加蓬發現“遠古天然核反應堆” 地球曾在二十億年前自行“開機”裂變

在人類掌握核裂變技術、建造核電站之前近二十億年，地球本身就已經在地殼深處運行著一批天然核反應堆，并持續運轉了數十萬年，恰逢最早的多細胞生命開始在地球上出現。

這一離奇現象最早追溯到1972年。法國皮埃爾拉泰的Eurodif鈾加工廠在檢測一批來自非洲西部加蓬的鈾礦石時，意外發現其中鈾?235（U?235）的含量比“自然標準值”略低，但這種偏差在該礦區所有樣品中都一致出現。 天然鈾中U?235的比例約為0.720%，而加蓬奧克洛（Oklo）礦區巖石中只有0.717%，看似只是0.003%的微小差異，卻在物理學上極具意義，因為這意味著一部分U?235已經“消失”，最合理的解釋只有一個：這些鈾此前經歷過核裂變過程，相當于曾被當作“核燃料”使用過。

面對這一異常，時任法國物理學家弗朗西斯·佩蘭起初也難以置信。隨著進一步分析推進，科研人員在樣品中找到了只有核裂變鏈式反應才能留下的同位素指紋，由此確認奧克洛鈾礦帶曾在地球內部自然形成并維持過核反應堆，而且不止一個，而是一整組獨立的“反應堆區”。 維也納自然史博物館自2019年起永久收藏了奧克洛樣品，其巖石標本策展人盧多維克·費里耶形容，這是“鈾礦自己完成了裂變”，別無他解。

研究顯示，二十億年前的地球環境與今日大為不同。那時天然鈾中U?235的含量約為3%，大致接近部分現代核反應堆燃料的濃度水平，但僅有這一點還不足以維持自持鏈式反應。 在奧克洛，當地地下水長期滲流過富鈾巖層，水中的氫原子充當了天然“中子減速劑”，類似于當今許多水冷堆利用水慢化中子的方式，使本來極少見的自發裂變事件得以被放大并接力，引發和維持一段時間的鏈式反應。

這一天然核反應堆并非持續不間斷運轉，而是呈現周期性“開關機”。當裂變產生的熱量積累到一定程度，局部溫度升高會將地下水煮沸，水蒸發離開裂變區，相當于撤走了“慢化劑”，鏈式反應隨之熄火。 待巖石逐漸冷卻、地下水重新滲入裂變帶后，中子再次被減速下來，反應堆又重新“點火”啟動，如此循環，歷時數十萬年。 國際原子能機構（IAEA）的彼得·伍茲指出，就像現代輕水堆一樣，一旦缺少能減速中子的介質，裂變鏈式反應便無法繼續，而在奧克洛，水既是減速劑，也是調節“功率”的關鍵因素。

自1972年這一現象被系統認識以來，科學家在奧克洛主鈾礦帶內已辨認出至少15個天然反應堆區，附近的班貢貝（Bangombé）一帶也發現了類似遺跡。 每個反應堆在活躍期被估算可釋放約100千瓦熱功率，以現代核電標準來看算不上龐大，但在遠古地球環境中，這是一股極不尋常的地質能量來源。 有學者在2011年的論文中稱，“奧克洛現象”是20世紀地球科學與核物理領域最令人驚異和意外的發現之一。

值得注意的是，這樣的天然核反應堆如今已不可能再在自然界重新“自發搭建”。隨著地質年代推移，天然鈾中U?235的比例衰減到如今的約0.7%，遠低于能夠在自然條件下維持鏈式反應的門檻，如今的核反應堆必須依靠人工濃縮才能運作。 雖然奧克洛所在地區仍是重要的鈾礦開采基地，但這一帶對科學界而言價值更在于提供了一個獨一無二的天然“實驗室”，讓研究者得以從地質記錄中追蹤遠古核裂變過程及其對周圍環境的長周期影響。

正如伍茲所言，時間、地質條件與水文環境這三重因素以極其罕見的方式疊加在一起，才讓奧克洛天然反應堆得以在二十億年前短暫“點亮”地球，并將故事保存至今。 他形容，這像是一宗跨越地質時代的“偵探案”，而科學界已經成功拼合出關鍵線索，揭示了地球史上這段幾乎不可復制的核能奇景。