作者：宋帅华/中国科学院地质与地球物理研究所
提起核反应，大家第一反应可能是这样：
（日本长崎原子弹爆炸时的蘑菇云）
（美国比基尼环礁氢弹核试验）
诚然，“核”字在我们的认知里常常与大规模杀伤性武器相关联，再加上并不老实的朝鲜邻居时不时地搞一些核爆实验，的确让我们有些谈核色变。但是人类在和平利用核能的路上已经走得很远很远。
首先，我们先了解一些略枯燥的定义，所谓核反应指的是某种微观粒子与原子核相互作用（碰撞）时，使核的结构发生变化，形成新核，放出一个或几个粒子的过程，主要包括核裂变反应与核聚变反应等。而核反应堆（nuclear reactor）则是一种启动、控制并维持核裂变或核聚变链式反应的装置。相对于核武爆炸瞬间所发生的失控链式反应，在反应堆之中，核变的速率可以得到精确的控制，其能量能够以较慢的速度向外释放，供人们利用。
（人类历史上第一个核反应堆——芝加哥一号堆）
（瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）内的小型研究型核反应堆CROCUS的堆芯）
（核反应堆控制室）
核反应堆有许多用途，当前最重要的用途是产生热能，用以代替其他燃料加热水，产生蒸汽发电或驱动航空母舰等设施运转。
（美国第三代核动力航空母舰——福特号）
（维珍尼亚级核动力潜艇）
（中国秦山核电站）
一些反应堆被用来生产医疗和工业用途的同位素，或武器级钚。一些反应堆仅用于研究。当前全部商业核反应堆都是基于核裂变的。对核反应堆的合理开发利用，在人类社会发展史上，具有里程碑式的意义。
那么在地球上，是不是只有人类开发过核反应堆呢？
接下来笔者将带大家了解地球上的一处“史前”核反应堆！
概念的提出
1953年美国曾有人研究沥青铀矿时做出过一个粗略的预测，认为20亿年前，当核裂变元素铀235的丰度是3%时，沉积的铀矿便接近于能运行的反应堆。1956年日裔美籍科学家黒田和夫则进一步预言，如果核反应所需的浓度、可能发生的过去时间以及铀235与铀238的比率都满足的话，自发的核反应可能在自然界发生。但是他并不认为地球上能够找到同时满足这些特殊条件的地方。
（黒田和夫）
史前天然核反应堆的发现
直到1972年6月2日，在法国皮埃尔拉特核燃料再处理厂工作的布兹盖博士（Dr. Bouzigue）在进行分析时无意中发现，来自奥克洛河附近铀矿中铀235与铀238两种同位素的比例失常，在地球上所有的铀矿中，铀235的自然丰度是0.7202±0.0006%，而奥洛克的铀235自然丰度是0.7171±0.0007%，少了约0.003%，尽管这一丰度变化很微弱，但还是引起了相关专家的足够重视， 这其中一定发生过某种怪事。
（含有大量铀-235的铀金属）
进一步的分析显示，从该矿采来的一部分矿石中，铀235严重缺斤短两：大约有200千克不翼而飞——足够制造6枚原子弹！
（奥克洛天然核反应堆）
为了防止可以用作核武器的铀235被偷窃，法国原子能委员会进行了调查，但是所有的环节都没有发现问题，而且自从1970年开始开采奥克洛铀矿以来，所有来自这里的铀矿样本都显示铀235略少了一点。
（奥克洛核反应堆附近露头）
通过调查，地质学家认为由于奥克洛特殊的地质条件导致了从20亿年前开始的天然核反应。为了做进一步的地质化学调查，奥克洛铀矿的开采在1972年暂停了一段时间。最后在奥克洛发现了14座已经停止了核反应的古反应堆遗址，另外还在奥克洛南边的班贡贝发现了一座。奥克洛是目前世界上唯一已知的曾经自然发生自持的核连锁反应的地方，共有16处。
（硅铅铀矿）
（粒磷铅铀矿）
天然核反应堆的机理——间歇式核反应
在大约20亿年前，地球上的铀235相对丰度在3%左右，在特殊的条件下，正好能够启动核连锁反应。奥克洛铀矿源于地球形成时沉积在地壳中的铀。经过不断的剧烈地质活动，富铀矿层在花岗岩顶部的砂石层内偶然沉积。又经过数百万年，铀矿层顶部近1千米厚的砂石层被冲刷掉。花岗岩呈45°倾斜，这使得斜坡底部雨水和铀氧化物堆积。
（奥克洛天然核反应堆）
20亿年前恰好蓝绿藻开始生长，它们通过光合作用增加了水中的氧含量，并使一些铀变成了可溶的氧化物。这些独特的地质条件，为天然核反应堆的形成提供了理想的条件。
（奥克洛天然核反应堆地质结构1. 核反应区域 2. 砂石 3. 铀矿层 4. 花岗岩）
当可溶解铀的浓度达到10%后，核反应便能够启动，这个临界状态开始于18.4±0.7亿年。为了不让能够保持反应的中子逃逸，矿层至少需要0.5米厚。同时，铀235自发裂变时产生快中子，而铀235要进行链式反应，需要吸收热中子。要将快中子的速度降低下来，就需要中子减速剂。液态水正好充当了这个角色。当自持性链式反应开始时，反应堆温度升高，水被汽化，热中子的数量下降使核反应速度下降。于是反应堆温度降低，水蒸气又凝结为液态水，热中子的数量上升，再次引发自持性链式反应。就这样，水作为核反应的缓冲剂，以稳定的自我调节方式，使核连锁反应断断续续的间歇进行了近100万年。在奥克洛矿层范围内的6个地址共有约1吨铀235被裂变。
奥克洛天然核反应堆的形成与运转，并不是地外高级文明的杰作，而是我们脚下的地球漫长演化史中的惊鸿一瞥，也许未来在地球上我们还能发现更多的天然核反应堆，而地球科学的魅力之一，也正在于可以慢慢揭开地球隐藏在漫长地质历史时期的一些秘密！
（加拿大布鲁斯核电站——全球输出功率最高的在运营核电站）
部分图片引用自维基百科
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