09.18 道法自然？天然核反應堆或啟發人類安全處理核廢料

大自然的鬼斧神工在地球上塑造出諸多自然奇觀的同時，也常常留下一些深奧的科學道理供人類逐個發現和破解。位於非洲加蓬共和國奧克羅（Oklo）鈾礦區的天然核反應堆就是其中這樣一個例子。

隨著研究的不斷深入，科學家發現這個鈾礦區至少存在過16個天然核反應堆，它們除了向人類演示無控制棒自我調節反應堆功率等與現代輕水反應堆核電站截然不同的特點外，更是給人類提供了一個研究自然環境下危險核廢物遷移、滯納機理的絕佳機會。最新的發現或許給人類安全處理核廢物帶來諸多有益的啟示。

1、發現經過

奧克羅(Oklo) 鈾礦位於非洲加蓬共和國弗朗斯維爾市附近，法國於1968年發現這個礦區並從中獲得其核計劃所需的鈾。

1972年6月，在法國皮埃拉特的一家分離濃縮U-235的氣體擴散工廠裡，工作人員鮑齊奎斯在對一罐六氟化鈾進行常規分析時，發現其中鈾-235的含量只有0.7171%，而不是應有的0.7202%自然含量，這罐六氟化鈾是由來自奧克羅礦區的鈾礦石加工而成。接著又測到好幾批來自該礦區的鈾原料都有這種偏低的結果，這種異常引起了科學家的關注。

經過實地調查，雖然它是一個含鈾量很高的高品位鈾礦，但是鈾的同位素組分與別處迥然不同，鈾-235所佔比例在整個礦區內都有不同程度的降低，鈾-235組分的平均值約為0.62%，而已測得的鈾-235組分的最低值只有0.296%。

這一發現使科學家們猜測到，奧克羅鈾礦區可能發生過鏈式核裂變反應。接下來的研究表明，鈾礦石中的釹和釤丰度與自然界中的差別很大，這正是鈾-235發生鏈式核裂變反應的證據，由此證實了科學家們的猜想。

上述發現是在1972年9月25日通過兩條通訊途徑通報法國科學院的。當時物理上完整的反應地區還未確定。事實上，已開採的鈾礦暫未停工，而已開採出來的礦石轉變成鈾鹽而進入工業生產。

1975年6月, 應加蓬政府的要求, 國際原子能機構組織了專門的學術討論會. 現場勘測證實了鮑齊奎斯的發現, 還測知了某些“ 天然反應堆” 的遺蹟及其附近礦石中存在的鈾-235裂變產物( 如鑭、鈰、鐠、釹、釤、釓、鈈、釔、鋯、釕、銠、鈀、鎵、鈮、銀、鉬、碘、氪、氙等元素)。依據勘測資料, 專家們斷定： 距今約20億年前在奧克羅礦區曾有16座“ 天然反應堆”斷斷續續地運行了約50～200萬年, 涉及到500～800噸天然鈾, 消耗鈾-235約6噸, 釋放了共約36 兆焦耳的能量。

2、運行原理

早在1953年，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的喬治·W·韋瑟里爾(George.W. Wetherill)和芝加哥大學的馬克·G·英格拉姆(Mark.G.Inghram)就指出，一些鈾礦礦脈可能曾經形成過天然的核裂變反應堆，這個觀點很快便流行起來。其後不久，美國阿肯色大學的一位美籍日裔化學家黑田和夫(Paul.K.Kuroda)計算出了鈾礦自發產生“自持裂變反應”(self-sustained fission)的條件。

所謂自持裂變反應，即可以自發維持下去的核裂變反應，是從一個偶然闖入的中子開始的：它會誘使一個鈾-235原子核發生分裂，裂變產生更多的中子，又會引發其他原子核繼續分裂，如此進行下去，形成連鎖反應。

黑田和夫認為，自持裂變反應能夠發生的第一個條件是，鈾礦礦脈的大小必須超過誘發裂變的中子在礦石中穿行的平均距離，也就是0.67米左右。這個條件可以保證，裂變的原子核釋放的中子在逃離礦脈之前，就能被其他鈾原子核吸收。

第二個必要條件是，鈾-235必須足夠豐富（達到臨界質量）。

今天，即使是儲量最大、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。不過這種同位素具有放射性，它的衰變速率比鈾-238快大約6倍，因此在久遠的過去，這種更容易衰變的同位素所佔的比例肯定高得多。根據推算，20億年前奧克羅鈾礦脈形成的時候，鈾-235所佔的比例接近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。

第三個重要因素是，必須存在某種中子“慢化劑”(moderator)，減慢鈾原子核裂變時釋放的中子的運動速度，從而使這些中子在誘使鈾原子核分裂時，更加得心應手。最終，礦脈中不能出現大量的硼、鋰或其他“毒素”，這些元素會吸收中子，因此可以令任何核裂變反應戛然而止。

經勘探，奧克羅鈾礦床形成於未變質的元古界弗朗斯維爾系( 20億年前)下部的黑色砂岩中。礦化賦存於海陸交界處的河流三角洲相中，呈似層狀，厚6-10米，長約900米，寬約600米,礦石品位平均為0.4%，金屬儲量15000噸。露天開採,年產金屬鈾1000噸。礦石中富含有機質及黃鐵礦在氧化-還原界面，有赤鐵礦斑點處，礦石品位高，UO2可達20-60%。天然反應堆發現於礦層中粘土化發育處。在300餘米距離內,已發現反應堆16個。反應堆的地質特徵是鈾品位特富(含鈾25～50%),周圍全部是不含石英的泥質岩石。這些泥岩呈綠色或黑色，不見沉積構造。反應堆總是出現在含礦的砂、礫岩層變薄之處。泥質岩石和“礦堆”的總厚度在0.2-3米之間，長度可達15-20米。

由此可見，20億年前的奧克羅鈾礦床完全滿足黑田和夫描述的鈾礦自發產生“自持裂變反應”的所有條件。奧克羅鈾礦地質構造見下圖。

正如現在普遍採用的輕水反應堆核電站用輕水做慢化劑一樣，在奧克羅鈾礦床，地下水是天然的慢化劑，使鈾-235裂變時產生的快中子慢化，從而使鏈式反應持續，形成了天然的反應堆；它放出的熱量加熱了地下水，使其沸騰汽化，於是鏈式反應停止，熱量散失，地下水又流了過來，核裂變反應又重新開始。如此反覆進行，使鈾-235大量消耗，至不能維持鏈式反應為止。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。

3、對人類處理核廢物的啟發

奧克羅核反應堆猶如今天的間歇泉，有著天然形成的自我調節機制。它們在核廢料處置和基礎物理研究方面，給科學家們提供了全新的思路。

美國科學家喬治·A·考恩於1976年7月在《科學美國人》期刊上發表了一篇《天然核裂變反應堆》的文章，文中他講解了當時的科學家對這些遠古核反應堆運行原理的猜測，指出天然裂變反應堆能夠儲存那些一度被認為肯定會對環境造成汙染的核廢料。自從核能發電問世以來，核電站產生的大量放射性氙-135、氪-85和其他惰性氣體，都被釋放到大氣之中。對天然裂變反應堆的研究表明，

磷酸鋁礦物擁有一種獨一無二的能力，能夠俘獲和儲存這些氣體廢料達幾十億年之久，把這些廢氣封存在這種礦物之中也許是可行的。

近期，華盛頓美國海軍研究實驗室的Evan Groopman和他的同事們從奧克羅的天然反應堆中檢測了核廢料樣本，目的是弄清楚那些古老的核反應留下的放射性元素是如何遷移的。核裂變最危險的副產品之一是放射性銫，如果它進入土壤或水中，就會引起嚴重的健康問題。Groopman說，銫揮發性特別強，如果儲存核廢料的容器破裂，銫會立即揮發。研究人員發現，銫並沒有從古老的核反應堆中洩漏出來。相反，它被困在另一種元素——釕的分子結構中。Groopman說，這意味著釕元素可能有助於控制核廢料。

核設施產生的危險放射性廢物令公眾“談核色變”，某種程度上也成為了阻礙核電發展的主要因素。人類目前運行的核電站，對產生的放射性廢氣碳-14、氪、氙等一般採用直接排放到環境中的方法；對廢液中的銫等放射性核素則設置了複雜的工藝系統進行阻攔；對危險放射性廢物的處理更是窮盡手段而不能自安。相比之下，天然核反應堆以它獨特的包容方式將這些危險放射性廢物限制在一定區域內長達二十億年不發生遷移，這確實值得我們深入研究。