20億年前,有人建造了一座核反應堆?
2020年09月22日10:23

  來源:把科學帶回家

  獵奇可能是每個人與生俱來的本能,那些寫著各種各樣的獵奇內容的書,諸如各種世界未解之謎、UFO探秘之類的,往往出版了一本又一本。在這些世界未解之謎故事中,最受歡迎的可能要數外星人、史前文明或是時空穿越的故事,比如20億年前的核反應堆,三葉蟲化石上的腳印等。說這些故事毒害了一代人都不為過,至少大部分90後都或多或少聽過這類故事。

  一、謠言

  在這些故事中,20億年前的核反應堆可能是看起來最有板有眼的一個了。這個故事的原文內容大致是這樣的:在非洲的加蓬共和國出產鈾礦,開採出來的鈾礦會供給法國的核反應堆使用。法國的核反應堆在使用這些鈾礦之前會對鈾礦進行例行抽檢,1972年的時候,法國的一家工廠就在抽檢中發現了異常,人們在化驗中發現這種鈾礦石好像都是被提煉和使用過的,於是工廠就派出了科研人員前往加蓬共和國考察。

  考察的結果讓人們大吃一驚,原來加蓬的這個鈾礦是一個非常古老的大型核反應堆,這個反應堆年代在20億年前,而且它的佈局非常合理,我們現代的水平也不過如此了。進一步的發現更讓人吃驚:原來這個核反應堆在建成後至少順利運轉了50萬年以上,這對於我們來說簡直不可想像。這個核反應堆的存在說明要麼在人類之前,在地球上還存在其他的文明,要麼在史前出現過外星人……

  不得不說,這實際上是一個非常優秀的謠言。在謠言界,有些謠言完全是憑空捏造的,所以不堪一擊;但是這個謠言把真實發生的故事和偽造的結局完美地結合在了一起,達到了讓一般人真假難辨的地步。

  這個故事的前半部分是真實存在的事件。加蓬共和國確實產鈾,法國也確實從加蓬進口鈾礦,核電站在使用鈾礦之前要提煉這些鈾,為了更有效率的提煉鈾礦,所以在提煉之前會對同一批次的礦石進行成分分析。法國在成分分析的過程中發現鈾礦有問題,也確實派出了科研人員對鈾礦進行調查。故事的前半部分完全沒問題,但是問題在於故事的後半截,並沒有什麼所謂的佈局合理的核電站,這批鈾礦石出現問題,完全是大自然的鬼斧神工而已。

  二、真實

  那麼,這個謠言的真相到底是怎樣的呢?

  我們都知道,現代的核反應堆都離不開放射性元素:鈾。鈾在自然界有三種同位素:鈾234、鈾235、鈾238,這三種鈾的同位素中,鈾234的含量可以忽略不計,鈾礦中主要是鈾235和鈾238,其中鈾235的比例為0.72%,而鈾238的比例則有99.28%,無論從世界上哪一個鈾礦中採掘出來的礦樣,鈾235和鈾238的比例都始終不變。不過,在開採出來的鈾礦中,只有鈾235才能產生核裂變,核電站使用的是濃度為3%的鈾235,這就是所謂的低濃縮鈾了。若濃度大於80%則稱為高濃縮鈾,大於90%則稱為武器級高濃縮鈾。

提煉後的鈾餅  圖/wiki
提煉後的鈾餅 圖/wiki

  核電站為了發電,所以必然要對鈾礦石進行濃縮,才能製成3%的低濃縮鈾。1972年5月,法國物理學家弗朗西斯·佩蘭(Francis Perrin)在法國皮埃爾拉特核濃縮工廠中的鈾礦分析室進行鈾礦石分析的過程中,發現一個奇怪的現象:在一些來自於加蓬奧克洛礦場的鈾礦石裡面,鈾235的含量普遍偏低,有的為0.717%,有的僅為0.44%,最低不到0.29%!

來自奧克洛礦場的鈾礦標本  圖/nhm-wien.ac.at
來自奧克洛礦場的鈾礦標本 圖/nhm-wien.ac.at

  這個發現引起了世界核科技界的極大興趣,1975年6月,應加蓬政府要求,國際原子能機構對奧克洛礦場進行了現場勘測和研究,研究發現:距今約20億年前在奧克洛礦場曾有10多座“天然核反應堆”,這些“天然核反應堆”斷斷續續運行了約50萬年,涉及到500-800噸天然鈾,釋放出來的能量相當於100億度電,平均下來每天發電量不過54.8度。這點電量,按照美國的人均使用量,也就夠1.5個美國人用的……要是遠古真有科技這麼發達的人或者是外星人,連核反應堆都搞出來了,搞個太陽能電池板或者是風能水能電站就不香嗎?就為了每天54.8度電折騰出一個核反應堆來?

奧克洛礦場航拍圖  圖/網絡
奧克洛礦場航拍圖 圖/網絡
 奧克洛礦場中的鈾礦地層  圖/網絡
 奧克洛礦場中的鈾礦地層 圖/網絡

  科學家們在細緻研究了奧克洛礦場的地質條件之後,終於搞清楚了這個“天然核反應堆”的形成原因。

  奧克洛礦場在形成之初實際上是一個臨河的河岸,在河邊沉積了大量的細砂,這些細砂在隨後的歲月中被埋入地下,並被壓的越來越實,最終形成了砂岩。

  來自河流上遊和砂岩上層的水向下淋濾,沿途不斷溶解鈾元素,成為鈾礦礦液,這些鈾礦礦液遇到砂岩後,疏鬆多孔的砂岩就好像一塊海綿一樣,吸附了大量的鈾元素,這些鈾元素不斷在砂岩中富集,最終形成了鈾礦。

奧克洛礦場中的鈾礦結構,黃色部分就是砂岩  圖/Twitter
奧克洛礦場中的鈾礦結構,黃色部分就是砂岩 圖/Twitter

  那麼,這些鈾礦又是怎麼開啟了天然核反應呢?我們先來看看現代核反應堆的原理。

  核反應堆和核爆炸的原理都很相似,鈾元素會自發發生衰變,在衰變過程中會釋放出中子,這些中子在形成後會撞擊其他的鈾元素,從而引發鏈式反應,一旦鈾元素濃度足夠高,這種鏈式反應就將一直進行下去。核武器中的鈾元素濃度極高,所以鏈式反應發生的速度極快,反應出來就是劇烈的爆炸;核反應堆中的鈾濃度較低,所以鏈式反應速度慢,所以可以進行控制。在鏈式反應過程中,會釋放大量的熱,用這個熱量去燒水,水變成蒸汽,蒸汽推動水輪機,這就是核反應堆的工作原理。

 鏈式反應  圖/Wikimedia
 鏈式反應 圖/Wikimedia
核電站發電原理,簡單來說就是燒鍋爐  圖/見水印
核電站發電原理,簡單來說就是燒鍋爐 圖/見水印

  所以,其實核反應堆的原理很簡單:鈾元素富集,一旦超過臨界濃度就會自發發生核反應。控制核反應的速度,一般用石墨、重水、輕水等材料製成反應堆減速劑,在這個天然反應堆中,地下水就扮演了這麼一個減速劑的角色。

早期核反應堆中的石墨減速劑,天然反應堆中水取代了石墨的位置,作為一種良好的減速劑調控著核反應的速率  圖/網絡
早期核反應堆中的石墨減速劑,天然反應堆中水取代了石墨的位置,作為一種良好的減速劑調控著核反應的速率 圖/網絡

  在奧克洛礦場,在部分區域內砂岩中的鈾元素不斷富集,可能一度富集到3.6%,這個濃度已經遠遠高於現代核反應堆的核燃料棒濃度了。在這個濃度下,這些富含鈾的礦石自然就會發生核反應,然而正如前文所說,砂岩又像是一個海綿,實際上能夠賦存有大量的地下水——核燃料棒有了,控制核反應速度的地下水也有了,核反應就這麼在地下啟動。

  在這座“天然核反應堆”運行期間,由於核燃料的消耗,鈾濃度到達臨界濃度之下,或者是由於地下水因高溫而蒸發,這時候鏈式反應自然就會逐漸中止。然而,不斷有鈾礦礦液讓砂岩中的鈾元素富集,地下水也會再次湧現,於是核反應又出現了——這就是核反應堆斷斷續續運行50萬年的原因。

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