发现15座古核反应堆遗址！

“我的确看到降落在附近田野上的只是一架德国飞机……两个男人走出来，很有礼貌，并问我去瑞士的路……其中一人向我走过来，他手拿似岩石的东西……”又说： “这给你添麻烦了；好好照料，它是铀。你知道那时战争刚结束……他们不再有时间制造原子弹，且他们现在不需要铀了。”

“当然我相信你，”我勇气十足地回答。“但是它真的是铀吗？”

“绝对是：任何人都可能看到过这东西。它有不可思议的重量，而当你触摸它时，它是热的。此外，在我家里还有。我把它放在阳台上一个略有遮阴的秘密处，这样小孩子就不会接触到它；我常常向朋友们出示，它保持着热度，甚至现在它也是热的。”

——普里莫·列维，《铀》^[2]

1972年6月2日，布兹盖博士（Dr. Bouzigue）做出了一个令人担忧的发现，^[3]这类发现可能有未透露的政治的、科学的，或甚至罪恶的含义。布兹盖是在法国皮埃尔拉特核燃料再处理工厂工作的职员。他的日常任务之一是测量来自奥克洛河附近铀矿的矿石的成分，奥克洛河位于法国的一个前殖民地，现在称之为西非加蓬共和国，离大西洋海岸约440公里，见图11.1。他一次又一次检验天然铀矿石的成分，即通过分析六氟化铀的气体样本，来比较铀的两种形态的同位素铀235同位素与铀238同位素的含量。^[4]两种同位素之间的比例是至关重要的。我们从地球上开矿得到的天然形成的铀几乎全部都是238同位素形态。^[5]这种形态的铀不会产生自持的链式核反应。如果它会发生这样的反应，我们的行星在很久以前早已爆炸了。为了制造一颗原子炸弹或产生链式反应需要寻找有活性的铀235同位素。在天然铀中，铀235的成分不超过百分之一，而大约需要达到20％才能启动链式核反应。武器级的或“浓缩的”铀实际上含有90％的铀235。以上这些数字使我们能够在夜晚放心地睡安稳觉，因为根据上面的知识，我们底下的地球不会自发地开始一场永不停止的链式核反应，把地球变成一颗巨大无比的炸弹。但是谁知道，或许某个地方存在超过平均值的铀235呢？

图11.1　奥克洛河在西非的位置。

布兹盖测量铀235对铀238同位素的比率达到很高的精确度。它们是关于材料质量的重要的检验数据，将最终用于法国的核工业。这是一项常规工作，但在1972年6月那一天，他的细心留意有了回报。他注意到某些样品显示的铀235对铀238的比率为0.717％，而不是通常值的0.720％，对所有地球上的样品——甚至对陨石和月球岩石通常发现均为此值。从经验知道这个“通常值”是如此精确，^[6]而且它如此准确地反映于所有样本。因此，这个小小的偏差敲响了警钟。失去的0.003％的铀235到哪里去了？好像是这些铀已被用于某核反应堆作燃料，从而在它被开采之前铀235的丰度已耗竭。

法国原子能委员会考虑了所有各种可能性。或许这些样品受到来自处理工厂某种已用过燃料的污染？但是没有任何强放射性的证据说明伴有用过的燃料，而且工厂的库存也没有丢失耗尽的六氟化铀。甚至连恐怖分子以某种形式盗窃材料或来自地球外的矿物的沉积等可能性都提出来了。但是渐渐地调查研究发现，偏离的根源在于天然铀沉积本身。在铀矿所在的矿层中铀235与238之比天然地较低。调研者检查了铀矿石运输和处理的每个步骤，从在加蓬的原始矿石的开采和当地的碾磨，到抵达皮埃尔拉特浓缩工厂之前在法国的处理过程。没有发现任何不适当的做法。来自奥克洛矿的铀恰好有别于来自任何其他地方发现的矿。自从1970年开始开采起，所有装运到法国保存的样本全部显示铀235略有耗尽。已经开采的700吨铀，“丢失的”铀235的总质量达200公斤。

当对铀矿所在地进行了越来越仔细的调查后，很快就搞清楚丢失的铀235已被毁于矿层中。一种可能性是某种化学反应已把它去除而留下铀238未受损失。不幸的是，铀235与238的相对丰度不会因地球内部已发生的化学反应过程而有不同的影响。这类过程能使富有铀矿石的地球某些地区付出其他代价将它溶解并运送它到附近地方，但它们不会改变这两种同位素的平衡，不管它是溶解的或是悬浮的矿石构成。只有核反应和衰变能做到这样（见图11.2）。

图11.2　一个铀235核的裂变。

调查者逐渐明白一个意想不到的真相。耗尽的铀235矿层包含有独特的30种或更多种其他的元素，它们都是核裂变反应的副产品。它们的丰度完全不像未发生过裂变反应的岩石中天然出现的丰度。从人造反应堆的一些实验，人们知道泄露真情标志的核裂变产物。最终在奥克洛鉴别出六种独特的具有天然核反应堆活动性的矿层。出现的某些元素，如钕，有多种同位素，但不全部是裂变产物。因此，非裂变产物在天然反应开始之前为所有同位素丰度提供了一个标准规格，从而使我们（能够）确定这些反应的效果和运行时间。^[7](www.xing528.com)

值得注意的是，看来大自然已协力促成产生一个天然核反应堆，在20亿年前已经在地球表面之下产生了一个自发的核反应。^[8]正是在加蓬地质历史上这个事件导致了在今天铀矿地有裂变产物的累积。作为这些轰动的发现的结果，在1972年有一个时期停止了开矿，却进行详细的地质化学的调查。终于发现了15座已成为化石的古反应堆遗址，其中14座在奥克洛，而另一座向南约35公里，在班贡贝。

1956年，一位在阿肯色大学工作的名叫保罗·黑田的日本物理学家，曾预言这类事件有可能在大自然里发生。^[9]黑田考虑了几乎所有的关键条件：核反应所需要的铀的浓度，核反应可能发生的昔日时刻以及铀235与铀238的比率。^[10]但是他想地球上没有一个地方能同时满足所有这些特殊条件。然而黑田忘了一个有意义的可能性，即奥克洛的地质学已创造出适合它本身的状况。

第一座人造核反应堆产生于1942年12月2日，作为著名的曼哈顿计划的一部分，最终制造出第一颗原子弹。人们将重核破碎成轻核，释放出能量和快速运动的中子，中子又击破更多重核并释放出更多的能量和中子。人工的反应堆通过采用“减速剂”如石墨或水来控制，它们吸收中子使反应慢下来。发射出来的中子具有很高的速度，而在这样的状态下很容易被铀238核吸收。它们需要大大地减慢速度以便有较高的概率被另外的铀235核吸收，从而维持链式裂变反应。当需要减慢反应时可将石墨棒插入和抽出相互作用区域。没有这样的减速效应，核反应一旦达到临界水平会像滚雪球般失控。那么在奥克洛出现什么减速事件呢？

调查者在奥克洛发现裂变产物的独特的“确凿证据”，表明发生过链式核反应。虽然今天铀235的天然丰度相对于铀238大约只有0.7％，在整个地球历史中这两种同位素之比并不是常数。它们两者缓慢衰变但速率不同。铀235的半衰期约为7亿年而铀238约为45亿年。衰变较快的铀235意味着，相对于铀238，铀235在过去比在今天数量更多。当地球大约在45亿年前形成时，天然铀中大约含有17％的铀235。大约25亿年之前，当地球年龄为20亿年时，铀235与铀238的比值应降到3％左右，大约正好能启动链式反应，这种反应以水来减速。

奥克洛的铀矿藏首先是在20世纪60年代被发现的，它有几公里长和约700米宽。该矿藏源于地球形成期间原先沉积在地壳中的铀。它的原始丰度是非常小，平均只有地球组成的百万分之几。它的来源，像地球中所有其他重元素一样，在于众恒星。铀在恒星中形成，并在凝结成小岩石之前被喷射到太空，小岩石在太阳系处于早期阶段聚集成固体行星。在地球形成之后接着是与强烈地质活动相关的年代，由于富铀矿层在花岗岩岩席顶部沙石层内的偶然沉积，使奥克洛天然反应堆成为可能。经过几百万年铀层顶部有近一千米厚的沙质沉积岩被冲刷掉。花岗岩层倾斜约45度，这就导致在斜坡底部地下深处雨水和可溶解的铀氧化物的堆积（见图11.3）。

图11.3　奥克洛反应堆地址的地质特征是富铀矿层花岗岩层倾斜约45度。这造成地下深处有雨水和可溶解的铀氧化物堆积。

氧化的环境需要有水产生，而地球生物圈的显著变化带来了浓缩铀所需的水。大约在20亿年以前，由蓝绿藻的生长带来了大气层的变化，这些水藻是第一批能够进行光合作用的生物有机体。它们的活性增加了水中的氧含量，并使有些铀变成可溶解的氧化物。在奥克洛，在随后近20亿年的历史期间铀的沉积物埋得足够深，可防止它们重新分解和弥散。只有在最近200万年期间，有部分矿石沉积物到近地面处被矿藏勘探者发现和被开采。

这不是天然反应堆所需特殊条件的结果。富集的铀矿层需要足够的厚度，以防止第一批核反应产生的中子简单地逃逸，而且它还必须避免受中子抑制剂的污染，这些抑制剂会吸收所有中子而关闭链式反应。

在20亿年前，一旦可溶解铀的浓度达到超过约10％，核反应不但能够启动，而且能以稳定的自动调节的方式持续。为了不让中子正好能逃逸出去，而使反应熄灭，矿层至少需要半米厚。当反应进行得更快，以致温度上升时，水就变成蒸气，并且使与水分子碰撞的中子减速。这样就使反应放慢，使温度降低，使蒸气凝结，回到液体水的状态，并减少了被吸收的中子数。其结果，核反应随后又加快。这种断断续续的活动循环似乎间歇式地重复了将近100万年，在反应堆最终自身关闭之前，链式反应持续的时间是变化不定的，从只有几年到几千年。^[11]在奥克洛铀矿层范围内的六处地址约有1吨铀235已被裂变掉，^[12]产生的能量比天然放射性衰变成铀238的漫长过程所产生的能量大100万倍。在每个矿址上，裂变的衰变产物的特征依然能说明事实真相。^[13]这是足够令人瞩目的，而随后得出的见解，使奥克洛反应堆成为我们理解大自然的常数是一块重要的试金石。