现代核反应要先将铀浓缩，那亿年前的加蓬核反应堆是如何运行的？

1972年5月，在法国的一个铀浓缩工厂里，科学家们检查了来自西非加蓬的铀矿石，发现这些铀矿石中铀的同位素比例发生了变化，于是就发现了一个天然的核反应堆，这个核反应堆在大约17亿年前开始反应，断断续续地进行了几十万年，平均产生了大约100千瓦的能量。为了了解天然核反应堆是如何产生的，首先要说一下核反应的历史和科学。

核电站是如何利用核能发电

根据国际原子能委员会（原子能机构）的报告，目前在30多个国家有400多座核电站；尽管在2011年福岛第一核电站发生了灾难性的安全事故，但目前仍有近70座新核电站在建中。那么，我们为什么要继续建造这些有潜在危险的核设施呢？尽管发生了切尔诺贝利和福岛等灾难，但总的来说，核反应发电实际上比煤炭或天然气发电更安全、更“环保”。

核电站发电的核能是同位素铀235 (U-235)受到中子轰击时产生的。碰撞通常会将同位素分裂成两部分，每一部分都包含原原子中一半的中子和质子，这个过程称为核裂变。在反应过程中，会有少量的质量损失，这一小部分会通过质能方程转化成能量。

在一个典型的核反应堆中，大量的U-235被集中起来，然后用中子轰击；在U-235和中子的每一次碰撞中，都会产生两个以上的自由中子，同时释放出能量。只要有足够的铀-235，那些多余的中子就会引起额外的连锁反应，称为链式反应！核反应的过程呈指数增长，会产生更多的能量。核电站就是利用受控的连锁反应产生稳定的能量，将其转化为电能。

铀- 235怎么来

铀是最重的元素之一，原子量为238.03。在地壳中存在铀的三种同位素；U-238占了所有铀的99.3%，U-235占了剩下的0.7%，而U-234只占了极小的一部分。U-238只会发生轻度的裂变反应，不能产生良好的裂变物质。然而，U-235在分裂和产生大量能量方面表现的更为突出。

当铀矿石从地下开采出来时，铀矿石中这三种同位素按相对比例组成。为了达到可裂变的目的，矿石中的铀235含量必须从百分之0.7增加到百分之5左右。这个过程被称为铀浓缩。在典型的铀浓缩方案中，铀首先被转化为气体六氟化铀（UF-6），气体会按其重量分开（U-234和U-235比U-238轻）。在浓缩的过程中重铀就会被分离出来，而剩余的U-235浓度则用来进行核裂变。

加蓬的核反应堆

我们知道U-235的半衰期比U-238短得多，这说明在很久以前，U-235的含量应该比现在丰富得多，浓度也应该比现在高。1956年，科学家保罗·k·黑田东彦（Paul K. Kuroda）提出，在适当的条件下，大约20亿年前u -235含量丰富的矿石可以支持核裂变和链式反应，从而形成天然的核反应堆。

关于加蓬反应堆是如何工作的，有两种理论，但它们都假设了一个连锁反应、停止、冷却、再启动的循环，持续数千年，直到可裂变物质耗尽后彻底停止。

一种理论认为，铀被地下水覆盖，地下水减缓了中子的速度，并提供了一个支持链式反应的环境。产生的能量最终把地下水加热到沸腾，然后水蒸发掉。随着地下水的消失，反应也就停止了。最终，水又渗回到铀矿溶洞里，这个反应过程又重复了一遍，直到U-238浓度太低，不足以支持进一步的反应。

第二种理论没有被普遍地接受，它认为燃烧的反应堆释放了某些稀土元素，比如钐、钆和镝，它们吸收了部分中子，停止了链式反应，一段时间后，反应又再次进行，中子又被吸收，反应减缓停止，直到U-238的浓度不再支撑核反应。

奥克洛核反应堆的证据

那么我们怎么知道西非加蓬奥克洛曾经发生过核反应呢？有以下几个原因。

• 首先，在1972年法国的初步调查中，发现该地点的U-235浓度远远低于通常在自然界中观察到的浓度；事实上，来自奥克洛样品的浓度与在废核燃料中发现的浓度相似。

• 其次，法国人还发现了该遗址其他同位素的差异，包括钕和钌，两者都与U-235裂变相一致。
• 第三，在2004年的一项研究中，华盛顿大学的物理学家在调查现场时发现，化石中通过核裂变产生了大量的锆、铈和锶。
• 第四，美国学者还发现，奥克矿床含有迄今发现的最大浓度的由裂变产生的氙和氪。

奥克洛反应堆给我们的启示

我们的裂变反应堆通常会产生大量有毒废物，如何处理核废料一直是我们头疼的问题，但是从奥克洛反应堆中，我们发现大自然母亲可以安全地处理这些核废料。据华盛顿大学的研究人员称，该天然反应堆将有毒废物（Xe和kr85）安全地困在了化合物磷酸铝中，并且达到了一种临界状态！这为我们往后处理核废料提供了一种思路。

现代核反应要先将铀浓缩，那17亿年前的加蓬核反应堆是如何运行的？

核反应堆都需要将铀矿浓缩吗？其实不一定哦，需要浓缩铀有几种方式，比如轻水反应堆，还有核潜艇用的高浓度浓缩铀核反应堆，或者原子弹或者氢弹中的裂变材料，但有一种核反应堆并不需要高浓缩铀，甚至直接用铀矿石，它叫做：重水反应堆

重水反应堆

我们得先来了解下什么叫做裂变，要不然无论是轻水堆还是重水堆都有点云里雾里，我们常见的核燃料就是U-235，也就是92号铀元素的235核子数的同位素，238的不容易裂变，而用钚造价非常昂贵，没有人会用它来发电，因此你看到核燃料第一反应是U-235肯定没错。

U-235的原子核有92个质子和143个中子，在这种高核子数的原子核内部非常不稳定，不仅会通过α衰变释放出一个α粒子（氦四原子核）成为元素钍，当然这个半衰期也有点久，大约7亿年！还能通过中子的轰击产生裂变！而且裂变的过程又会放出多个中子，继续轰击其他铀原子核，产生链式反应的效果。

衰变和裂变都能产生能量，但衰变能量比较低，比如U-235的α粒子衰变只释放出4.679MeV的能量，但自发分裂则能产生202.48MeV的能量。而用来轰击U-235铀原子核的中子有两种，一种是快中子，另一种是慢中子，U-235在受到慢中子轰击时裂变效率比较高，因此需要将裂变时放出的快中子降低速度，而这个减速剂的选择就比较重要了，我们常说的轻水反应堆和重水反应堆的含义就是减速剂不一样！当然两者对核燃料的浓度也有很大的区别。

重水就是氢的同位素氘和氧结合后的一氧化二氘，一般用D2O来表示，可以让中子减速，而且经过其减速的热中子吸收界面小，因此重水反应堆可以使用浓度极低的铀燃料，甚至直接使用铀矿石，当然没有人会用如此暴力操作，毕竟更换铀矿石也是非常麻烦的一件事。

我国采集的第一块铀矿石,于1954年采自广西

而轻水反应堆则使用普通的水作为中子减速剂，当然这个普通的水可不是自来水，水质要求极高，需要经过一个处理流程，但和重水的成本相比，基本就是自来水的价格啦。但轻水的中子减速效率并不是很好（轻水慢化比70，重水慢化比2000），因此经过轻水减速后合适的热中子比例不高，它需要浓度更高的核燃料才能持续裂变释放能量。

似乎听起来重水反应堆完美哈，但事实上全球轻水反应堆装机容量超过90%以上，重水反应堆就那么几个！这是为什么？因为重水反应堆可以生产钚燃料，U-235裂变会产生中子2-3个，除了维持自持裂变外这些被重水减速后的中子可以用来轰击U-238(无法作为核燃料)产生Pu-239(钚-239)，平均裂变一个U-235的原子可以得到0.8个钚原子，这效率相当可以，还可以用来生产聚变材料氚！

钚-239可以用来干什么？当然是原子弹啦，还有氧化钚还是核电池的重要来源，因此全球在运行的重水反应堆被IAEA(国际原子能机构)盯得死死的，毕竟这钚只要几千克就可以制造一枚原子弹，你说能不让人紧张嘛？

为什么加蓬铀矿能形成自然核反应堆？

上文我们说了重水反应堆可以使用极低浓度的铀-235矿石，因为它用了减速效率极高的重水，但加蓬铀矿的并没有重水，它只是有水流经过，理论上来看能构成轻水反应堆的结构！但问题来了，轻水反应堆对铀燃料的浓度要求很高，加蓬铀矿能满足要求吗？

上文我们也说了U-235的半衰期是7亿年左右，因此在距今17亿年时自然界铀矿中的U-235浓度比现在要高得多，现代铀矿石中235的浓度大约是0.72%，按7亿年的半衰期，那么在17亿年前铀矿石的的235浓度超过3%，这可是个不小的浓度！我们来模拟一下这个场景：

矿石在衰变时有一定的比例会释放出中子，撞击其他U235原子核会导致裂变，并释放出2-3个中子，形成基本的链式反应，但裂变产生的快中子U-235原子核无法捕获，因此水的介入就非常有必要了，形成了最为原始的轻水反应堆，尽管它的中子减速能力很差，因此加蓬铀矿的原始反应堆仅能保持比较低的功率，单个反应区域大约在100KW左右（加蓬铀矿有多个天然反应堆）。

加蓬铀矿天然反应堆结构： 1. 核反应区域 2. 砂石 3. 铀矿层 4. 花岗岩

当然水的另一个功能将热量带走，其实在天然核反应堆中有没有水带走热量其实无所谓，毕竟又不是拿来发电，又不是用来取暖，但水的存在是反应堆继续运行的关键。据科学家估计，这个反应堆运行了50万年之久。

大自然的鬼斧神工是可以“营造”出一个核反应堆的，但这种天然核反应堆的输出功率非常非常小，一看就不是什么“远古文明”的手笔

早在1956年物理学家黑田和夫就预测大自然某处可能会有“自持核裂变反应”发生，1972年法国从非洲加蓬共和国进口铀矿用于发电，但开采出的铀矿经过同位素分析后发现浓度只有0.717%甚至0.3%，已经低于0.72%的正常浓度了，这意味着加蓬共和国的铀矿石在过去被“用过”，从而导致浓度降低。

物理学家们最后对加蓬共和国奥克洛铀矿附近展开了抽样调查，结果发现此地的铀矿浓度和其他地区的天然铀矿浓度相比都有所下降，但非洲小国绝无可能自行建造核反应堆，那么浓度下降是什么引起的呢？

答案在于地质变化引发的矿区渗水

地下水和雨水渗透进了放射性矿区，从而使得铀矿的能量释放得到了“天然降温”，这种降温又使得低强度的温和链式反应得以长时间延续下去，直到用于降温的水被全部蒸发完毕为止，所以说“远古文明的核反应堆”这一说法并不靠谱。

后来统计物理学家们在奥克洛矿区附近还发现了17处天然核反应堆，这些反应堆的功率有大有小，但一直处于断断续续“运行”阶段，有理论认为这种断断续续可能是因为缺乏降温水而引发的。

可以肯定的是地球诞生46亿年来类似的“天然核反应堆”在全球可能都有分布，但它们释放的能量并没有被加以利用，这也是核反应堆与核电站的根本区别。