20亿年前，有人建造了一座核反应堆？

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《把科学带回家》世界各种未解之谜、不明飞行物探索等书籍内容经常陆续出，这与当今互联网的现状颇为相似：捕风而无科普的文章和视频往往达到10万+，而严肃的科普内容却往往不冷不热。

在这些世界未解之谜中，最受欢迎的可能是关于外星人、史前文明或时间旅行的故事，比如20亿年前的核反应堆、三叶虫化石上的脚印、电火花塞化石等等。毫不夸张地说，这些故事毒害了一代人。至少大多数90后都或多或少听过这样的故事。

看着这个画风，让我想起了小时候的

1.谣言

在这些故事中，20亿年前的核反应堆可能是最可信的一个。这个故事的原文内容大致是这样的：非洲的加蓬共和国出产铀矿，开采出来的铀矿将用于法国的核反应堆。法国核反应堆在使用这些铀矿石之前，会对铀矿石进行例行抽样检查。1972年，法国一家工厂在抽检中发现异常。人们发现这块铀矿似乎被提炼利用了，于是工厂派研究人员前往加蓬共和国进行调查。

调查的结果让人们大吃一惊。原来，加蓬的铀矿是一个非常古老的大型核反应堆。这个反应堆是20亿年前的，布局非常合理，不超过我们现代的水平。进一步的发现更让人吃惊：原来这个核反应堆在建成后至少平稳运行了50万年，这对我们来说简直是难以想象。这个核反应堆的存在，说明在人类出现之前地球上还存在其他文明，或者说史前时代出现了外星人……

不得不说，这其实是一个很好的谣言。在谣言界，有些谣言完全是凭空捏造的，所以不堪一击；但这个传闻将真实的故事和伪造的结局完美结合，达到了普通人难以分辨真假的地步。

这个故事的前半部分是一个真实的事件。加蓬共和国确实生产铀，法国也确实从加蓬进口铀矿。核电站在使用铀矿石之前必须提炼铀。为了更有效地提取铀矿石，同一批矿石在提炼前将进行分析。在成分分析过程中，法国发现铀矿存在问题，确实派出科研人员对铀矿进行调查。故事的前半部分完全没问题，问题出在后半部分。没有所谓布局合理的核电站。这批铀矿出问题，完全是大自然的奇迹

二、真相

那么，这个谣言的真相到底是什么呢？

众所周知，现代核反应堆离不开放射性元素：铀。自然界中存在铀的三种同位素：铀234、铀235和铀238。在铀的这三种同位素中，铀234的含量可以忽略不计。铀主要是铀235和铀238，其中铀235的比例为0.72%，而铀238的比例为99.28%。无论从世界上的哪个铀矿开采出来，铀235和铀238的比例总是一样的。然而，在已开采的铀矿石中，只有铀235能产生核裂变。核电站使用浓度为3%的铀235，即所谓的低浓铀。浓度大于80%的称为高浓缩铀，大于90%的称为武器级高浓缩铀。

精炼铀饼图/wiki

为了发电，核电站必须对铀矿石进行浓缩，制成3%的低浓铀。1972年5月，法国物理学家弗朗西斯·佩兰（FrancisPerrin）在法国皮埃尔拉特核浓缩厂的铀矿石分析室分析铀矿石时，发现了一个奇怪的现象：在一些加蓬奥克洛矿的铀矿石中，铀235含量普遍偏低，有的0.717%，有的只有0.44%，最低的不到0.29%！

来自Oklo矿的铀矿石标本图片/nhm-wien.ac.at

这一发现引起了世界核科技界的极大兴趣。1975年6月，应加蓬政府的请求，国际原子能机构对奥克洛矿进行了实地勘察和研究，研究发现，奥克洛矿内约有10多个“天然核反应堆”20亿年前，这些“天然核反应堆”断断续续地运转了大约50年。一万年，涉及500-800吨天然铀，释放的能量相当于100亿千瓦时的电能，平均每天发电量只有54.8千瓦时。这个电量，按照美国的人均用电量，足够1.5个美国人用了……要是古代也有科技这么发达的人，或者外星人，连核反应堆都建起来了，太阳能电池板也不是。风能和水电站不香吗？每天只用54.8度的电就折腾出一个核反应堆？

Oklo矿区航拍图/网

Oklo矿区铀矿地层图/网

经过对Oklo矿区地质条件的仔细研究，科学家们终于找到了形成这个“天然”矿层的原因核反应堆”是明确的。

Oklo矿在形成之初其实是一个河岸，河岸上堆积了大量的细砂，在随后的岁月里被埋在地下，越来越多的被压下去，结果，砂岩最终形成。

河流上游和砂岩上层的水向下淋滤，沿途不断溶解铀元素，成为铀矿液。当这些铀矿液遇到砂岩时，疏松多孔的砂岩就像海绵一样，吸收了大量的铀元素，在砂岩中不断富集，最终形成铀矿。

Oklo矿的铀结构，黄色部分是砂岩图片/推特

那么，这些铀矿是如何开始自然核反应的呢？让我们先看看现代核反应堆是如何工作的。

核反应堆和核爆炸的原理非常相似。铀元素会自发衰变，衰变过程中会释放出中子。这些中子在形成后会撞击其他铀元素，从而引发连锁反应。一旦铀的浓度足够高，这种连锁反应就会永远持续下去。核武器中铀的浓度极高，所以连锁反应发生的速度非常快，反应是剧烈的爆炸；核反应堆中铀的浓度低，所以链式反应缓慢，所以可以控制。在链式反应过程中，会释放出大量的热量，这些热量被用来将水煮沸，水变成蒸汽，蒸汽驱动水轮机。这就是核反应堆的工作原理。

连锁反应图/维基

核电站发电原理，简单来说就是锅炉燃烧图/见水印

所以，其实核反应堆的原理很简单:铀元素浓缩，一旦超过临界浓度就会自发发生核反应。为控制核反应速度，反应堆慢化剂一般由石墨、重水、轻水等材料制成。在这个天然反应器中，地下水扮演着调节剂的角色。

早期核反应堆中的石墨慢化剂，天然反应堆中的水代替了石墨，作为调节核反应速率的良好慢化剂图/网

在Oklo矿，部分地区砂岩中的铀元素不断富集，而且可能一下子就被浓缩到了3.6%，远高于现代核反应堆中核燃料棒的浓度。在这个浓度下，这些富铀矿石自然会发生核反应。但是，如上所述，砂岩就像海绵一样。还有地下水，核反应在地下开始。

这个“天然核反应堆”在运行过程中，由于核燃料的消耗，铀的浓度达到临界浓度以下，或者地下水因高温蒸发，连锁反应自然停止渐渐地在这个时候。但是，铀矿液不断地使砂岩中的铀元素富集，地下水又会冒出来，于是又会出现核反应——这就是核反应堆断断续续运行了50万年的原因。