道法自然？天然核反应堆或启发人类安全处理核废料

★引言★

▲20亿年前的天然核反应堆遗址（位于非洲加蓬共和国Oklo矿区）

大自然的鬼斧神工在地球上塑造出诸多自然奇观的同时，也常常留下一些深奥的科学道理供人类逐个发现和破解。位于非洲加蓬共和国奥克罗（Oklo）铀矿区的天然核反应堆就是其中这样一个例子。

随着研究的不断深入，科学家发现这个铀矿区至少存在过16个天然核反应堆，它们除了向人类演示无控制棒自我调节反应堆功率等与现代轻水反应堆核电站截然不同的特点外，更是给人类提供了一个研究自然环境下危险核废物迁移、滞纳机理的绝佳机会。最新的发现或许给人类安全处理核废物带来诸多有益的启示。

1、发现经过

奥克罗(Oklo) 铀矿位于非洲加蓬共和国弗朗斯维尔市附近，法国于1968年发现这个矿区并从中获得其核计划所需的铀。

1972年6月，在法国皮埃拉特的一家分离浓缩U-235的气体扩散工厂里，工作人员鲍齐奎斯在对一罐六氟化铀进行常规分析时，发现其中铀-235的含量只有0.7171%，而不是应有的0.7202%自然含量，这罐六氟化铀是由来自奥克罗矿区的铀矿石加工而成。接着又测到好几批来自该矿区的铀原料都有这种偏低的结果，这种异常引起了科学家的关注。

经过实地调查，虽然它是一个含铀量很高的高品位铀矿，但是铀的同位素组分与别处迥然不同，铀-235所占比例在整个矿区内都有不同程度的降低，铀-235组分的平均值约为0.62%，而已测得的铀-235组分的最低值只有0.296%。

这一发现使科学家们猜测到，奥克罗铀矿区可能发生过链式核裂变反应。接下来的研究表明，铀矿石中的钕和钐丰度与自然界中的差别很大，这正是铀-235发生链式核裂变反应的证据，由此证实了科学家们的猜想。

上述发现是在1972年9月25日通过两条通讯途径通报法国科学院的。当时物理上完整的反应地区还未确定。事实上，已开采的铀矿暂未停工，而已开采出来的矿石转变成铀盐而进入工业生产。

1975年6月, 应加蓬政府的要求, 国际原子能机构组织了专门的学术讨论会. 现场勘测证实了鲍齐奎斯的发现, 还测知了某些“ 天然反应堆” 的遗迹及其附近矿石中存在的铀-235裂变产物( 如镧、铈、镨、钕、钐、钆、钚、钇、锆、钌、铑、钯、镓、铌、银、钼、碘、氪、氙等元素)。依据勘测资料, 专家们断定： 距今约20亿年前在奥克罗矿区曾有16座“ 天然反应堆”断断续续地运行了约50～200万年, 涉及到500～800吨天然铀, 消耗铀-235约6吨, 释放了共约36 兆焦耳的能量。

2、运行原理

早在1953年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的乔治·W·韦瑟里尔(George.W. Wetherill)和芝加哥大学的马克·G·英格拉姆(Mark.G.Inghram)就指出，一些铀矿矿脉可能曾经形成过天然的核裂变反应堆，这个观点很快便流行起来。其后不久，美国阿肯色大学的一位美籍日裔化学家黑田和夫(Paul.K.Kuroda)计算出了铀矿自发产生“自持裂变反应”(self-sustained fission)的条件。

所谓自持裂变反应，即可以自发维持下去的核裂变反应，是从一个偶然闯入的中子开始的：它会诱使一个铀-235原子核发生分裂，裂变产生更多的中子，又会引发其他原子核继续分裂，如此进行下去，形成连锁反应。

黑田和夫认为，自持裂变反应能够发生的第一个条件是，铀矿矿脉的大小必须超过诱发裂变的中子在矿石中穿行的平均距离，也就是0.67米左右。这个条件可以保证，裂变的原子核释放的中子在逃离矿脉之前，就能被其他铀原子核吸收。

第二个必要条件是，铀-235必须足够丰富（达到临界质量）。今天，即使是储量最大、浓度最高的铀矿矿脉也无法成为一座核反应堆，因为铀-235的浓度过低，甚至连1%都不到。不过这种同位素具有放射性，它的衰变速率比铀-238快大约6倍，因此在久远的过去，这种更容易衰变的同位素所占的比例肯定高得多。根据推算，20亿年前奥克罗铀矿脉形成的时候，铀-235所占的比例接近4%，与现在大多数核电站中使用的、人工提纯的浓缩铀燃料的浓度大致相当。

第三个重要因素是，必须存在某种中子“慢化剂”(moderator)，减慢铀原子核裂变时释放的中子的运动速度，从而使这些中子在诱使铀原子核分裂时，更加得心应手。最终，矿脉中不能出现大量的硼、锂或其他“毒素”，这些元素会吸收中子，因此可以令任何核裂变反应戛然而止。

经勘探，奥克罗铀矿床形成于未变质的元古界弗朗斯维尔系( 20亿年前)下部的黑色砂岩中。矿化赋存于海陆交界处的河流三角洲相中，呈似层状，厚6-10米，长约900米，宽约600米,矿石品位平均为0.4%，金属储量15000吨。露天开采,年产金属铀1000吨。矿石中富含有机质及黄铁矿在氧化-还原界面，有赤铁矿斑点处，矿石品位高，UO₂可达20-60%。天然反应堆发现于矿层中粘土化发育处。在300余米距离内,已发现反应堆16个。反应堆的地质特征是铀品位特富(含铀25～50%),周围全部是不含石英的泥质岩石。这些泥岩呈绿色或黑色，不见沉积构造。反应堆总是出现在含矿的砂、砾岩层变薄之处。泥质岩石和“矿堆”的总厚度在0.2-3米之间，长度可达15-20米。

由此可见，20亿年前的奥克罗铀矿床完全满足黑田和夫描述的铀矿自发产生“自持裂变反应”的所有条件。奥克罗铀矿地质构造见下图。

▲奥克罗铀矿结构：1-核反应堆；2-砂石；3-铀矿层；4-花岗岩

正如现在普遍采用的轻水反应堆核电站用轻水做慢化剂一样，在奥克罗铀矿床，地下水是天然的慢化剂，使铀-235裂变时产生的快中子慢化，从而使链式反应持续，形成了天然的反应堆；它放出的热量加热了地下水，使其沸腾汽化，于是链式反应停止，热量散失，地下水又流了过来，核裂变反应又重新开始。如此反复进行，使铀-235大量消耗，至不能维持链式反应为止。水的不断流入和沸腾汽化，起到了现代反应堆控制棒的作用。

3、对人类处理核废物的启发

奥克罗核反应堆犹如今天的间歇泉，有着天然形成的自我调节机制。它们在核废料处置和基础物理研究方面，给科学家们提供了全新的思路。

美国科学家乔治·A·考恩于1976年7月在《科学美国人》期刊上发表了一篇《天然核裂变反应堆》的文章，文中他讲解了当时的科学家对这些远古核反应堆运行原理的猜测，指出天然裂变反应堆能够储存那些一度被认为肯定会对环境造成污染的核废料。自从核能发电问世以来，核电站产生的大量放射性氙-135、氪-85和其他惰性气体，都被释放到大气之中。对天然裂变反应堆的研究表明，磷酸铝矿物拥有一种独一无二的能力，能够俘获和储存这些气体废料达几十亿年之久，把这些废气封存在这种矿物之中也许是可行的。

近期，华盛顿美国海军研究实验室的Evan Groopman和他的同事们从奥克罗的天然反应堆中检测了核废料样本，目的是弄清楚那些古老的核反应留下的放射性元素是如何迁移的。核裂变最危险的副产品之一是放射性铯，如果它进入土壤或水中，就会引起严重的健康问题。Groopman说，铯挥发性特别强，如果储存核废料的容器破裂，铯会立即挥发。研究人员发现，铯并没有从古老的核反应堆中泄漏出来。相反，它被困在另一种元素——钌的分子结构中。Groopman说，这意味着钌元素可能有助于控制核废料。

核设施产生的危险放射性废物令公众“谈核色变”，某种程度上也成为了阻碍核电发展的主要因素。人类目前运行的核电站，对产生的放射性废气碳-14、氪、氙等一般采用直接排放到环境中的方法；对废液中的铯等放射性核素则设置了复杂的工艺系统进行阻拦；对危险放射性废物的处理更是穷尽手段而不能自安。相比之下，天然核反应堆以它独特的包容方式将这些危险放射性废物限制在一定区域内长达二十亿年不发生迁移，这确实值得我们深入研究。

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