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20亿年前,有人建造了一座核反应堆?

2020-09-18  yzhgni
虎嗅
2020/9/18 09:29

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:沈梦溪

猎奇可能是每个人与生俱来的本能,那些写着各种各样的猎奇内容的书,诸如各种世界未解之谜、UFO探秘之类的,往往出版了一本又一本,这和如今互联网的现状倒是颇有异曲同工之妙:那些捕风捉影,但偏偏毫无科学性的文章和视频经常10万+,但正儿八经做科普的内容则往往不愠不火。

在这些世界未解之谜故事中,最受欢迎的可能要数外星人、史前文明或是时空穿越的故事,比如20亿年前的核反应堆,三叶虫化石上的脚印,化石里的电火花塞等等。说这些故事毒害了一代人都不为过,至少大部分90后都或多或少听过这类故事。

看这个风格,就有小时候的味道了

一、谣言

在这些故事中,20亿年前的核反应堆可能是看起来最有板有眼的一个了。这个故事的原文内容大致是这样的:在非洲的加蓬共和国出产铀矿,开采出来的铀矿会供给法国的核反应堆使用。法国的核反应堆在使用这些铀矿之前会对铀矿进行例行抽检,1972年的时候,法国的一家工厂就在抽检中发现了异常,人们在化验中发现这种铀矿石好像都是被提炼和使用过的,于是工厂就派出了科研人员前往加蓬共和国考察。

考察的结果让人们大吃一惊,原来加蓬的这个铀矿是一个非常古老的大型核反应堆,这个反应堆年代在20亿年前,而且它的布局非常合理,我们现代的水平也不过如此了。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顺利运转了50万年以上,这对于我们来说简直不可想象。这个核反应堆的存在说明要么在人类之前,在地球上还存在其他的文明,要么在史前出现过外星人……

不得不说,这实际上是一个非常优秀的谣言。在谣言界,有些谣言完全是凭空捏造的,所以不堪一击;但是这个谣言把真实发生的故事和伪造的结局完美地结合在了一起,达到了让一般人真假难辨的地步。

这个故事的前半部分是真实存在的事件。加蓬共和国确实产铀,法国也确实从加蓬进口铀矿,核电站在使用铀矿之前要提炼这些铀,为了更有效率的提炼铀矿,所以在提炼之前会对同一批次的矿石进行成分分析。法国在成分分析的过程中发现铀矿有问题,也确实派出了科研人员对铀矿进行调查。故事的前半部分完全没问题,但是问题在于故事的后半截,并没有什么所谓的布局合理的核电站,这批铀矿石出现问题,完全是大自然的鬼斧神工而已。

二、真实

那么,这个谣言的真相到底是怎样的呢?

我们都知道,现代的核反应堆都离不开放射性元素:铀。铀在自然界有三种同位素:铀234、铀235、铀238,这三种铀的同位素中,铀234的含量可以忽略不计,铀矿中主要是铀235和铀238,其中铀235的比例为0.72%,而铀238的比例则有99.28%,无论从世界上哪一个铀矿中采掘出来的矿样,铀235和铀238的比例都始终不变。

不过,在开采出来的铀矿中,只有铀235才能产生核裂变,核电站使用的是浓度为3%的铀235,这就是所谓的低浓缩铀了。若浓度大于80%则称为高浓缩铀,大于90%则称为武器级高浓缩铀。

提炼后的铀饼 图/wiki

核电站为了发电,所以必然要对铀矿石进行浓缩,才能制成3%的低浓缩铀。1972年5月,法国物理学家弗朗西斯·佩兰(Francis Perrin)在法国皮埃尔拉特核浓缩工厂中的铀矿分析室进行铀矿石分析的过程中,发现一个奇怪的现象:在一些来自于加蓬奥克洛矿场的铀矿石里面,铀235的含量普遍偏低,有的为0.717%,有的仅为0.44%,最低不到0.29%!

来自奥克洛矿场的铀矿标本 图/nhm-wien.ac.at

这个发现引起了世界核科技界的极大兴趣,1975年6月,应加蓬政府要求,国际原子能机构对奥克洛矿场进行了现场勘测和研究,研究发现:距今约20亿年前在奥克洛矿场曾有10多座“天然核反应堆”,这些“天然核反应堆”断断续续运行了约50万年,涉及到500吨~800吨天然铀,释放出来的能量相当于100亿度电,平均下来每天发电量不过54.8度。

这点电量,按照美国的人均使用量,也就够1.5个美国人用的……要是远古真有科技这么发达的人或者是外星人,连核反应堆都搞出来了,搞个太阳能电池板或者是风能水能电站就不香吗?就为了每天54.8度电折腾出一个核反应堆来?

奥克洛矿场航拍图 ,图/网络

奥克洛矿场中的铀矿地层,图/网络

科学家们在细致研究了奥克洛矿场的地质条件之后,终于搞清楚了这个“天然核反应堆”的形成原因。

奥克洛矿场在形成之初实际上是一个临河的河岸,在河边沉积了大量的细砂,这些细砂在随后的岁月中被埋入地下,并被压的越来越实,最终形成了砂岩。

来自河流上游和砂岩上层的水向下淋滤,沿途不断溶解铀元素,成为铀矿矿液,这些铀矿矿液遇到砂岩后,疏松多孔的砂岩就好像一块海绵一样,吸附了大量的铀元素,这些铀元素不断在砂岩中富集,最终形成了铀矿。

奥克洛矿场中的铀矿结构,黄色部分就是砂岩 图/Twitter

那么,这些铀矿又是怎么开启了天然核反应呢?我们先来看看现代核反应堆的原理。

核反应堆和核爆炸的原理都很相似,铀元素会自发发生衰变,在衰变过程中会释放出中子,这些中子在形成后会撞击其他的铀元素,从而引发链式反应,一旦铀元素浓度足够高,这种链式反应就将一直进行下去。

核武器中的铀元素浓度极高,所以链式反应发生的速度极快,反应出来就是剧烈的爆炸;核反应堆中的铀浓度较低,所以链式反应速度慢,所以可以进行控制。在链式反应过程中,会释放大量的热,用这个热量去烧水,水变成蒸汽,蒸汽推动水轮机,这就是核反应堆的工作原理。

链式反应 图/Wikimedia

核电站发电原理,简单来说就是烧锅炉,图/见水印

所以,其实核反应堆的原理很简单:铀元素富集,一旦超过临界浓度就会自发发生核反应。控制核反应的速度,一般用石墨、重水、轻水等材料制成反应堆减速剂,在这个天然反应堆中,地下水就扮演了这么一个减速剂的角色。

早期核反应堆中的石墨减速剂,天然反应堆中水取代了石墨的位置,作为一种良好的减速剂调控着核反应的速率,图/网络

在奥克洛矿场,在部分区域内砂岩中的铀元素不断富集,可能一度富集到3.6%,这个浓度已经远远高于现代核反应堆的核燃料棒浓度了。在这个浓度下,这些富含铀的矿石自然就会发生核反应,然而正如前文所说,砂岩又像是一个海绵,实际上能够赋存有大量的地下水——核燃料棒有了,控制核反应速度的地下水也有了,核反应就这么在地下启动。

在这座“天然核反应堆”运行期间,由于核燃料的消耗,铀浓度到达临界浓度之下,或者是由于地下水因高温而蒸发,这时候链式反应自然就会逐渐中止。然而,不断有铀矿矿液让砂岩中的铀元素富集,地下水也会再次涌现,于是核反应又出现了——这就是核反应堆断断续续运行50万年的原因。

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:沈梦溪

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