持裂變反應』(self-sustained fission)的條件。所謂自持

裂變反應，即可以自發維持下去的核裂變反應，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，裂變産生更多的

中子，又會引發其他原子核繼續分裂，如此迴圈下去，形成連鎖反應

。

黑田和夫認為，自持裂變反應能夠發生的第一個條件就是，鈾礦礦脈

的大小必須超過誘發裂變的中子在礦石中穿行的平均距離，也就是

0.67米左右。這個條件可以保証，裂變的原子核釋放的中子在逃離礦

脈之前，就能被其他鈾原子核吸收。

第二個必要條件是，鈾235必須足夠豐富。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。不過這種同位素具有放射性，它的衰變速率比

鈾238快大約6倍，因此在久遠的過去，這種更容易衰變的同位素所占

的比例肯定高得多。例如，20億年前奧剋羅鈾礦脈形成的時候，鈾

235所占的比例接近3%，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緻相當。

第三個重要因素是，必須存在某種中子『慢化劑』(moderator)，減

慢鈾原子核裂變時釋放的中子的運動速度，從而使這些中子在誘使鈾

原子核分裂時，更加得心應手。最終，礦脈中不能齣現大量的硼、鋰

或其他『毒素』，這些元素會吸收中子，因此可以令任何核裂變反應

戛然而止。

最終，研究人員在奧剋羅和鄰近的奧剋羅班多地區的鈾礦中，確定瞭

16個相互分離的區域──20億年前，那裏的真實環境，居然與黑田和

夫描繪的大緻情況驚人地相似。盡管這些區域早在幾十年前就被全部

辨認齣來，但是遠古核反應堆運轉過程的種種細節，直到最近纔被我

和同事徹底揭開。


輕元素提供證據

重元素分裂産生的輕元素提供瞭確鑿無疑的證據：奧剋羅鈾礦在20億

年前確實發生過自持核裂變反應，而且持續時間長達數十萬年。

奧剋羅的鈾異常情況被發現之後不久，物理學傢就確定，天然的裂變

反應導緻瞭鈾235的損耗。一個重原子核一分為二時，會産生較輕的

新元素。找到這些元素，就等於找到瞭核裂變確鑿無疑的證據。事實

証明，這些分裂産物的含量如此之高，因此除瞭核鏈式反應以外，不

可能存在其他任何解釋。這場鏈式反應很像1942年恩裏科‧費米

(Enrico Fermi)及其同事所做的那場著名演示(當時他們建成瞭世界

上第一座可控原子核裂變鏈反應堆)，反應全靠自己的力量維持運轉

，隻是時間上提早瞭20億年。

如此令人震驚的發現公布後不久，世界各地的物理學傢便開始研究這

些天然核反應堆的證據，並在1975年加蓬首都利伯維爾的一次特彆會

議上，分享瞭他們關於『奧剋羅現象』的研究成果。第二年，代錶美

國齣席那次會議的喬治‧A‧考恩(George A. Cowan，順便提及，他

是美國著名的聖菲研究所的創建者之一，至今仍是該研究所的成員)

為《科學美國人》撰寫瞭一篇文章(參見1976年7月號喬治‧A‧考恩

所著《天然核裂變反應堆》一文)，文中他講解瞭當時的科學傢對這

些遠古核反應堆運行原理的猜測。

比如，考恩描述瞭鈽239的形成過程──數量更加豐富的鈾238捕獲瞭

鈾235裂變釋放的一些中子，轉變為鈾239，然後再釋放齣兩個電子，

轉化成鈽239。在奧剋羅鈾礦中，曾經産生過超過兩噸的鈽239。不

過這種同位素後來幾乎全都消失瞭(主要是通過天然的放射性衰變，

鈽239的半衰期為2.4萬年)，一些鈽自身也經曆瞭裂變，它所特有的

裂變産物証明瞭這一點。這些輕元素豐富的含量讓科學傢推測，裂變

反應一定持續瞭幾十萬年之久。根據鈾235消耗的數量，他們計算齣

瞭反應堆釋放的總能量，大概相當於1,500萬韆瓦的機器運轉一整年

所消耗的能量；再結閤一些其他的證據，就能推算齣反應堆的平均輸

齣功率：不超過100韆瓦，足夠維持幾十隻烤箱的運作。

十幾座天然反應堆自發工作，並維持著適度的功率輸齣，運轉瞭大約

幾十萬年之久，這確實令人驚嘆。為什麼這些礦脈沒有發生爆炸，沒

有在核鏈式反應啓動後立即自我摧毀？是什麼機製使它們擁有瞭必不

可少的自我調節能力？這些反應堆是穩定運轉，還是間歇式發作？自

奧剋羅現象最初發現以來，這些問題遲遲得不到解答。實際上，最後

一個問題睏擾瞭人們長達30年之久，直到我和我在美國華盛頓大學聖

路易斯分校的同事檢測瞭一塊來自這個神秘非洲鈾礦的礦石之後，謎

底纔被逐漸揭開。


惰性氣體揭露謎底

在奧剋羅反應堆遺跡中，氙同位素的構成比例齣現異常。找齣這種異

常的根源，就能揭開遠古核反應堆的運作之謎。

最近，我們對奧剋羅的一個反應堆遺跡進行瞭研究，重點集中在對氙

氣的分析方麵。氙是一種較重的惰性氣體(inert gas)，可以被礦物封

存數十億年之久。氙有9種穩定同位素，由不同的核反應過程産生，

含量各不相同。作為一種惰性氣體，它很難與其他元素形成化學鍵，

因此很容易將它們提純，進行同位素分析。氙的含量非常稀少，科學

傢可以用它來探測和追溯核反應，甚至用來研究那些發生於太陽係形

成之前的、原始隕石之中的核反應。

分析氙的同位素成分需要一台質譜儀(mass spectrometer)，它可以

根據原子量(atomic weight)的不同而分離齣不同的原子。我有幸可

以使用一台極其精確的氙質譜儀，那是我在華盛頓大學的同事查爾斯

‧M‧霍恩貝格(Charles M. Hohenberg)製造的。不過在使用他的儀

器之前，我們必須先把氙氣從樣品中提取齣來。通常，科學傢隻須將

寄主礦物加熱到它的熔點以上，岩石就會失去晶體結構，無法再保留

內部儲藏的氙氣。為瞭獲得更多關於這種氣體起源和封存過程的資訊

，我們採取瞭一種更加精巧的方法──鐳射萃取法(laser e

xtraction)，它可以有針對性地從礦物樣品的個彆顆粒中釋放齣氙氣

，而不會觸碰周圍其他的部分。

我們可以利用的唯一一塊奧剋羅礦石碎塊僅有1毫米厚、4毫米寬，我

們把這種技術應用到碎塊上的許多微小斑點之上。當然，我們首先需

要決定將鐳射束聚焦到什麼位置。在這方麵，我和霍恩貝格得到瞭同

事奧爾加‧普拉夫迪夫切娃(Olga Pravdivtseva)的鼎力相助，她為

我們的樣本拍攝瞭一張詳盡的X射綫照片，識彆齣瞭候選的礦物。每

次萃取之後，我們都會將得到的氣體提純，然後把氙氣放入霍恩貝格

的質譜儀中，儀器會顯示齣每一種同位素的原子數目。

氙氣齣現的位置令我們大吃一驚，它並不像我們想像的那樣，大量分

布在富含鈾元素的礦物顆粒之中，儲藏氙氣數量最多的竟然是根本不

含鈾元素的磷酸鋁顆粒。非常明顯，在目前發現的所有天然礦物之中

，這些顆粒中的氙濃度是最高的。第二個令人驚訝之處在於，與通常

由核反應産生的氣體相比，萃取齣來的氣體在同位素組成上有顯著的

不同。核裂變一定會産生氙136和氙134，但在奧剋羅礦石中，這兩種

同位素似乎缺失嚴重，而其他較輕的氙同位素含量則變化不大。

同位素構成比例上的這種差異是如何産生的呢？化學反應無法提供答

案，因為所有同位素的化學性質都完全相同。那麼核反應，比如說中

子俘獲過程(neutron capture)，能不能給齣解釋呢？經過仔細分析，

我和同事們把這種可能性也排除瞭。我們還考慮過不同同位素的物理

分選過程：較重的原子移動速度比較輕的原子稍慢一些，有時它們就

會相互分離開來。鈾濃縮裝置就是利用這個過程來生産反應堆燃料的

，不過需要相當高的技術水平纔能建造齣這樣的工業設備。即使自然

界能夠奇跡般地在微觀尺度上創造齣類似的『裝置』，仍然無法解釋

我們所研究的磷酸鋁顆粒中混閤在一起的氙同位素比例。舉例來說，

如果確實發生過物理分選的話，考慮到現有的氙132的含量，氙136(

比氙132重4個原子質量單位)的缺失，應該是氙134(比氙132重2個原

子質量單位)的兩倍。但實際上，我們並沒有看到那樣的模式。

絞盡腦汁之後，我們終於想通瞭産生氙同位素構成比例異常的原因。

我們所測量的所有氙同位素都不是鈾裂變的直接産物。相反，它們是

放射性碘同位素衰變的産物，碘則由放射性碲衰變而來，而碲又由彆

的元素衰變産生，這是一個著名的核反應序列，最終的産物纔是穩定

的氙氣。

我們的突破點在於，我們意識到奧剋羅樣品中不同的氙同位素産生於

不同的時期，它們所遵循的時間錶由它們的母元素碘和再上一代的元

素碲的半衰期所決定。某種特定的放射性前體(precursor，即一係列

反應過程的中間産物)存在的時間越長，它們形成氙的過程就被拖延

得越久。例如，在奧剋羅的自持裂變反應開始後，氙136僅過瞭大約1

分鍾就開始生成；一個小時後，稍輕一些的穩定同位素氙134齣現；

接下來，在裂變開始的若乾天後，氙132和氙131登場亮相；最終，幾

百萬年之後，氙129纔得以形成──此時，核鏈式反應早已停止很久

瞭。

如果奧剋羅礦脈一直處於封閉狀態，那麼在它的天然反應堆運轉期間

積聚起來的氙氣，就會保持核裂變所産生的正常同位素比例，並一直

保存至今。但是，科學傢沒有理由認為，這個係統會是封閉的。實際

上，有充分的原因讓人猜想，它不是封閉的。奧剋羅反應堆可以通過

某種方式v萓瞏楖`核反應，這個簡單的事實提供瞭間接的證據。最可

能的調節機製與地下水的活動有關：當溫度達到某個臨界點時，水會

被煮沸蒸發掉。水在核鏈式反應中起到瞭中子慢化劑的作用，如果水

不見瞭，核鏈式反應就會暫時停止。隻有當溫度下降，足夠的地下水

再次滲入之後，反應區域纔會繼續開始發生裂變。

這種關於奧剋羅反應堆如何運轉的說法強調瞭兩個要點：第一，核反

應很可能以某種方式時斷時續地發生；第二，必定有大量的水流過這

些岩石──足夠衝洗掉一些氙的前體，比如可溶於水的碲和碘。水的

存在有助於解釋這樣一個問題：為什麼大多數氙現在留存於磷酸鋁顆

粒中，而沒有齣現在富含鈾元素的礦物裏──要知道，裂變反應最初

是在這裏生成那些放射性前體的。氙氣不會簡單地從一組早已存在的

礦物中遷移到另一組礦物裏──在奧剋羅反應堆開始運轉之前，磷酸

鋁礦物很可能還不存在。實際上，那些磷酸鋁顆粒可能是就地形成的

，一旦被核反應加熱的水冷卻到300℃左右，磷酸鋁顆粒就會形成。

在奧剋羅反應堆運轉的每個活躍期和隨後溫度仍然很高的一段時間z

翩A大量的氙氣(包括形成速度相對較快的氙136和氙134)會被趕走。

等到反應堆冷卻時，半衰期更長的氙前體(也就是最後會産生目前含

量比較豐富的氙132、氙131和氙129的放射性前體)則會優先與正在形

成的磷酸鋁顆粒結閤起來。隨著更多的水迴到反應區域，中子被適當

地慢化，裂變反應再度恢復，使這種加熱和冷卻的迴圈周而復始地重

復下去。由此産生的結果，就是我們所觀察到的、奇特的氙同位素構

成比例。

什麼力量能讓氙氣在磷酸鋁礦物中留存20億年之久呢？再進一步，為

什麼在某次反應堆運轉期間産生的氙氣，沒有在下一次運轉期間被清

除呢？對於這些問題，我們還沒有找到確切的答案。據推測，氙可能

被囚禁在磷酸鋁礦物的籠狀結構中，這種結構即使在很高的溫度下，

也能夠容納籠中産生的氙氣。盡管具體細節仍不清楚，但不管最終的

答案如何，有一點是明確無誤的：磷酸鋁俘獲氙氣的能力真是令人驚

嘆。


間歇式核反應堆

遠古核反應堆猶如今天的間歇泉，有著天然形成的自我調節機製。它

們在核廢料處置和基礎物理研究方麵，給科學傢們提供瞭全新的思路

。

在搞清瞭觀測到的氙同位素在磷酸鋁中産生的基本過程之後，我和我

的同事們試圖從數學上為這個過程建立一個模型。這個計算揭示瞭有

關反應堆運轉時間的更多資訊，所有的氙同位素都提供瞭大緻相同的

答案。我們研究的那個奧剋羅反應堆每次『開啓』30分鍾，然後再『

關閉』至少2.5小時。這樣的模式猶如我們所看到的一些間歇泉，先是

緩慢地加熱，然後在一場壯觀的噴發中將積蓄的地下水統統蒸騰而齣

，接著再重新蓄水，開始新一輪迴圈，日復一日、年復一年地持續下

去。這種相似性支援瞭這樣的觀點：流經奧剋羅礦脈的地下水不僅充

當著中子慢化劑的角色，還不時會被蒸發殆盡，形成保護這些天然反

應堆不至於自我摧毀的調節機製。在這方麵，這種調節機製十分有效

，數十萬年間zS有發生一次熔毀或爆炸事件。

人們大概會設想，從事核電工業的工程師也許能在奧剋羅學到一兩樣

本事。他們確實能學到東西，不過不一定是有關反應堆設計的，更重

要的也許是處置核廢料的方法。畢竟，奧剋羅就像一個地質儲藏室那

樣運轉瞭如此漫長的時間，這就是科學傢要細緻入微地進行調查的原

因，他們想知道裂變的各種産物如何從這些天然核反應堆中遷移齣來

。他們還仔細檢查瞭另一處類似的遠古核裂變區域，這個地點是通過

勘探鑽井發現的，位於大約35韆米以外的一個叫作班哥貝(Bangombe)

的地方。班哥貝反應堆之所以特彆引人注目，是因為它的埋藏位置比

奧剋羅及奧剋羅班多地區的露天鈾礦更淺，因此在近期有更多的水流

過那裏。總之，調查得齣的結論令我們信心倍增：多種危險的核廢料

都能夠成功地被隔離於地下。

奧剋羅還演示瞭一種方法，能夠儲存那些一度被認為肯定會對環境造

成汙染的核廢料。自從核能發電問世以來，核電站産生的大量放射性

氙135、氪85和其他惰性氣體，都被釋放到大氣之中。天然裂變反應

堆錶明，磷酸鋁礦物擁有一種獨一無二的能力，能夠俘獲和儲存這些

氣體廢料達幾十億年之久，把這些廢氣封存在這種礦物之中也許是可

行的。

奧剋羅反應堆還嚮科學傢們透露瞭這樣的訊息：他們曾經認定為基本

物理常數的α(阿爾法，控製著諸如光速這樣的宇宙參數)，可能曾發

生過改變。過去30年來，發生在20億年前的奧剋羅現象一直被用來駁

斥α曾經發生過改變的觀點。但是2005年，美國洛斯阿拉莫斯國傢實

驗室的史蒂文‧K‧拉濛諾(Steven K. Lamoreaux)和賈斯廷‧R‧托

格森(Justin R. Torgerson)卻根據奧剋羅現象推斷，這一『常數』

確實發生瞭明顯改變(而且十分奇怪的是，他們得齣的常數改變方嚮

與最近其他人得齣的結論相反)。對於拉濛諾和托格森的計算來說，

奧剋羅運轉過程的一些細節十分關鍵，從這個角度上來講，我和我的

同事們所做的工作，也許有助於闡明這個復雜的問題。

加蓬的這些遠古反應堆是地球曾經齣現過的唯一天然反應堆嗎？20億

年前，自持裂變所需的條件並不十分罕見，有朝一日，我們或許能夠

發現其他的天然反應堆。我想，一絲洩露天機的氙氣，將給這項搜尋

工作帶來極大的幫助。

《環球科學》2006年第12期

分享鏈接