奧克洛核反應堆

非洲中部加彭共和國的奧克洛由法國物理學家弗朗西斯·佩蘭發現天然核反應堆，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。發現的天然核反應堆的自然條件與預言非常相似。

奧克洛是目前世界上唯一確認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，斷斷續續反應了幾十萬年，在此期間平均輸出功率為100千瓦輸出為3000萬伏特。

基本介紹

• 中文名：奧克洛核反應堆
• 地點：非洲中部加彭共和國的奧克洛
• 發現者：弗朗西斯·佩蘭
• 數量：16

事實真相

關於“奧克洛核反應堆”有不少關於史前文明的說法，這些都是有缺陷的推論，真相是： 1972年，法國從非洲加彭共和國進口一些鈾礦石，準備用於核工業。這些鈾礦石產於奧克洛地區，但是，經過同位素分析後發現，U235的平均濃度竟然只有0.717%，比U235的正常濃度0.72%低得多。當今所有天然鈾含有0.720%的鈾-235。無論你從地殼、月球岩石還是隕石中提取鈾，都會發現情況如此。為了研究這一特殊現象，科學家們到分布為帶狀的奧克洛鈾礦區的各點取樣，然後做同位素分析，又發現了濃度低於0.3%的貧化鈾（U235濃度小於其天然濃度0.72%的鈾）。通過認真的科學研究後發現，在20億年前，由於地質的變遷，有水滲入到奧克洛鈾礦區，從而引發了奧克洛鈾礦中的鈾進行了天然的自持鏈式核裂變反應，從而使奧克洛鈾礦區U235的濃度值嚴重低於正常值。這是人們發現的一例天然（並非人造）核反應堆，被稱之為奧克洛現象。

奧克洛核反應堆

奧克洛核反應堆——科學家考察

奧克洛核反應堆

通常人們以為，在地球上，只有人類建造的“核反應堆”。可是，在非洲西海岸的加彭共和國奧克洛鈾礦，法國工程師鮑齊奎斯發現了奇異的情況。他在1972年6月，對這裡的礦石作出了分析，結果令科學界大吃一驚。經過對鈾礦中一種鈾的同位素鈾235進行常規分析，結果顯得異乎尋常：天然鈾235的含量，比他過去測量所得的數值低。這個數據表明，幾十億年前，這裡的鈾235可能已燃燒過。

發現經過

尋找原因

奧克洛核反應堆

1972年6月，奧克洛的鈾礦石運到了法國的一家工廠。法國科學家對這些鈾礦石進行了嚴格的科學測定，發現這些鈾礦石中能直接作為核燃料的鈾235的含量偏低，甚至低到不足0．3%。而其他任何鈾礦中鈾235的含量理應是0.73%。事實上這種奇特的現象早在二十年前已被科學家們預言。

奧克洛核反應堆

探討和研究

經過再三深入探討和研究，科學家們十分驚奇地發現：這些鈾礦石早已被燃燒過，早已被人用過。這一重大發現立即轟動了科技界。為了徹底查明事實真相，歐美一些國家的許多科學家紛紛前往奧克洛鈾礦區，深入進行考察和研究。經過長時間的共同努力探索，斷定在奧克洛有一個很古老的原子反應堆，又叫核反應堆。這個原子反應堆由6個區域的大約500噸鈾礦石組成，它的輸出功率只有100千瓦左右。據科學家們考證，該礦成礦年代大約在20億年前，原子反應堆在成礦後不久就開始運轉，運轉時間長達50萬年之久。

面對這個20億年前的設計科學、結構合理、保存完整的原子反應堆，科學家們開心不已，因為早在二十年前加州大學的喬治·維色里爾（George W.Wetherill）和芝加哥大學的馬可·英格蘭姆（Mark G.Inghram）就指出20億年前的鈾礦石可能產生天然鏈式反應。在1956年，美國阿肯薩斯大學的日裔核化學家黑田和夫更歸納出了天然核反應堆成立所需要的條件，這些條件，在奧克勞鈾礦的數十個礦床中，有十幾個恰好都符合。

裝置

原子反應堆是使鈾等放射性元素的原子核裂變以取得原子能的裝置。這種裝置絕對不可能自然形成，只能按照嚴格的科學原理和程式，採用高度精密而先進的技術手段和設備，由科學家和專門技術工人來建造，只有用人工的方法使鈾等通過鏈式反應或氫核通過熱核反應聚合成為氦核的過程取得原子能。

困擾疑惑

奧克洛核反應堆。

最早的核反應堆出現在20億年前。這一令人震驚的結論緣自1972年科學家在非洲加彭奧克洛地區發現的天然核反應堆。進行了數十年研究後，科學家今天終於弄清楚這些相當於100千瓦“迷你核電站”的反應堆，在曾經持續15萬年的一段時期內，是如何每3個小時進行一次能量輸出的。 奧克洛（Oklo）是非洲加彭共和國一個鈾礦區的名字。正是從這個礦區，法國取得了其核計畫所需的鈾。1972年，當這個礦區的鈾礦石被運到法國時，人們發現其中一些鈾礦竟然是被“利用過”的，鈾235的含量不足0.3%，低於0.711%的天然含量，似乎這些鈾礦石早已被一個核反應堆使用過。正是這一現象導致科學家實地調查，並發現了該地區的天然核反應堆：當地鈾礦石中的鈾曾經歷了一個自給自足的鏈式裂變反應，這曾釋放出大量的熱能。

在這一過程中，鈾原子的放射性裂變釋放出中子，從而引起其他鈾原子的裂變，最終導致核裂變並釋放出熱能之類的能量。現代的核反應堆正是運用這一原理來產生能量的。

然而，讓人感到困惑不解的是，奧克洛“核反應堆”鏈式裂變並未出現失控的痕跡，否則將導致礦脈被破壞，甚至發生爆炸。一切都似乎是井然有序的。在現代的核工廠，人們利用緩和劑來控制核反應速度，緩和劑可以吸收一些裂變的中子，使鏈式裂變速度慢下來，當然也可以通過對中子能量的調節來加速反應的進行。

專家分析

科學認定

經過多年探索，科學界終於認定，奧克洛鈾礦的鈾235，是鏈式反應中生成的“礦渣”，是“核反應堆”曾經存在的證據，這表明奧克洛鈾礦區的“核反應堆”，在20億年前已經點火工作。在20億年前，奧克洛鈾礦中鈾235含量比現在高很多，由於某種原因，可能是自然條件得天獨厚，此地形成了“核反應堆”。反應堆的燃燒使鈾235的鏈式反應得以緩慢進行，並且在數十億年演化過程中，斷斷續續地釋放原子能，其方式和間歇泉噴水相似。 這簡直是不可思議的。要知道，要發生核裂變鏈式反應，先要有大量高濃度鈾235，而天然鈾礦中只含有極少比例的鈾235；即使鈾235足夠多，要想使核反應不成為核爆炸，還必須使用中子慢化劑如重水等；即使上述兩個條件滿足了，也並不等於真能發生持續的核反應，還必須使鈾與慢化劑之間有某種比例的配置。

一般反應堆的迴路系統

創造神奇

在人類建造的核電站中，通常都是核裂變反應堆。在這種反應堆中，必須用高純度濃縮鈾或鈽為燃料；必須用石墨、重水等慢化劑來獲得慢中子；反應堆中必須加裝控制棒，使鏈式反應受人控制，以緩慢釋放原子能。如此苛刻的條件，在奧克洛鈾礦的“核反應堆”中，是如何實現的呢?至今在科學界仍然存在很多爭論。最自然的論點是，奧克洛鈾礦純粹是大自然的手筆。20億年前，種種機緣的巧合，使奧克洛礦區的鈾235含量比現在高得多。於是大自然就地取材，利用普通水作“慢化劑和控制閥”，使鏈式反應在人類難以想像的環境中，簡潔而神奇地發生。

最新論點

水的作用舉足輕重，這是科學界的最新論點。美國科學家亞歷山大·梅希克認為，鈾235產生的快中子經過礦石中地下水慢化和控制後，變成了慢中子，使鏈式反應能以緩慢方式發生。更令人稱奇的是，鈾235發生的每一次鏈式反應，都可能持續數千年。因為當核反應堆的溫度太高時，將有更多的水蒸發掉，於是鏈式反應速度減慢、規模變小，使核反應堆溫度降低甚至熄火。在這以後的漫長歲月中，地下水會重新匯聚，使慢中子增多，鏈式反應加速，核反應堆溫度升高，以實現重新點火啟動。所以，有科學家相信，20億年來，整個鏈式反應過程像間歇噴泉一樣重複發生。顯然，地下水是核反應的觸發和控制開關，是關鍵所在。也就是說，奧克洛核反應堆，之所以沒像原子彈那樣爆炸，“功勞”全在於地下水的神奇控制，使之在持續幾千年的鏈式反應中，一直緩慢釋放著原子能。

但是，質疑這種論點的也大有人在。有人認為，地下水畢竟不是重水，用來做核反應堆的慢化劑有點勉強，還有，奧克洛礦區的結構相當合理，保存得也相當完整，似乎並非自然形成，而是有目的地建造而成的。比如，目前的研究結果表明，這個核反應堆有幾千米，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40千米之內。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。與這個20億年前的大型核反應堆相比，今天人類所能建造的最大的核反應堆，也顯得黯然失色。

科學預言

核反應堆

對於奧克洛現象，科學家們早在60年代就有預言，比如，中國著名的科學家，中國科學院學部委員侯德封先生，在60年代就明確指出，由於U235的放射性半衰期，也就是U235在放射性衰變過程中，原子核的數目或U235的濃度，減少到原來數目的一半時，所需要的時間大約為7億年，因此，現在天然U235的正常濃度為0.72%，但是在幾十億年前，也就是地球形成後的幾十億年中，鈾礦中U235的濃度卻遠高於今天的濃度，也就是天然的濃縮鈾，如果自然條件具備的話，就會發生天然的自持鏈式核裂變反應。 國外科學界的同行們也相繼作出了同樣的預見，美國的一些科學家明確指出，20億年前的鈾礦石中U235的濃度足以產生天然連鎖反應，並且明確地給出了天然鈾礦發生天然自持鏈式核裂變反應的條件。很快，在1972年，科學家們的預見被證實了。

核反應堆

專家實驗

奧克洛核反應堆核電站實驗

據《自然》雜誌報導，科學家發現，奧克洛反應堆裂變的進行和停止是有周期性的，每30分鐘的裂變反應之後就會有兩個半小時的間歇。科學家經過觀察與實驗，認為是礦石中的水充當了這一角色。當鈾原子發生核裂變時，被釋放出的中子運行速度極快，以至於不能被其他原子吸收，因而不能引發其他原子的鏈式裂變。但是水能讓中子的速度慢下來。在奧克洛的反應堆中，正是水的關鍵作用才讓鏈式反應得以持續。 然而，反應進行時會產生大量的熱，這會把岩石中的水分蒸乾，沒有了天然緩和劑，反應堆就會停止反應。只有當岩石冷卻之後，水分含量又重新從地下水那裡得到補充，核反應才會再次開始。

科學家是在測定了奧克洛地區岩石中氙的含量之後得出上述結論的，作為裂變生成物，氙這種氣體一旦生成，就會從鈾礦石中散發到空氣中。但是假如反應堆存在周期性的冷卻，氙就可以被保存在鋁磷酸鹽的岩石顆粒中。奧克洛當地礦石顆粒中氙的高含量證明了這些天然反應堆的確是周期性運行的。

現代工業核反應堆會產生出氙和氪等氣體，但人們一直沒有捕捉它們的可行辦法，對奧克洛天然核反應堆的研究，也許可以讓今天從事核工業的技術專家們得到啟發。

相關結論

奧克洛核反應堆

對於20億年前的U235的濃度來說，實在是太容易了，要求的條件也非常簡單。 首先是U235的濃度一般至少要超過1%。因為正常情況下，一般動力核反應堆使用的核燃料都是濃度超過1%、一般不超過5%的低濃度U235。現在U235的正常濃度是0.72%，而U235的半衰期大約為7億年，也就是說，每往前推7億年，其濃度就應該是現在濃度的一倍，那么20億年前的U235正常濃度就遠高於3%。

其次就是，U235在放射性衰變過程中，會放出中子，如果其他U235的核吸收一個中子後，通常會分裂成兩個小核，並放出2到3個快中子，同時釋放出能量。如果放出的這些中子，只要有1個以上能夠被其他U235俘獲，就能發生核裂變反應。但是，U235裂變產生的是快中子，不容易被俘獲，所以反應堆需要慢化材料，如水（礦床局部斷裂可以引起水的滲透）或碳等來減慢快中子的速度。當鈾礦中沉積的鈾濃度較高，同時堆塊質量或者是堆塊體積超過臨界值時，中子被俘獲的機會就會大大增加，核裂變反應也就非常容易發生了。

如果上述核裂變反應不斷加劇，釋放的能量過多，就會使溫度升高到一定程度（此時若不加以控制，反應會更加劇烈，就會發生核爆炸），慢化材料水就會汽化為蒸汽，前面提到的對快中子的慢化效應就會降低，連鎖反應減慢。這個自然調節機制使得反應堆能夠穩定地運行，這樣就形成了自持鏈式核裂變反應。可見，奧克洛現象完全是地球演化過程中發生的自然現象，並不是史前人類的傑作。

未解之謎

分布位置

二十億年前，在今天的非洲加彭共和國，曾存在著一個大型的鏈式核反應堆，運轉了很多萬年。奧克洛(Oklo)是非洲加彭共和國一個鈾礦的名字。從這個礦區，法國取得其核計畫所需的鈾。1972年，當這個礦區的鈾礦石被運到一家法國的氣體擴散工廠時，人們發現這些鈾礦是被利用過的，其含量低於0.711w%的自然含量。似乎這些鈾礦石早已被一個核反應堆使用過。法國政府宣布了這一發現，震驚了全世界。科學家們對這個鈾礦進行了研究，並將研究成果於1975年在國際原子能委員會(International Atomic Energy Agency)的一個會議上公布。

條件

法國科學家在整個礦區的不同地方都發現了核裂變的產物和TRU廢物。開始時，這些發現讓人很迷惑，因為用天然的鈾是不可能使核反應堆越過臨界點(而發生核反應的)，除非在特別的情況下，有石墨和重水。但在Oklo周圍地區，這些條件是從來都不大可能具備的。

U235的半衰期為七億(7.13E8)年，少於U238的半衰期四十五億(45.1E9)年。從地球形成至今，相比U238，更多的U235衰變了。這就說明在久遠年代以前，天然鈾礦的濃度比今天要高的多。實際上，簡單的計算就可以證明，30億年前此濃度為3%左右。而此濃度已足以在一般的水中進行核反應。而當時在Oklo附近是有水源的。