誰(shuí)啟動(dòng)了20億年前的核反應(yīng)堆

1、誰(shuí)啟動(dòng)了20億年前的核反應(yīng)堆1972年5月，法國(guó)一座核燃料處理廠的一名工人注意到了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)他正對(duì)一塊鈾礦石進(jìn)行常規(guī)分析，這塊礦石采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種鈾同位素──換句話說(shuō)，其中的鈾元素以3種不同的形態(tài)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?zhǔn)椒磻?yīng)（chainreaction）的同位素，則是鈾235。在地球上幾乎所有的地方，甚至在

2、月球上或隕石中，鈾235同位素的原子數(shù)量在鈾元素總量中占據(jù)的比例始終都是0.720%。不過(guò)，在這些采自非洲加蓬的礦石樣品中，鈾235的含量?jī)H有0.717%！盡管差異如此細(xì)微，卻引起了法國(guó)科學(xué)家的警惕，這其中一定發(fā)生過(guò)某種怪事。進(jìn)一步的分析顯示，從該礦采來(lái)的一部分礦石中，鈾235嚴(yán)重缺斤短兩：大約有200千克不翼而飛――足夠制造6枚原子彈。接連幾周，法國(guó)原子能委員會(huì)（FrenchAtomicEnergyCommission，簡(jiǎn)寫(xiě)為CEA）

3、的專(zhuān)家們都困惑不已。直到有人突然想起19年前的一個(gè)理論預(yù)言，大家才恍然大悟。1953年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的喬治W韋瑟里爾（GegeW.Wetherill）和芝加哥大學(xué)的馬克G英格拉姆（MarkG.Inghram）指出，一些鈾礦礦脈可能曾經(jīng)形成過(guò)天然的核裂變反應(yīng)堆，這個(gè)觀點(diǎn)很快便流行起來(lái)。其后不久，美國(guó)阿肯色大學(xué)的一位化學(xué)家黑田和夫（PaulK.Kuroda）計(jì)算出了鈾礦自發(fā)產(chǎn)生“自持裂變反應(yīng)”（selfsustainedfi

4、ssion）的條件。所謂自持裂變反應(yīng)，即可以自發(fā)維持下去的核裂變反應(yīng)，是從一個(gè)偶然闖入的中子開(kāi)始的：它會(huì)誘使一個(gè)鈾235原子核發(fā)生分裂，裂變產(chǎn)生更多的中子，又會(huì)引發(fā)其他原子核繼續(xù)分裂，如此循環(huán)下去，形成連鎖反應(yīng)。黑田和夫認(rèn)為，自持裂變反應(yīng)能夠發(fā)生的第一個(gè)條件就是，鈾礦礦脈的大小必須超過(guò)誘發(fā)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(gè)條件可以保證，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(gè)必要條件

5、是，鈾235必須足夠豐富。今天，即使是儲(chǔ)量最大、濃度最高的鈾礦礦脈也無(wú)法成為一座核反應(yīng)堆，因?yàn)殁?35的濃度過(guò)低，甚至連1%都不到。不過(guò)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(yuǎn)的過(guò)去，這種更容易衰變的同位素所占的比例肯定高得多。例如，20億年前奧克羅鈾礦脈形成的時(shí)候，鈾235所占的比例接近3%，與現(xiàn)在大多數(shù)核電站中使用的、人工提純的濃縮鈾燃料的濃度大致相當(dāng)。第三個(gè)重要因素是，必須存在某種中子“慢化劑”（mode

6、rat），減慢鈾原子核裂變時(shí)釋放的中子的運(yùn)動(dòng)速度，從而使這些中子在誘使鈾原子核分裂時(shí)，更加得心應(yīng)手。最終，礦脈中不能出現(xiàn)大量的硼、鋰或其他“毒素”，這些元素會(huì)吸收中子，因此可以令任何核裂變反應(yīng)戛然而止。最終，研究人員在奧克羅和鄰近的奧克羅班多地區(qū)的鈾礦中，確定了16個(gè)相互分離的區(qū)域――20億年前，那里的真實(shí)環(huán)境，居然與黑田和夫描繪的大致情況驚人地相似。盡管這些區(qū)域早在幾十年前就被全部辨認(rèn)出來(lái)，但是遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的種種細(xì)節(jié)，直到最近

7、才被我和同事徹底揭開(kāi)。輕元素提供證據(jù)重元素分裂產(chǎn)生的輕元素提供了確鑿無(wú)疑的證據(jù)：奧克羅鈾礦在20億年前確實(shí)發(fā)生過(guò)自持核裂變反應(yīng)，而且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬(wàn)年。奧克羅的鈾異常情況被發(fā)現(xiàn)之后不久，物理學(xué)家就確定，天然的裂變反應(yīng)導(dǎo)致了鈾235的損耗。一個(gè)重原子核一分為二時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較輕的新元素。找到這些元素，就等于找到了核裂變確鑿無(wú)疑的證據(jù)。事實(shí)證明，這些分裂產(chǎn)物的含量如此之高，因此除了核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以外，不可能存在其他任何解釋。這場(chǎng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)很像194

8、2年恩里科費(fèi)米（EnricoFermi）及其同事所做的那場(chǎng)著名演示（當(dāng)時(shí)他們建成了世界上第一座可控原子核裂變鏈反應(yīng)堆），反應(yīng)全靠自己的力量維持運(yùn)轉(zhuǎn)，只是時(shí)間上提早了20億年。前發(fā)現(xiàn)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(gè)令人驚訝之處在于，與通常由核反應(yīng)產(chǎn)生的氣體相比，萃取出來(lái)的氣體在同位素組成上有顯著的不同。核裂變一定會(huì)產(chǎn)生氙136和氙134，但在奧克羅礦石中，這兩種同位素似乎缺失嚴(yán)重，而其他較輕的氙同位素含量則變化不大。

9、同位素構(gòu)成比例上的這種差異是如何產(chǎn)生的呢？化學(xué)反應(yīng)無(wú)法提供答案，因?yàn)樗型凰氐幕瘜W(xué)性質(zhì)都完全相同。那么核反應(yīng)，比如說(shuō)中子俘獲過(guò)程（neutroncapture），能不能給出解釋呢？經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，我和同事們把這種可能性也排除了。我們還考慮過(guò)不同同位素的物理分選過(guò)程：較重的原子移動(dòng)速度比較輕的原子稍慢一些，有時(shí)它們就會(huì)相互分離開(kāi)來(lái)。鈾濃縮裝置就是利用這個(gè)過(guò)程來(lái)生產(chǎn)反應(yīng)堆燃料的，不過(guò)需要相當(dāng)高的技術(shù)水平才能建造出這樣的工業(yè)設(shè)備。即使自然界能

10、夠奇跡般地在微觀尺度上創(chuàng)造出類(lèi)似的“裝置”，仍然無(wú)法解釋我們所研究的磷酸鋁顆粒中混合在一起的氙同位素比例。舉例來(lái)說(shuō)，如果確實(shí)發(fā)生過(guò)物理分選的話，考慮到現(xiàn)有的氙132的含量，氙136（比氙132重4個(gè)原子質(zhì)量單位）的缺失，應(yīng)該是氙134（比氙132重2個(gè)原子質(zhì)量單位）的兩倍。但實(shí)際上，我們并沒(méi)有看到那樣的模式。絞盡腦汁之后，我們終于想通了產(chǎn)生氙同位素構(gòu)成比例異常的原因。我們所測(cè)量的所有氙同位素都不是鈾裂變的直接產(chǎn)物。相反，它們是放射性碘同

11、位素衰變的產(chǎn)物，碘則由放射性碲衰變而來(lái)，而碲又由別的元素衰變產(chǎn)生，這是一個(gè)著名的核反應(yīng)序列，最終的產(chǎn)物才是穩(wěn)定的氙氣。我們的突破點(diǎn)在于，我們意識(shí)到奧克羅樣品中不同的氙同位素產(chǎn)生于不同的時(shí)期，它們所遵循的時(shí)間表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（precurs，即一系列反應(yīng)過(guò)程的中間產(chǎn)物）存在的時(shí)間越長(zhǎng)，它們形成氙的過(guò)程就被拖延得越久。例如，在奧克羅的自持裂變反應(yīng)開(kāi)始后，氙136僅過(guò)了大約1分鐘就開(kāi)始生

12、成；一個(gè)小時(shí)后，稍輕一些的穩(wěn)定同位素氙134出現(xiàn)；接下來(lái)，在裂變開(kāi)始的若干天后，氙132和氙131登場(chǎng)亮相；最終，幾百萬(wàn)年之后，氙129才得以形成――此時(shí)，核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)早已停止很久了。如果奧克羅礦脈一直處于封閉狀態(tài)，那么在它的天然反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)期間積聚起來(lái)的氙氣，就會(huì)保持核裂變所產(chǎn)生的正常同位素比例，并一直保存至今。但是，科學(xué)家沒(méi)有理由認(rèn)為，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)是封閉的。實(shí)際上，有充分的原因讓人猜想，它不是封閉的。奧克羅反應(yīng)堆可以通過(guò)某種方式自行調(diào)節(jié)核

13、反應(yīng)，這個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)提供了間接的證據(jù)。最可能的調(diào)節(jié)機(jī)制與地下水的活動(dòng)有關(guān)：當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，水會(huì)被煮沸蒸發(fā)掉。水在核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中起到了中子慢化劑的作用，如果水不見(jiàn)了，核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就會(huì)暫時(shí)停止。只有當(dāng)溫度下降，足夠的地下水再次滲入之后，反應(yīng)區(qū)域才會(huì)繼續(xù)開(kāi)始發(fā)生裂變。這種關(guān)于奧克羅反應(yīng)堆如何運(yùn)轉(zhuǎn)的說(shuō)法強(qiáng)調(diào)了兩個(gè)要點(diǎn)：第一，核反應(yīng)很可能以某種方式時(shí)斷時(shí)續(xù)地發(fā)生；第二，必定有大量的水流過(guò)這些巖石――足夠沖洗掉一些氙的前體，比如可溶于水的碲和碘

14、。水的存在有助于解釋這樣一個(gè)問(wèn)題：為什么大多數(shù)氙現(xiàn)在留存于磷酸鋁顆粒中，而沒(méi)有出現(xiàn)在富含鈾元素的礦物里――要知道，裂變反應(yīng)最初是在這里生成那些放射性前體的。氙氣不會(huì)簡(jiǎn)單地從一組早已存在的礦物中遷移到另一組礦物里――在奧克羅反應(yīng)堆開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)之前，磷酸鋁礦物很可能還不存在。實(shí)際上，那些磷酸鋁顆?？赡苁蔷偷匦纬傻?，一旦被核反應(yīng)加熱的水冷卻到300℃左右，磷酸鋁顆粒就會(huì)形成。在奧克羅反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)的每個(gè)活躍期和隨后溫度仍然很高的一段時(shí)間里，大量的氙氣