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天然核反应堆:20亿年前的核反应堆之谜

查看:619 / 更新:2022-04-11 12:09

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。

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