近20亿年前，一座古老的核反应堆在非洲地下燃烧。
1972年5月，法国一家核燃料加工厂的一名工人注意到了一些可疑的事情。他一直在对从一种看似普通的矿石来源提取的铀进行例行分析。与所有天然铀一样，研究中的材料含有三种同位素-也就是说，三种原子质量不同的形式：铀238是最丰富的品种；铀234是最稀有的；铀235是人们梦寐以求的同位素，因为它可以维持核连锁反应。在地壳的其他地方，在月球上，甚至在陨石中，铀235原子占总数的0.720%。但这些样本来自加蓬的奥克洛矿床(前法国在西赤道非洲的殖民地)，铀235仅占0.717%。这一微小的差异足以让法国科学家警觉到发生了一些奇怪的事情。进一步的分析显示，矿场至少一个地方的矿石远远缺乏铀235：似乎少了大约200公斤-足以制造六枚左右的核弹。
几周来，法国原子能委员会(CEA)的专家们一直感到困惑。只有当有人回忆起19年前发表的一项预测时，答案才会出来。1953年，加州大学洛杉矶分校(University Of California At Los Angeles)的乔治·W·韦瑟里尔(George W.Wetherill)和芝加哥大学(University Of Chicago)的马克·G·英格拉姆(Mark G.Inghram)指出，一些铀矿可能曾经是当时流行的核裂变反应堆的天然版本。此后不久，阿肯色大学的化学家保罗·K·黑田东彦(Paul K.Kuroda)计算出，铀矿体需要多少时间才能自发发生自我维持的裂变。在这个过程中，一个杂散的中子导致铀235核分裂，释放出更多的中子，导致这些原子中的其他原子在核连锁反应中分裂。
黑田东彦的第一个条件是，铀矿床的大小应超过裂变诱发中子的平均旅行长度，约为三分之二米。这一要求有助于确保一个裂变核释放出的中子在从铀矿脉逃逸之前被另一个核吸收。
第二个前提是铀235必须有足够丰富的存在。今天，即使是最大规模和最浓缩的铀矿也不能成为核反应堆，因为铀235的浓度不到1%，太低了。但这种同位素是放射性的，其衰变速度大约是铀238的6倍，这表明在遥远的过去，裂变分数要高得多。例如，20亿年前(大约是奥克洛矿床形成的时候)，铀235肯定占到了大约3%，这大致是用来为大多数核电站提供燃料的浓缩铀中人工提供的水平。
第三个重要的成分是中子“慢化剂”，这种物质可以减缓铀核分裂时释放出的中子，使它们更容易诱导其他铀核分裂。最后，不应该有大量的硼、锂或其他所谓的毒物，它们会吸收中子，从而使任何核反应迅速停止。
令人惊讶的是，20亿年前流行的实际条件，研究人员最终确定为Oklo和邻近的Okelobondo铀矿内的16个独立区域，与黑田东彦概述的非常接近。这些区域都是几十年前确定的。但直到最近，我和我的同事们才终于澄清了其中一个古老反应堆内到底发生了什么的主要细节。
光元素中的证明 物理学家证实了这一基本观点，即在异常铀被发现后不久，自然裂变反应导致了奥克洛铀235的枯竭。无可争议的证据来自对当一个重原子核被一分为二时产生的新的、更轻的元素的研究。事实证明，这些裂变产物的丰度如此之高，以至于无法得出其他结论。就像恩里科·费米和他的同事们在1942年著名地证明的那样，核连锁反应肯定已经发生了，这一切都是在大约20亿年前自行发生的。
在这一惊人发现之后不久，来自世界各地的物理学家研究了这些天然核反应堆的证据，并在1975年在加蓬首都利伯维尔举行的一次特别会议上，齐聚一堂，分享他们关于“奥克洛现象”的研究成果。第二年，代表美国参加了那次会议的乔治·A·考恩(George A.Cowan)(顺便说一句，他也是著名的圣达菲研究所(Santa Fe Institute)的创始人之一，他现在仍在那里工作)，为“科学美国人”(Science American)写了一篇文章[参见乔治·A·考恩1976年7月的“自然裂变反应堆”(A Natural Fasting Reector)，他在文中解释了科学家们对这些古老反应堆的运作有何猜测。
例如，考恩描述了铀235在裂变过程中释放的一些中子是如何被更丰富的铀238俘获的，铀238变成了铀239，并在发射两个电子后变成了钚239。超过两吨的这种钚同位素是在奥克洛矿床中产生的。尽管几乎所有这些半衰期为24000年的材料后来都消失了(主要是通过自然放射性衰变)，但部分钚本身经历了裂变，其特有的裂变产物的存在证明了这一点。这些较轻元素的丰富让科学家们可以推断，裂变反应肯定已经进行了数十万年。根据铀235的消耗量，他们计算出释放的总能量，15000兆瓦年，根据这一点和其他证据，他们能够计算出平均功率输出，可能不到100千瓦-比方说，足以运行几十台烤面包机。
十几个天然反应堆自发出现，并设法在可能几十万年的时间里保持适度的功率输出，这真是令人惊叹。为什么这些沉积物的这些部分在核连锁反应开始后没有立即爆炸并自我摧毁呢？是什么机制提供了必要的自我调节？这些反应堆是稳定运行还是断断续续地运行？在最初发现奥克洛现象后，这些谜题的解决方案慢慢浮现出来。事实上，在我和我在圣路易斯华盛顿大学的同事们开始研究这种神秘的非洲矿石之前，最后一个问题已经持续了30多年。
稀有气体顿悟 我们最近在奥克洛的一个反应堆上的工作集中在对氙气的分析上，氙气是一种重惰性气体，可以在矿物中被囚禁数十亿年。氙气有九种稳定的同位素，由不同的核过程以不同的比例产生。作为一种惰性气体，它不会与其他元素发生化学键作用，因此很容易提纯用于同位素分析。氙气极其罕见，这使得科学家可以用它来探测和追踪核反应，甚至是那些在太阳系出现之前发生在原始陨石中的核反应。
要分析氙气的同位素组成，需要质谱仪，这是一种可以根据原子的原子量分离原子的仪器。我很幸运地接触到了一台极其精确的氙质谱计，这台仪器是我在华盛顿的同事查尔斯·M·霍亨伯格(Charles M.Hohenberg)建造的。但是在使用他的仪器之前，我们必须从我们的样本中提取氙气。科学家通常只是加热宿主材料，通常在熔点以上，这样岩石就失去了晶体结构，不能保持其隐藏的氙气藏身之处。为了收集更多关于这种气体的成因和滞留的信息，我们采用了一种更精细的方法，称为激光提取，这种方法从单一的矿物颗粒中选择性地释放氙气，而保持邻近区域的完好无损。
我们将这项技术应用于我们唯一可用的Oklo岩石碎片上的许多微小斑点，这些碎片只有1毫米厚，4毫米宽。当然，我们首先需要决定将激光束准确对准哪里。在这里，霍亨伯格和我依靠我们的同事奥尔加·普拉夫迪夫采娃(Olga Pravdivtseva)，他为我们的样品制作了一张详细的x射线地图，并识别了组成矿物。每次提取后，我们提纯产生的气体，并将氙气送入霍亨伯格的质谱仪，质谱仪显示存在的每种同位素的原子数量。
我们的第一个惊喜是氙气的位置。它并没有像我们预期的那样，在富含铀的矿物颗粒中发现了很大程度的影响。相反，最大的份额被困在根本不含铀的磷酸铝矿物中。值得注意的是，这些颗粒显示出有史以来在任何天然材料中发现的最高浓度的氙气。第二个顿悟是，提取的气体的同位素组成与通常在核反应堆中产生的明显不同。它似乎失去了很大一部分氙气136和134，而这些氙气肯定是从裂变中产生的，而元素中较轻的品种被改造的程度较小。
同位素组成怎么会发生这样的变化呢？化学反应不会起作用，因为所有的同位素在化学上都是相同的。也许是核反应，比如中子捕获？仔细的分析使我和我的同事也拒绝了这种可能性。我们还考虑了有时会发生的不同同位素的物理分类：较重的原子比较轻的原子移动得稍慢，因此有时会与它们分离。铀浓缩工厂-需要相当高技能才能建造的工业设施-利用这一特性生产反应堆燃料。但即使大自然可以幻觉
我们的关键洞察力是意识到我们的Oklo样本中不同的氙同位素是在不同的时间产生的-遵循一个取决于它们的碘父母和碲祖父母的半衰期的时间表。特定的放射性前体寿命越长，它形成氙气的时间就越长。例如，奥克洛在自我维持的裂变开始后大约一分钟就开始产生氙气136。一小时后，下一个较轻的稳定同位素氙气134出现了。然后，在裂变开始几天后，氙气132和131出现了。最后，几百万年后，在核连锁反应终止很久之后，氙气129形成了。
如果奥克洛矿床仍然是一个封闭的系统，那么在其天然反应堆运行期间积累的氙气将保留由裂变产生的正常同位素组成。但是科学家们没有理由认为这个系统是封闭的。事实上，我们有充分的理由怀疑相反的情况。证据来自于考虑到一个简单的事实，即奥克洛反应堆以某种方式自我调节。最可能的机制涉及地下水的作用，据推测，在温度达到某个临界水平后，地下水就会沸腾殆尽。如果没有水作为中子慢化剂，核连锁反应就会暂时停止。只有当一切降温，足够的地下水再次渗透到反应区后，裂变才能恢复。
这张Oklo反应堆可能是如何工作的图片突出了两个重要的点：它们很可能以某种方式断断续续地跳动，大量的水肯定在这些岩石中流动-足以冲走一些氙气的前体，碲和碘，它们是水溶性的。水的存在也有助于解释为什么现在大部分氙气存在于磷酸铝颗粒中，而不是在裂变最先产生这些放射性前体的富铀矿物中。氙气并不是简单地从一组先前存在的矿物迁移到另一组矿物上-在奥克洛反应堆开始运行之前，磷酸铝矿物不太可能存在。相反，这些磷酸铝颗粒可能是在核热水的作用下形成的，一旦它冷却到大约300摄氏度。
在奥克洛反应堆运行的每个活跃期以及之后的一段时间里，当温度保持在较高水平时，大部分氙气(包括相对较快产生的氙气136和134)被驱离。当反应堆冷却时，寿命较长的氙气前体(后来产生氙气132、131和129的那些，我们发现它们相对丰富)优先被并入不断生长的磷酸铝颗粒中。然后，随着更多的水返回到反应区，中子变得适当的缓和，裂变再次恢复，允许加热和冷却的循环重复。结果是我们发现了氙气同位素的特殊分离。
目前还不完全清楚是什么力量将氙气保持在磷酸铝矿物中，几乎在地球生命的一半时间里。特别地，为什么在一个给定的操作脉冲中产生的氙气在下一个操作脉冲中没有被驱离？据推测，它被囚禁在磷酸铝矿物的笼状结构中，即使在高温下，这种矿物也能抓住在它们内部产生的氙气。细节仍然模糊不清，但无论最终答案是什么，有一件事是明确的：磷酸铝捕获氙气的能力确实令人惊叹。
自然界的运行时间表 在我和我的同事们大致弄清楚了观察到的氙气同位素是如何在磷酸铝颗粒内产生之后，我们试图对这一过程进行数学建模。这项试验揭示了反应堆运行的时间安排，所有氙气同位素都提供了大致相同的答案。我们研究的Oklo反应堆已经“开启”了30分钟，“关闭”了至少2.5小时。这种模式与人们在一些间歇泉中看到的没有什么不同，这些间歇泉慢慢加热，在壮观的展示中沸腾其供应的地下水，重新灌水，年复一年地重复这个循环，日复一日。这种相似性不仅支持这样的观点，即流经奥克洛沉积物的地下水是中子慢化剂，而且有时它的沸腾也是保护这些天然反应堆免受破坏的自我调节的原因。在这方面，它非常有效，几十万年来没有一次熔毁或爆炸。
人们可以想象，在核电行业工作的工程师可以从奥克洛那里学到一两样东西。他们当然可以，尽管不一定是关于反应堆的设计。更重要的教训可能是如何处理核废料。毕竟，Oklo是长期地质的一个很好的类比。
奥克洛反应堆可能还会让科学家知道，以前被认为是基本物理常数的α(α)可能会发生变化，它控制着像光速这样的宇宙量(参见约翰·D·巴罗(John D.Barrow)和约翰·K·韦伯(John K.Webb)合著的“非常常数”(Instant Constants)，“科学美国人”，6月版)。三十年来，有20亿年历史的奥克洛现象一直被用来反对已经改变。但去年，洛斯阿拉莫斯国家实验室的史蒂芬·K·拉莫罗和贾斯汀·R·托格森利用奥克洛提出的假设，认为这个“常数”实际上有很大的不同(而且，奇怪的是，与其他人最近提出的相反)。Lamoreaux和Torger Son的计算取决于Oklo如何运作的某些细节，在这方面，我和我的同事们所做的工作可能有助于阐明这个令人困惑的问题。
加蓬的这些古老的反应堆是地球上唯一形成过的反应堆吗？20亿年前，自我维持裂变的必要条件肯定不是太罕见，所以也许有一天会发现其他的天然反应堆。我希望几缕具有说服力的氙气能极大地帮助我们进行这项研究。
