主题：[转帖]探究20亿年前天然核反应堆：地球演化的产物

　　撰文/欧阳自远

　　40多年前的一项科学预测

　　近年来，对于20亿年前位于现在非洲加蓬共和国奥克洛铀矿区的天然核反应堆在众多的科普杂志和网站上展开了热烈的讨论，标题醒目如“谁启动了20亿年前的核反应堆”、“令人惊叹的史前文明”、“史前超文明之谜”、“寻访史前人类的足迹”、“史前发生过核战争”、“地球人类的多次灭绝与诞生”、“史前的高度文明”、“外星人的杰作”、“外星人的遗迹”……真是千古疑谜，众说纷纭。《环球科学》2006年12月发表了有关文章，希望解释20亿年前奥克洛核反应堆的真象，但仍然含混不清，公众难以理解。

　　其实，地球远古时代出现天然核反应堆，是地球演化历史中必然而又正常的自然现象。根据我们的研究，地球在距今18亿年前，即地球在46亿年形成后最初的28亿年中，都有可能形成天然核反应堆。时代越古老，形成天然核反应堆的可能性越大，只不过地球远古时代的记录绝大多数被后期的地质作用所破坏、剥蚀或掩埋，目前只发现了奥克洛天然核反应堆而已。

　　早在1963年，我们曾经对地球在18亿年前可能存在天然核反应堆作过科学分析。1960年我跟随杰出的地质学家和地球化学家侯德封先生研究核子地质，他的理论假设是，地球的金属矿床都是由地球物质中的重元素(如铀、钍、钚等)发生重核裂变后产生的各种裂变产物，通过地质作用富集而成的。地球的重元素丰度(指原子数的百分含量)、重核裂变条件和裂变产物的元素组合都无法论证“裂生成矿论”的可能性。我向侯德封院士建议研究方向转向地球物质中通过各种类型的核过程(核衰变、重核自发裂变与诱发裂变、各种低能与高能核反应等)产生的能量对地球46亿年以来的演化过程的制约。他热情地支持并鼓励我：“地球演化的能源是解决地球演化的钥匙和关键。”我沿着这条科学思路开始了新的征程。

　　1963年，我们完成了科学专著《核转变能与地球物质的演化》书稿并交付科学出版社出版。在正式出版之前，由于专著涉及到核物理学、天文学、地质学、地球化学与地球物理学等诸多学科，需要各领域专家审查。在审查顺利通过后和付印前这段时间，文化大革命爆发了，《核转变能与地球物质的演化》拖延至1974年才得以正式出版。我们在专著的前言中提出：“本文曾于1963年打印发送有关部门，征求意见，恳请指正。近10年来，这方面的研究进展极其迅速，特别是关于核转变能是地球演化的主要能源；地球物质中普遍发育着自发裂变、诱发裂变以及18亿年前自然界存在有链式反应的可能；核转变能与地壳运动；核转变对地球成分的更新等。在已发表的文献中得到不少验证，并对本文提供了有益的资料与数据。”

　　现仅就为什么距今18亿年前地球上可能出现天然核反应堆，而在距今18亿年以来却难以形成天然核反应堆作简要说明。

　　形成天然核反应堆的条件

　　1942年，世界上建立了第一个人造核反应堆，随后，各种类型的核反应堆和核电站相继建立。用铀作核燃料的热中子堆，使用的核燃料是铀235，而不是铀238。核反应堆运行的基本要求是要实现铀235的中子诱发裂变的链式反应。

　　链式反应能否产生，最低限度的条件是，当每一个核(铀235)俘获一个中子产生裂变以后，平均起来至少再产生一个中子去引起另一个核的裂变，这个条件可以用增殖因素或再生因素来表示。它的定义是：新生一代的中子数和产生它的直属上一代中子数之比。如果增殖因素大于1或稍大于1，那么链式反应就可能产生。如果增殖因素小于1，链式反应就不能维持。增殖因素与诸多条件有关：核燃料中铀235与铀238原子数的比值，即铀235的丰度约为3%；系统中的中子数，特别是铀235每俘获一个中子所产生的裂变快中子数，系统中的慢化剂成分使快中子形成热中子的效率和热中子的利用系数；铀矿层(核燃料)的尺寸大小，能够有效俘获中子而不使逃脱等等。

　　因此，形成天然核反应堆的条件取决于：(1)天然铀矿层中铀235的丰度；(2)天然中子源及慢化剂的作用；(3)天然铀矿层的尺寸大小。

　　1.天然铀矿层中铀235的丰度应该达到热中子反应堆浓缩铀核燃料中铀235的丰度。

　　太阳系各天体(如地球、月球、火星等)中的铀元素都是由铀234、铀235和铀238三种同位素组成的，它们的原子数丰度铀234为0.0055%，铀235为0.7200%和铀238为99.2745%。铀的三种同位素都是放射性同位素，除a衰变外还会产生自发裂变与诱发裂变。它们各自的a衰变半衰期分别是：铀234为2.45×10⁵年，铀235为7.04×10⁸年和铀238为4.46×10⁹年。由于铀234丰度太低，a衰变半衰期又较短，它在地球演化历史中的作用几乎可以忽略不计；由于铀235和铀238自发裂变的半衰期太长，它们分别是1.9×10¹⁷年和4×10¹⁶年，与a衰变相比，对各自原子数丰度的影响也可以忽略不计。因此我们只需要分析铀235和铀238在地球演化历史中a衰变引起的丰度变化。

　　铀238的a衰变半衰期为4.46×10⁹年，表明在经历44.6亿年之后铀238的原子数只剩下一半；铀235的a衰变半衰期为7.04×10⁸年，表明在经历大约7亿年之后，铀235的原子数只剩下一半。反过来，从现在返回过去，在距今大约7亿年前，铀235的原子数是现在的2倍；在距今大约14亿年前，铀235的原子数是现在的4倍；在距今大约21亿年前，铀235的原子数是现在的8倍……现今铀235的原子数丰度为0.72%，可以简单计算出在18亿年前铀235的原子数丰度可以达到3%，说明在距今18亿年前，当时天然铀元素中铀235的天然丰度相当于现今核反应堆的浓缩铀核燃料。在距今18亿年前，铀矿层中的铀235已相当于现今核反应堆中的浓缩铀核燃料。在地球形成初期，铀235的丰度甚至可以达到25%，因此，时代越远古，天然铀元素中铀235的丰度越大，是极高浓缩的核燃料。

　　2.维持链式反应的中子源及慢化剂。

　　引起铀-235诱发裂变链式反应需要持续不断有热中子的供应，使体系的增殖因素大于1，自然界和铀矿层中是否具备天然中子的来源？

　　我们曾在《核转变能与地球物质的演化》中提出“天然中子的来源目前已知有4种：(1)宇宙射线成因的中子；(2)重核自发裂变所产生的中子；(3)重核衰变所产生的a粒子与轻元素(氧、氟、硅、铝、镁、钠、硼、锂等)通过(a，n)反应所产生的中子；(4)中子作用下铀235的诱发裂变产生的中子。”

　　“在地球表面的中子流当中主要是宇宙射线的次生中子，地球成因的中子不会超过20%。中子流的宇宙成分在地球的表层逐渐被吸收，它的平均射程为140克/厘米²*，即大约55厘米厚的岩石层。由硬宇宙线部分的(m-，n)反应所产生的中子，穿透最深(L=4000～18500克/厘米²，平均为5600克/厘米²，或大约为15～71米厚的岩石层)，但它们的数目很少，只有表面中子总数的5%左右。宇宙线与大气圈及岩石物质作用可以形成次生中子在几十米或更深的地方。地球表面的中子流中主要是重核衰变所产生的a粒子与轻元素的(a，n)反应产生的中子。”

　　在全部的天然中子流中，“大约30%是由于铀238自发裂变而产生的中子。在花岗岩中，铀238自发裂变产生的中子占12%，铀系所产生的反应所形成的中子占21%，钍系所产生的(a，n)反应形成的中子占66%。铀矿物中铀238自发裂变产生的中子占中子流的35%～86%，钍232自发裂变形成的中子贡献极小(小于3%)。一般在基岩当中中子流为4中子/平方厘米·小时，当放射性元素和轻元素(铍、氟、锂等)含量增加时有显著增加，可以达到52个中子/厘米²·小时。” 因此，在地下的岩石和铀矿层中应当关注重核自发裂变所产生的中子，以及有轻元素赋存的情况下由(a，n)反应产生的中子。”

　　“根据反应堆的研究，天然铀的反应堆有4种不同的捕获过程在竞争地吸收中子，(1)对铀238裂变阀以上的快中子(约1.1兆电子伏特)吸收，产生快中子裂变；(2)铀238共振区(约10兆电子伏特)的辐射捕获；(3)减速剂内慢中子的辐射捕获；(4)热中子的铀235裂变捕获。天然铀中，铀238对能量小于1.1兆电子伏特的中子不发生显著的裂变现象，而主要是由热中子引起的铀235的诱发裂变。”

　　各种来源的中子流需要使之成为低能的热中子，“因为中子的能量较低，铀235的裂变截面也显著增高，”反应的机率增大。铀矿层中含有的轻元素和地层裂隙中的水是重要的慢化剂。美国著名核化学家P.K.黑田和夫(Kuroda)深入剖析过21亿年前大熊湖沥青铀矿中含水量对增殖因素的影响，在较理想状态下，证明随着铀矿石中含水量的增加，增殖因素增大，直至可以产生铀235的裂变链式反应，临界年龄为15±3亿年。

　　3.天然铀矿层的尺寸大小，影响铀235诱发裂变链式反应的持续。

　　天然铀矿层的厚度影响中子的逃逸和热中子的利用系数，是制约增殖因素的重要参数。P.K.黑田和夫认为铀矿层中铀235诱发裂变中子穿越的平均距离为0.67米，再被俘获产生下一轮的诱发裂变。他还计算大熊湖沥青铀矿产生铀235诱发裂变链式反应要求的厚度至少为30厘米。

　　因此，地质历史中，天然核反应堆形成的主要条件是具有一定厚度的铀矿层中，铀235丰度近于3%，并有使中子幔化的轻元素、杂质(如碳等)和水的伴生。

　　1975年奥克洛天然核反应堆的发现与确证

　　1975年国际原子能委员会在加蓬共和国的首都利伯维尔召开了一次特别会议，公布了奥克洛反应堆的主要科学证据。

　　(1)奥克洛铀矿床的形成年龄为20亿年，分布在6个区域，铀矿石量大约为500吨。铀矿石中铀的同位素组成发现异常，铀235的丰度远远达不到正常值0.72%，而为0.71%～0.3%，表明铀元素中的铀235曾经有过特殊消耗。

　　(2)铀235裂变后产生两个中等质量的产物，通过30多种不同途径的裂变，产生了有60多种裂变产物，裂变产物的原子核质量数分布在72～158之间。在矿区内发现这些裂变产物仍然保存完好。

　　(3)根据铀235丰度的偏低和矿区内的裂变产物估算，大约曾经消耗了5吨铀235。

　　(4)铀矿石中的铀235能保持时断时续的裂变链式反应，主要原因是铀矿层的裂隙中含有地下水，水是重要的幔化剂，慢化中子导致铀235诱发裂变，天然核反应堆启动。启动后释放的热量使地下水蒸发，水的干涸使得幔化剂消失，热中子通量剧减，使铀235裂变的链式反应中断，天然核反应堆停止运行。1963年，我们在《核转换能与地球物质的演化》中提出：“至于链式反应产生的具体形式目前尚难推测，但是可以说这种链式反应不可能是延续很久的，可能是间歇式的、爆炸式的。”

　　总之，奥克洛天然核反应堆能够长期断续运行，主要原因是20亿年前奥克洛铀矿层中铀元素中的铀235丰度大于3%，达到了现今核反应堆浓缩核燃料的要求；铀矿层足够厚；裂隙中含地下水，是较理想的中子幔化剂；使天然核反应堆得以启动并能断续运行。

　　天然核反应堆的形成并运行是地球演化历史进程中正常的自然现象，只能在距今约18亿年前才有可能出现。距今18亿～46亿年，应该有更多的天然核反应堆形成。据报导在加拿大、澳大利亚和美国的一些古老地块中的铀矿床中，都发现有“化石”核反应堆迹象。

　　天然核反应堆的出现，绝不是外星人的杰作和遗迹，也不是史前高度文明的证据或史前核战争的遗迹；天然核反应堆绝不像媒体炒作的“设计科学、结构合理和保存完整”。天然核反应堆是地球某个历史阶段发生的自然现象。　

　　(更多精彩内容请阅览《科学世界》2007年5月号）