加蓬发现“远古天然核反应堆” 地球曾在二十亿年前自行“开机”裂变

在人类掌握核裂变技术、建造核电站之前近二十亿年，地球本身就已经在地壳深处运行着一批天然核反应堆，并持续运转了数十万年，恰逢最早的多细胞生命开始在地球上出现。

这一离奇现象最早追溯到1972年。法国皮埃尔拉泰的Eurodif铀加工厂在检测一批来自非洲西部加蓬的铀矿石时，意外发现其中铀‑235（U‑235）的含量比“自然标准值”略低，但这种偏差在该矿区所有样品中都一致出现。 天然铀中U‑235的比例约为0.720%，而加蓬奥克洛（Oklo）矿区岩石中只有0.717%，看似只是0.003%的微小差异，却在物理学上极具意义，因为这意味着一部分U‑235已经“消失”，最合理的解释只有一个：这些铀此前经历过核裂变过程，相当于曾被当作“核燃料”使用过。

面对这一异常，时任法国物理学家弗朗西斯·佩兰起初也难以置信。随着进一步分析推进，科研人员在样品中找到了只有核裂变链式反应才能留下的同位素指纹，由此确认奥克洛铀矿带曾在地球内部自然形成并维持过核反应堆，而且不止一个，而是一整组独立的“反应堆区”。 维也纳自然史博物馆自2019年起永久收藏了奥克洛样品，其岩石标本策展人卢多维克·费里耶形容，这是“铀矿自己完成了裂变”，别无他解。

研究显示，二十亿年前的地球环境与今日大为不同。那时天然铀中U‑235的含量约为3%，大致接近部分现代核反应堆燃料的浓度水平，但仅有这一点还不足以维持自持链式反应。 在奥克洛，当地地下水长期渗流过富铀岩层，水中的氢原子充当了天然“中子减速剂”，类似于当今许多水冷堆利用水慢化中子的方式，使本来极少见的自发裂变事件得以被放大并接力，引发和维持一段时间的链式反应。

这一天然核反应堆并非持续不间断运转，而是呈现周期性“开关机”。当裂变产生的热量积累到一定程度，局部温度升高会将地下水煮沸，水蒸发离开裂变区，相当于撤走了“慢化剂”，链式反应随之熄火。 待岩石逐渐冷却、地下水重新渗入裂变带后，中子再次被减速下来，反应堆又重新“点火”启动，如此循环，历时数十万年。 国际原子能机构（IAEA）的彼得·伍兹指出，就像现代轻水堆一样，一旦缺少能减速中子的介质，裂变链式反应便无法继续，而在奥克洛，水既是减速剂，也是调节“功率”的关键因素。

自1972年这一现象被系统认识以来，科学家在奥克洛主铀矿带内已辨认出至少15个天然反应堆区，附近的班贡贝（Bangombé）一带也发现了类似遗迹。 每个反应堆在活跃期被估算可释放约100千瓦热功率，以现代核电标准来看算不上庞大，但在远古地球环境中，这是一股极不寻常的地质能量来源。 有学者在2011年的论文中称，“奥克洛现象”是20世纪地球科学与核物理领域最令人惊异和意外的发现之一。

值得注意的是，这样的天然核反应堆如今已不可能再在自然界重新“自发搭建”。随着地质年代推移，天然铀中U‑235的比例衰减到如今的约0.7%，远低于能够在自然条件下维持链式反应的门槛，如今的核反应堆必须依靠人工浓缩才能运作。 虽然奥克洛所在地区仍是重要的铀矿开采基地，但这一带对科学界而言价值更在于提供了一个独一无二的天然“实验室”，让研究者得以从地质记录中追踪远古核裂变过程及其对周围环境的长周期影响。

正如伍兹所言，时间、地质条件与水文环境这三重因素以极其罕见的方式叠加在一起，才让奥克洛天然反应堆得以在二十亿年前短暂“点亮”地球，并将故事保存至今。 他形容，这像是一宗跨越地质时代的“侦探案”，而科学界已经成功拼合出关键线索，揭示了地球史上这段几乎不可复制的核能奇景。