1942年，在芝加哥大學的一個網球場上，著名物理學家費米建造了歷史上第一座反應堆，人類從此進入了核能時代。然而，在非洲加蓬共和國的奧克洛(Oklo)，竟發現一座20億年前就開始運行的反應堆，震驚了全世界。這個反應堆是真實的嗎？它會是史前文明的遺蹟嗎？且聽人馬君為您揭秘：
人類歷史上第一座反應堆
現代核電站
神秘的鈾礦石
上個世紀70年代，正在大力發展核工業的法國，一直從加蓬進口鈾礦。鈾礦石先在加蓬被製成黃餅，再送往法國皮埃爾拉特氣體擴散工廠生產濃縮鈾。在這裡，鈾235的富集度被提升到3%左右，就可以用作核燃料了。富集度，或稱濃度，是指鈾235在鈾元素中所佔的質量分數，在濃縮之前，地球上所有天然鈾礦的鈾235濃度都應該是0.72%，其餘部分基本上都是鈾238，甚至月球上也是這個比例。
鈾精礦粉——黃餅
1972年春，皮埃爾拉特工廠的實驗室發現，工廠所使用的原料裡，鈾235的濃度為0.7171%，比公認的數據少了千分之三。涉核無小事，如果有人偷竊核材料，那這事兒可就大了！於是法國對鈾礦的供應鏈進行了細緻的調查，從法國追溯到加蓬的黃餅工廠，再到一個名為“奧克洛”的露天礦區。調查發現，在1970至1972年，來自奧克洛的鈾實際上僅含有0.69%的鈾235，皮埃爾拉特工廠發現的差異更微小，是因為奧克洛鈾與大量正常的鈾混合了。
奧克洛露天鈾礦
在對奧克洛礦區進行了大量勘探後，在特定的區域，發現了鈾235濃度僅為0.44%的貧化鈾，只有天然丰度的60%，這已不可能用天然形成的理論來解釋。同時在礦區的岩石中，發現了鈾的裂變產物（釤、釹等）。答案已經呼之欲出，這些貧化的鈾是被使用過的，在奧克洛礦區的某個地方，發生過核裂變！
鈾礦內部
礦坑中的反應堆
1973年3月，奧克洛礦區的富集度異常區域被查明：在礦層中，發現了16處異常區域，在這些區域中，出現了鈾235濃度僅0.3%的樣品，再度刷新了下限。人們驀然發現，這些區域就是一座座貨真價實的反應堆！(實際上有17處，另外一處在30公里外的班古貝)
科學家勘探奧克洛鈾礦
這些反應堆早已處於熄滅狀態，根據分析，它們大約在20億年前開始啟動，功率可達到10~100千瓦，並運行了幾十萬年之久。要知道，人類建造的最先進反應堆的壽命最多隻有60年。發現了反應堆，那些貧化的鈾礦石，以及礦層中核裂變產物的來源也就順理成章了。然而一個更大的謎團隨之出現：是誰在20億年前就實現了受控核裂變，建造了史前反應堆？
誰建造了反應堆？史前文明還是外星人？
首先，奧克洛反應堆不可能是現代人修建的，除非是穿越了，而且是帶著一大群科學家、工程師和施工機械穿越。按照如今的生物進化理論，20億年前，地球上只有原始的微生物存在，而且是細菌之類的原核生物，相當的低級，顯然也指望不上。
最勁爆的猜測當然是我們未發現的史前文明，或是外星人修建了它。出於獵奇的心理，大家肯定特別喜歡聽到這類消息：外星人是個筐，什麼未解之謎都能裝。
外星人的反應堆？
但是從反應堆的實際情況，看不出有任何文明的痕跡存在。能發現的只有礦脈、岩層。而且，這些反應堆的輸出只有熱量，功率也不大，史前文明或外星人建造它們有什麼意義呢？只是為了給後人一個驚喜？很明顯，此路不通。
謎底揭曉
還是讓我們回到科學的軌道上，理性的探究這些神奇的反應堆。一般的慢中子核反應堆的能量來源是鈾235核裂變：一個鈾235原子核吸收一個慢中子後，裂變為兩個較輕的核，同時釋放出2~4箇中子（平均值為2.416個）和200兆電子伏的能量，而這些中子可以被其它鈾235原子核吸收，繼續發生裂變，被稱為鏈式裂變反應。而要想做出一個能持續產生能量的反應堆，必須使鏈式反應能夠自我維持，也就是說，一次裂變釋放出的中子，恰好足夠引發下一次裂變反應，這時反應堆就達到了臨界，能夠正常運行了。
鈾235的核裂變
然而實際情況卻非常複雜，鈾235裂變放出的中子都是高能的快中子，很難被下一個鈾235核吸收，這就需要慢化劑，將快中子的速度降下來，成為慢中子。而鈾235只佔反應堆中物質的一小部分，中子還會被其它物質所吸收，例如大量的鈾238，另外中子還可能直接跑出反應堆外。
要實現自持式鏈式反應，一般反應堆需要一個包含核燃料和慢化劑的堆芯，並在堆芯外面包上反射層，如下圖所示。
反應堆的簡化結構
前面說過，天然鈾中鈾235只佔0.72%，含量太少，如果直接使用天然鈾作為核燃料的話，必須使用重水作為慢化劑，因為重水對中子的吸收很少。而重水是非常難以獲取的，如果用普通的輕水作為慢化劑，那麼就需要使用濃縮鈾，將鈾235濃度提高到3%左右，這也是目前絕大多數核電站的做法。
堆芯中的核燃料
奧克洛反應堆的核燃料顯然用的是天然鈾，而在20億年前，想要找到重水更是絕不可能，除非再次找上外星人……那麼反應堆是怎樣實現臨界的呢？
原來，在億萬年前，鈾235的濃度並不像現在這麼低。我們知道鈾235的半衰期是7億年，而鈾238的半衰期為44.7億年，人馬君計算了一下，20億年前鈾235的天然濃度應該是3.71%，與現代核燃料非常接近，因此可以使用輕水作為慢化劑。也就是說，20億年前地球上的鈾礦，直接就是濃縮鈾！可惜那時人類還未出現，要不然就不用費這麼大勁兒搞鈾濃縮了。
核燃料的問題解決了，那麼作為慢化劑的水從哪裡來呢？地質學家為我們解開了謎團：21億年前，在奧克洛地區形成了含鈾的砂岩層，隨後的1億年的時間裡，含鈾砂岩層的上方沉積了厚達3000米的黑色含碳頁岩。在重力的作用下，兩層之間出現了裂縫，富含氧氣的地表水順著裂縫進入了砂岩層，溶解了砂岩中的含鈾礦物質，並使鈾彙集在十幾個大大小小的口袋形區域中，形成了晶質鈾礦。
奧克洛礦區地質分佈，灰色圓圈即為天然反應堆區域
當“口袋”中的鈾和水達到一定量後，鏈式裂變反應發生了，隨即釋放出大量的熱量，溫度迅速升高，水被蒸乾後，反應會自動停止。每次反應大概持續30分鐘，而2.5小時後，由於足量的水再次進入口袋，反應又重新開始。借用個專業術語來說，這個反應堆還是個“脈衝堆”。
一切都大白於天下，原來是大自然的鬼斧神工建造了這些罕見的反應堆，與史前文明和外星人都沒有關係。據估計， 這16個反應堆分別運行了15萬年至85萬年不等，共發出熱量達1300億千瓦時，消耗鈾235約5.5噸。
早期地球的火山活動
奧克洛反應堆現象表明，在二十億年前甚至更早的洪荒時代，地球上鈾235的濃度比較高，可能存在許多天然反應堆。有科學家認為，早期地球地質活動的動力，有一部分就來自天然發生的核裂變。不過截至目前，除了奧克洛之外，還沒有發現其它地方因為天然反應堆而造成鈾的貧化。奧克洛之所以能形成反應堆，極可能與該地區特殊的地質構造和變遷有關。
