“化石”反应堆

“化石”反应堆

地球上有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他许多类型的核反应。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，对于衰变能来说，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（其他还有铀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30亿年内，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18亿年前，天然的反应堆就开始在地球上运行了。

终年炙热的赤道附近，在非洲西海岸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18亿年，终于在1972年被法国的科学工作者所揭露。

法国的鲍齐奎斯首先发现存在着天然反应堆的线索。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。

然而，当鲍齐奎斯于1972年5月的一天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0．3171%，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。

这一偏差是如何产生的呢？开始他们考虑，可能是由于气体扩散工厂的贫化铀“尾料”的玷污所引起的。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玷污的样品作了分析，结果发现，这些样品中的铀235含量也都偏低，这就排除了贫化铀玷污的可能性。

为了弄清导致这一偏差的原因，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？

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的显著贫化或浓缩。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，答案越来越明朗化了。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。

在法国科研人员宣布发现奥克洛天然反应堆时，有很多人，尤其是一些核物理专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？

从表面上看，这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。

那奥克洛反应堆是从哪里走来的呢？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18亿年前，就可以对“化石”反应堆的来源作极为合理的解释了。

正如我们所知，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。

经过计算很容易得知，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%。像奥克洛那样在18亿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，根据反应堆理论，只要用普通水作慢化剂，就有可能达到临界了。那么，再加上其他合适的条件，天然链式反应就完全有可能发生了。

其实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18亿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18亿年前，他们就会发现，反应堆的建造要比现在容易得多了。

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5 000到1 500 000年；反应期间释放了大约相当于1 000亿度电的能量。

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20世纪60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。”

科学预言在科学发展中具有很强的指导作用。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，而并没有产生像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，在科学理论上和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。

核能发电有许多优点，但也有它突出的缺点，就是会产生大量的污染性很强的放射性废物。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。

不过奥克洛“化石”反应堆也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。

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。

要验证这一点在目前的技术条件下恐怕是难以实现的。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。