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揭秘谁启动了非洲20亿年前天然核反应堆(图)
时间:2006年12月13日12:35 我来说两句  

 
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  【来源:环球科学】

  核反应垓

  谁启动了20亿年前的核反应堆

  20亿年前,十几座天然核反应堆神秘启动,稳定地输出能量,并安全运转了几十万年之久。为什么它们没有在爆炸中自我摧毁?是谁保证了这些核反应的安全运行?莫非它们真的如世间的传言那样,是外星人造访的证据,或者是上一代文明的杰作?通过对遗迹抽丝剥茧地分析,远古核反应堆的真相正越来越清晰地暴露在我们面前。

  1972年5月,法国一座核燃料处理厂的一名工人注意到了一个奇怪的现象。
当时他正对一块铀矿石进行常规分析,这块矿石采自一座看似普通的铀矿。与所有的天然铀矿一样,该矿石含有3种铀同位素──换句话说,其中的铀元素以3种不同的形态存在,它们的原子量各不相同:含量最丰富的是铀238;最稀少的是铀234;而人们垂涎三尺,能够维持核链式反应(chain reaction)的同位素,则是铀235。在地球上几乎所有的地方,甚至在月球上或陨石中,铀235同位素的原子数量在铀元素总量中占据的比例始终都是0.720%。不过,在这些采自非洲加蓬的矿石样品中,铀235的含量仅有0.717%!尽管差异如此细微,却引起了法国科学家的警惕,这其中一定发生过某种怪事。进一步的分析显示,从该矿采来的一部分矿石中,铀235严重缺斤短两:大约有200千克不翼而飞——足够制造6枚原子弹。

  接连几周,法国原子能委员会(French Atomic Energy Commission,简写为CEA)的专家们都困惑不已。直到有人突然想起19年前的一个理论预言,大家才恍然大悟。1953年,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的乔治·W·韦瑟里尔(George W. Wetherill)和芝加哥大学的马克·G·英格拉姆(Mark G. Inghram)指出,一些铀矿矿脉可能曾经形成过天然的核裂变反应堆,这个观点很快便流行起来。其后不久,美国阿肯色大学的一位化学家黑田和夫(Paul K. Kuroda)计算出了铀矿自发产生“自持裂变反应”(self-sustained fission)的条件。所谓自持裂变反应,即可以自发维持下去的核裂变反应,是从一个偶然闯入的中子开始的:它会诱使一个铀235原子核发生分裂,裂变产生更多的中子,又会引发其他原子核继续分裂,如此循环下去,形成连锁反应。

  黑田和夫认为,自持裂变反应能够发生的第一个条件就是,铀矿矿脉的大小必须超过诱发裂变的中子在矿石中穿行的平均距离,也就是0.67米左右。这个条件可以保证,裂变的原子核释放的中子在逃离矿脉之前,就能被其他铀原子核吸收。

  第二个必要条件是,铀235必须足够丰富。今天,即使是储量最大、浓度最高的铀矿矿脉也无法成为一座核反应堆,因为铀235的浓度过低,甚至连1%都不到。不过这种同位素具有放射性,它的衰变速率比铀238快大约6倍,因此在久远的过去,这种更容易衰变的同位素所占的比例肯定高得多。例如,20亿年前奥克罗铀矿脉形成的时候,铀235所占的比例接近3%,与现在大多数核电站中使用的、人工提纯的浓缩铀燃料的浓度大致相当。

  第三个重要因素是,必须存在某种中子“慢化剂”(moderator),减慢铀原子核裂变时释放的中子的运动速度,从而使这些中子在诱使铀原子核分裂时,更加得心应手。最终,矿脉中不能出现大量的硼、锂或其他“毒素”,这些元素会吸收中子,因此可以令任何核裂变反应戛然而止。

  最终,研究人员在奥克罗和邻近的奥克罗班多地区的铀矿中,确定了16个相互分离的区域——20亿年前,那里的真实环境,居然与黑田和夫描绘的大致情况惊人地相似。尽管这些区域早在几十年前就被全部辨认出来,但是远古核反应堆运转过程的种种细节,直到最近才被我和同事彻底揭开。

  轻元素提供证据

  重元素分裂产生的轻元素提供了确凿无疑的证据:奥克罗铀矿在20亿年前确实发生过自持核裂变反应,而且持续时间长达数十万年。

  奥克罗的铀异常情况被发现之后不久,物理学家就确定,天然的裂变反应导致了铀235的损耗。一个重原子核一分为二时,会产生较轻的新元素。找到这些元素,就等于找到了核裂变确凿无疑的证据。事实证明,这些分裂产物的含量如此之高,因此除了核链式反应以外,不可能存在其他任何解释。这场链式反应很像1942年恩里科·费米(Enrico Fermi)及其同事所做的那场著名演示(当时他们建成了世界上第一座可控原子核裂变链反应堆),反应全靠自己的力量维持运转,只是时间上提早了20亿年。

  如此令人震惊的发现公布后不久,世界各地的物理学家便开始研究这些天然核反应堆的证据,并在1975年加蓬首都利伯维尔的一次特别会议上,分享了他们关于“奥克罗现象”的研究成果。第二年,代表美国出席那次会议的乔治·A·考恩(George A. Cowan,顺便提及,他是美国著名的圣菲研究所的创建者之一,至今仍是该研究所的成员)为《科学美国人》撰写了一篇文章(参见1976年7月号乔治·A·考恩所著《天然核裂变反应堆》一文),文中他讲解了当时的科学家对这些远古核反应堆运行原理的猜测。

  比如,考恩描述了钚239的形成过程——数量更加丰富的铀238捕获了铀235裂变释放的一些中子,转变为铀239,然后再释放出两个电子,转化成钚239。在奥克罗铀矿中,曾经产生过超过两吨的钚239。不过这种同位素后来几乎全都消失了(主要是通过天然的放射性衰变,钚239的半衰期为2.4万年),一些钚自身也经历了裂变,它所特有的裂变产物证明了这一点。这些轻元素丰富的含量让科学家推测,裂变反应一定持续了几十万年之久。根据铀235消耗的数量,他们计算出了反应堆释放的总能量,大概相当于1,500万千瓦的机器运转一整年所消耗的能量;再结合一些其他的证据,就能推算出反应堆的平均输出功率:不超过100千瓦,足够维持几十只烤箱的运作。

  十几座天然反应堆自发工作,并维持着适度的功率输出,运转了大约几十万年之久,这确实令人惊叹。为什么这些矿脉没有发生爆炸,没有在核链式反应启动后立即自我摧毁?是什么机制使它们拥有了必不可少的自我调节能力?这些反应堆是稳定运转,还是间歇式发作?自奥克罗现象最初发现以来,这些问题迟迟得不到解答。实际上,最后一个问题困扰了人们长达30年之久,直到我和我在美国华盛顿大学圣路易斯分校的同事检测了一块来自这个神秘非洲铀矿的矿石之后,谜底才被逐渐揭开。

(责任编辑:史少晨)


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