天然核裂变反应堆

跳到导航跳跃去寻找化石天然核裂变反应堆是一个铀矿床，在那里发生了自给自足的核连锁反应。这可以通过同位素比率的分析来检验。1956年，黑田东彦(Paul Kazuo Kuroda)预测了天然核反应堆可能存在的条件。[1]1972年，法国物理学家弗朗西斯·佩林在加蓬的奥克洛发现了这一现象，当时的情况与预测非常相似。

奥克洛是世界上唯一已知的地点，由16个地点组成，这些地点被认为在大约17亿年前发生了自我维持的核裂变反应，并持续了数十万年，在此期间平均热功率可能不到100千瓦。[2][3][4]。

1972年5月，在法国皮尔雷拉特的特里卡斯丁铀浓缩厂，对加蓬奥克洛矿的6个UF样品进行了常规质谱比对，发现235U同位素的含量存在差异。正常情况下浓度为0.72%，而这些样品只有0.60%，差异显著。[5]这一差异需要解释，因为所有民用铀处理设施都必须仔细说明所有可裂变同位素，以确保没有任何同位素被转用于武器目的。因此，法国粮食委员会(CEA)开始了一项调查。对奥克洛开采的铀的两个最重要同位素的相对丰度进行了一系列测量，结果显示，与从其他矿山获得的结果相比，结果是异常的。通过对该铀矿床的进一步研究，发现了铀含量为235U的低至0.44%的铀矿床。随后对钕和钌等裂变产物的同位素检查也显示出异常，如下所述。

235U的损失正是核反应堆中发生的情况。因此，一个可能的解释是，铀矿是作为天然裂变反应堆运行的。其他观测也得出了同样的结论，1972年9月25日，CEA宣布了他们的发现，即地球上大约在20亿年前就发生了自我维持的核连锁反应。后来，在该地区发现了其他天然核裂变反应堆。

发现的钕和其他元素的同位素组成与地球上通常发现的不同。例如，Oklo含有不到6%的142Nd同位素，而天然钕含有27%；然而Oklo含有更多的143Nd同位素。从Oklo-Nd中减去天然同位素Nd丰度，同位素组成与235U裂变产生的同位素组成相符。

对奥克洛Ru同位素比率的类似调查发现，99Ru的浓度比其他自然存在的浓度高得多(27-30%比12.7%)。这种反常现象可以用~(99)Tc到~(99)Ru的衰变来解释。在条形图中比较了Ru的正常天然同位素特征和裂变产物Ru的自然同位素特征，后者是235U与热中子裂变的结果。很明显，裂变钌具有不同的同位素特征。由于钼同位素寿命长(半衰期=10.19年)，裂变产物混合物中的100Ru含量较低。在反应堆运行时的时间尺度上，发生到100Ru的衰变非常少。

当富含铀的矿藏被充当中子慢化剂的地下水淹没时，发生了核连锁反应，形成了天然核反应堆。核裂变产生的热量导致地下水沸腾，从而减缓或停止了反应。矿藏冷却后，水返回，反应重新开始，每3小时完成一个完整的循环。裂变反应周期持续了数十万年，当不断减少的裂变材料不再能维持连锁反应时，裂变反应周期就结束了。

铀的裂变通常会产生已知的裂变产物气体氙气的五种同位素；所有这五种都被发现以不同的浓度被困在天然反应堆的残余物中。20亿年后在矿层中发现的氙气同位素浓度，使得计算反应堆运行的具体时间间隔成为可能：大约30分钟的临界时间，然后是2小时30分钟的冷却，以完成3小时的循环。[6]

使这一反应成为可能的一个关键因素是，在17亿年前反应堆进入临界状态时，裂变同位素235U约占天然铀的3.1%，这与今天一些反应堆的使用量相当。(其余96.9%是非裂变238U。)。由于235U的半衰期比238U短，因此衰变速度更快，因此目前天然铀中235U的丰度约为0.70-0.72%。因此，如果没有重水或石墨，地球上就不可能再有天然核反应堆。[7]。

奥克洛铀矿是唯一已知的存在天然核反应堆的地点。其他富含铀的矿体在当时也有足够的铀来支持核反应，但据目前所知，支持连锁反应所需的铀、水和物理条件的组合对奥克洛矿体来说是独一无二的。

另一个可能导致奥克洛天然核反应堆在20亿年而不是更早开始的因素是地球大气层中不断增加的氧气含量。[4]铀天然存在于地球岩石中，在反应堆启动之前，裂变235U的丰度始终至少为3%或更高。铀只有在有氧的情况下才能溶于水。因此，地球老化过程中不断上升的氧气水平可能使铀被溶解，并随地下水运往可以积累足够高浓度形成丰富铀矿体的地方。如果没有当时地球上可用的新的有氧环境，这些浓度很可能不会发生。

据估计，厘米到米大小的矿脉中的铀中的核反应消耗了大约5吨235U，温度上升到几百摄氏度。[4][8]在过去的20亿年里，大多数不挥发的裂变产物和吖系元素在静脉中只移动了几厘米。[4]研究表明，这是处理核废料的一种有用的天然类似物。[9]。

奥克洛的天然反应堆被用来检查原子精细结构常数α在过去20亿年里是否发生了变化。这是因为α会影响各种核反应的速率。例如，149Sm俘获一个中子变成150Sm，由于中子捕获率取决于α的值，因此奥克洛样品中两个钐同位素的比值可以用来计算20亿年前的α值。

几项研究分析了留在奥克洛的放射性同位素的相对浓度，大多数研究得出结论，当时的核反应与今天大致相同，这意味着α也是一样的。[10][11][12]。

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