天地造化还是外星文明——奥克洛反应堆之谜（一）

（图片来源：Adobe Stock）

1972年7月的一天，法国物理学家弗朗西斯．佩兰坐在桌前，瞪大了眼睛看着办公桌上一块黑乎乎的矿石，嘴里依旧反反复复地重复着这么一句话：“这不可能，这绝对不可能。”

佩兰是法国原子能委员会的高级专员。这个时候，他正在法国南部的一家核燃料加工厂里。工厂方面发现，一批进口的铀矿石出现了异常。

这批铀矿石来自加蓬共和国。这个国家位于非洲的一角，拥有丰富的天然铀矿资源。检验结果表明，佩兰桌子上的这块铀矿中，铀-235的含量只占全部铀含量的0.717%，而在地球上正常的铀矿石中，铀-235的含量通常为0.72%。

也就是说，这块矿石里的铀-235比正常数值少了0.003%，也就是三万分之三。正是这微乎其微的差别，让佩兰几乎崩溃。

那么，这么一点点铀-235，为什么如此重要呢？

这是因为铀这种元素家族中包含了十几种同位素，从铀-226到铀-242等等。但在天然铀矿中，含量最多的是铀-238和铀-235，分别占到了约92.275%和0.72%。

其中，铀-235是可以发生核裂变反应的元素，也就是说，它是真正能够在核反应堆中使用的核材料。人们发现，当用中子去撞击铀-235原子时，就会引发核裂变连锁反应。这种反应释放的能量比化学反应要高出几百万倍。一克铀-235原子完全裂变后所释放的能量，相当于两吨优质煤燃烧所释放的能量。

正因为如此，核能发电的效率完全碾压煤电等一切传统发电方式。而参与裂变反应的铀-235在反应结束后会变成其他元素。这也就意味着，佩兰教授桌子上那块矿石中，少掉的那十万分之三的铀-235，很可能已经发生过裂变反应。

可问题是，这种事情真的可能在自然界中发生吗？这怎么可能呢？

于是，专家们立刻动身，组成调查小组，前往矿石的原产地——加蓬共和国的奥克洛地区展开调查。

这次调查的结果堪称一枚“核弹”。

调查小组发现，整个矿床本身就是一个巨大的核反应堆，而且其中隐藏着多达十七组天然核裂变反应区。这些反应堆最古老的年龄已经接近二十亿年，它们曾经连续运转了五十万到一百五十万年，之后才逐渐停止。

调查小组在当地村落一待就是两个月，期间的惊奇一个接着一个。

以调查开始前十八个月采集的矿石总量为基准，研究人员发现，从中能够提取出的铀-235比正常矿石的提取量整整少了200公斤。而在一些矿石中，铀-235的含量甚至低到只有0.44%，也就是正常天然铀的61%。

更关键的是，专家们在矿床中发现了钕和钐这两种元素，它们正是铀-235发生核裂变之后的产物。在扣除了自然界漫长岁月中，铀-235通过天然放射性衰变所产生的部分之后，矿床中残留的裂变产物比例，与人工核反应堆裂变后的结果极其相似。

这一计算结果，几乎就是奥克洛铀矿曾经是一座大型核反应堆的直接证据。

于是，佩兰迅速向全世界宣布：人类发现了第一个自然产生的核反应堆。

这一消息立刻震动了世界。许多国家的科学家纷纷提出申请，希望也能前往现场进行调查。然而，法国科学家婉拒了同行们的热情，只向世界公开分享了他们的研究成果。

美国地球化学家保罗．黑田一夫在听到这一消息时异常激动。因为早在1956年，他就曾提出过一个假说：如果条件合适，古老的铀矿是有可能形成天然核反应堆的。

这正是佩兰做出判断的重要理论依据。奥克洛的发现，似乎为黑田一夫的假说找到了现实证据。

然而，黑田一夫在仔细研读佩兰的报告后，心中却画上了一个巨大的问号。

这个反应堆经历了如此久远的岁月，居然没有发生灾难性的失控，那它究竟是怎么做到的呢？

一般来说，人工核反应堆的基本原理，是将核裂变产生的热量转化为水蒸气，再用蒸汽推动汽轮机发电。一个人造核反应堆通常包含燃料棒、慢化剂、冷却剂、控制棒、安全与抗压管道系统以及蒸汽发生设备等关键部件。只有这样一整套经过精密设计和严格工艺保障的系统，核反应堆才能安全、稳定地运行。

那么，接下来我们就一步一步地来看一看，这个让人惊掉下巴的自然核反应堆，是如何运作的。

首先，我们要讲的是核裂变的链式反应，这是理解一切的关键。

这是铀-235裂变反应的起点，是一个中子撞击铀-235原子。当铀-235原子被中子击中后，就会发生裂变，释放出两个或更多的中子，同时释放出大量能量，也就是辐射。这些新释放出来的中子又会去撞击其他铀-235原子，引发新的裂变，产生更多中子和能量。如此循环往复，能量便会不断累积，这就是所谓的链式反应。

但要让这种反应持续下去，必须满足两个关键条件。

第一，核燃料——也就是铀-235的浓度必须足够高。

第二，中子的速度必须合适，不能太快。

在现代核反应堆中，这两个条件分别由燃料棒和慢化剂来实现。

那么，奥克洛的自然反应堆，又是如何解决这两个问题的呢？

我们先从第一个要素——燃料浓度说起。

现代核电站所使用的燃料棒，内部装填的是浓缩铀，铀-235的浓度通常在3.5%到5%之间。这些浓度完全是人工浓缩得到的，这也是为什么美国在制裁伊朗和朝鲜时，会将目光牢牢锁定在铀浓缩设施上的原因。

铀浓缩工厂是核工业的源头，就相当于为坦克制造提供钢材的炼钢厂。一旦掐住它，就等于掐住了一个国家核工业的命脉。

可是在奥克洛反应堆工作的那个年代，自然界中哪来这么高浓度的铀-235呢？难道铀-235原子在矿石状态下，就能自行开始裂变反应吗？这实在是颠覆人类认知。

以黑田一夫为代表的科学家提出了一个解释：在那个时代，自然界中铀-235的浓度本身就高得多，大约在3.6%到4%之间。

铀-235的浓度是与时间密切相关的。地球处于不同的历史阶段，岩石中铀-235的含量也会不同。这就涉及到放射性同位素的半衰期——也就是一半的同位素发生自然衰变、转变为其他元素所需要的时间。

铀-235的半衰期大约是7.1亿年。如今天然铀矿中铀-235的含量是0.72%，而如果将时间反推到17至21亿年前，铀-235的含量正好就在3.6%到4%之间，恰好达到了可以发生自然核裂变反应的临界浓度。

也就是说，奥克洛反应堆的启动，恰巧踩在了一个极其罕见的时间窗口上。

接下来，再说第二个关键要素——慢化剂。

在核裂变反应中释放出来的中子，运动速度极快。如果不对它们进行减速，这些中子会迅速逃逸，无法有效撞击其他铀-235原子，链式反应也就无法持续。

因此，核反应堆中必须有人为手段来降低中子的速度。承担这一作用的物质，称为慢化剂，也叫中子慢化剂。常见的慢化剂包括普通水、重水和石墨。使用普通水作为慢化剂的核反应堆，通常被称为轻水反应堆。

而奥克洛的自然反应堆，巧妙地利用了地下水作为慢化剂，本质上就是一个天然形成的轻水反应堆。

此外，还有一个关键部件——控制棒。控制棒中含有强烈吸收中子的材料，它们的作用是为反应“踩刹车”，防止反应失控。

所以在讲核能的时候，一定强调它必须是可控的核反应堆。但恰恰也是这一点，让黑田一夫一直感到最为困惑：奥克洛这个自然核反应堆，居然能够连续运转几十万年而不发生失控事故，它究竟是靠什么做到的呢？这种“设计感”实在是太强了，让人不得不感到震撼。