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遠古科技:20億年前核反應堆

非洲加蓬共和國的奧克洛礦區,是20億年前的核反應堆。(網路圖片)
非洲加蓬共和國的奧克洛礦區,是20億年前的核反應堆。(網路圖片)

文/《未解之謎》製作小組
核廢料的處理問題常令政府及專家頭痛,非洲小國加蓬共和國(Gabon)有個全世界唯一的、20億年前的核反應堆,它奇特的運轉方式以及核廢料處理方式,令當代科學家都嘖嘖稱奇。

1968年法國發現加蓬奧克洛(Oklo)地區的鈾礦比較豐富,於是進行挖掘開採。1972年,法國皮埃拉特的一家核燃料廠進口了奧克洛鈾礦石。

工作人員鮑齊奎斯在對礦石的提煉產品六氟化鈾進行常規分析時,發現其中鈾-235同位素的含量僅0.717%,低於自然含量0.720%。在地球上,甚至在月球上或隕石中,鈾-235同位素的自然含量始終都是0.720%。接連好幾批來自該礦區的鈾原​​料卻都測到這種偏低的結果,這種異常現象引起了科學家的關注。

難道這些礦石已經過人工處理了?科學家們帶著疑惑進行了實地調查,很快就發現了原因所在——核裂變。由於較重的原子核一分為二時會產生新的輕元素,而這些鈾礦石中輕元素的含量極⾼,也就是說,這些鈾礦石都已經被當作核反應原料利用過了。

1975年6月,國際原子能機構在加蓬首都利伯維爾市組織了專門的學術討論會。最後一致斷定,距今約20億年前在奧克洛礦區曾有16座核反應堆斷斷續續地運行了約50萬年,平均輸出功率⼤致為100千⽡,約能供應幾⼗個烤麵包機運作。

科學家們揭示出奧克洛核反應堆三大奇特之處。

超常的鈾含量

鈾-235必須足夠豐富達到臨界質量才能導致核裂變的連鎖反應。即使是今天儲量最大、濃度最高的鈾礦礦脈也無法成為一座核反應堆,因為鈾-235的濃度過低,甚至連1%都不到。而根據推算,20億年前奧克洛鈾礦脈形成的時候,鈾-235所占的比例接近4%,與現在大多數核電站中使用的,人工提純的濃縮鈾燃料的濃度大致相當。

神奇的「間歇泉」模式 50萬年不變

鈾-235需在慢中子的撞擊下才會裂變產生能量,而中子剛從鈾原子中分裂出來的時候速度很快,所以必須存在某種中子「減速劑」(moderator),減慢鈾原子核裂變時釋放的中子速度,這樣才能使核反應繼續下去。一般的核電廠中使用的是輕水或者重水。同時為了讓核反應堆能穩定運作不至於發生核爆炸,核反應堆會使用「中子毒物」(Neutron poison),通過吸收多餘的自由中子,來控制核連鎖反應的速度。這種吸收中子的物質通常置於反應堆的控制棒中。

而奧克洛核反應堆則巧妙地採用了間歇泉模式。俄國科學家梅席克(Alex P. Meshik)的研究表明,奧克洛反應堆是運作30分鐘,然後⼜關閉⾄少兩個⼩時30分鐘,然後再啟動。它使用地下水做中子減速劑,而核反應釋放出的熱量又加熱了地下水,使其沸騰汽化,然後在⼀次壯觀的噴發中,排出所有沸騰的地下⽔,沒有了中子減速劑,鏈式反應也就停止了。

然後⽔慢慢回到反應區,中⼦受到適當的緩衝,核分裂再度展開,反應堆又開始工作。如此反覆進行,水的不斷流入和沸騰汽化,起到了現代反應堆控制棒的作用,使得反應堆穩定運作幾⼗萬年,沒有出現過任何熔毀或爆炸事件。

事實上,間歇泉在自然界中是非常罕見的,目前全球也只有美國黃石公園的老忠實間歇泉比較守時。但老忠實僅從1939年時平均間隔時間66.5分鐘,到現在已經逐漸延長至90分鐘。奧克洛的間歇泉系統卻穩定運作了50萬年。

巧妙的核廢料處理方式

核廢料處理在現代核工業中是件非常令人頭痛麻煩的事情。奧克洛核反應堆有幾公里,反應區對周圍環境的熱干擾卻控制在40公尺之內。更讓人吃驚的是,核反應所產生的廢物,並沒有擴散。

核裂變最危險的副產品之一是放射性銫,如果洩露進土壤或水中,就會引起嚴重的健康問題。美國海軍研究實驗室(US Naval Research Laboratory)的格羅普曼博士(Evan Groopman)研究發現,奧克洛核反應堆產生的銫卻被巧妙地結合在了另一種裂變產物釕的分子結構中,從而沒有從古老的核反應堆中洩漏出來。

而另一種核裂變產物,放射性的惰性氣體氙氣,現代核電站一般就是任其釋放到大氣之中。而梅席克教授的研究表明,奧克洛間歇泉的水在噴發後溫度下降時會析出磷酸鋁,磷酸鋁顆粒在形成過程中會捕獲逸出的氙氣,並將其牢牢鎖在自己的結晶體內。格羅普曼博士曾經讚歎說,「反應堆中發生的情況奇蹟般地匯集到了一塊,令人難以置信。」

研究認為,地球的年齡是45億年。而人類的文明歷史大概也就5千年。人們常說,歷史是重複的。如果是這樣,那麼這45億年中曾經會有多少文明、多少人類,在創世、繁榮、沒落與沉寂中輾轉輪回過?20億年前正當盛年的地球,會是孤單星球嗎?◇