梦幻星空宇宙：[图文]地球演化的产物：20亿年前天然核反应堆

　　2.维持链式反应的中子源及慢化剂。

　　引起铀-235诱发裂变链式反应需要持续不断有热中子的供应，使体系的增殖因素大于1，自然界和铀矿层中是否具备天然中子的来源？

　　我们曾在《核转变能与地球物质的演化》中提出“天然中子的来源目前已知有4种：(1)宇宙射线成因的中子；(2)重核自发裂变所产生的中子；(3)重核衰变所产生的a粒子与轻元素(氧、氟、硅、铝、镁、钠、硼、锂等)通过(a，n)反应所产生的中子；(4)中子作用下铀235的诱发裂变产生的中子。”

　　“在地球表面的中子流当中主要是宇宙射线的次生中子，地球成因的中子不会超过20%。中子流的宇宙成分在地球的表层逐渐被吸收，它的平均射程为140克/厘米2*，即大约55厘米厚的岩石层。由硬宇宙线部分的(m-，n)反应所产生的中子，穿透最深(L=4000～18500克/厘米2，平均为5600克/厘米2，或大约为15～71米厚的岩石层)，但它们的数目很少，只有表面中子总数的5%左右。宇宙线与大气圈及岩石物质作用可以形成次生中子在几十米或更深的地方。地球表面的中子流中主要是重核衰变所产生的a粒子与轻元素的(a，n)反应产生的中子。”

　　在全部的天然中子流中，“大约30%是由于铀238自发裂变而产生的中子。在花岗岩中，铀238自发裂变产生的中子占12%，铀系所产生的反应所形成的中子占21%，钍系所产生的(a，n)反应形成的中子占66%。铀矿物中铀238自发裂变产生的中子占中子流的35%～86%，钍232自发裂变形成的中子贡献极小(小于3%)。一般在基岩当中中子流为4中子/平方厘米·小时，当放射性元素和轻元素(铍、氟、锂等)含量增加时有显著增加，可以达到52个中子/厘米2·小时。” 因此，在地下的岩石和铀矿层中应当关注重核自发裂变所产生的中子，以及有轻元素赋存的情况下由(a，n)反应产生的中子。”

　　“根据反应堆的研究，天然铀的反应堆有4种不同的捕获过程在竞争地吸收中子，(1)对铀238裂变阀以上的快中子(约1.1兆电子伏特)吸收，产生快中子裂变；(2)铀238共振区(约10兆电子伏特)的辐射捕获；(3)减速剂内慢中子的辐射捕获；(4)热中子的铀235裂变捕获。天然铀中，铀238对能量小于1.1兆电子伏特的中子不发生显著的裂变现象，而主要是由热中子引起的铀235的诱发裂变。”

　　各种来源的中子流需要使之成为低能的热中子，“因为中子的能量较低，铀235的裂变截面也显著增高，”反应的机率增大。铀矿层中含有的轻元素和地层裂隙中的水是重要的慢化剂。美国著名核化学家P.K.黑田和夫(Kuroda)深入剖析过21亿年前大熊湖沥青铀矿中含水量对增殖因素的影响，在较理想状态下，证明随着铀矿石中含水量的增加，增殖因素增大，直至可以产生铀235的裂变链式反应，临界年龄为15±3亿年。

　　3.天然铀矿层的尺寸大小，影响铀235诱发裂变链式反应的持续。

　　天然铀矿层的厚度影响中子的逃逸和热中子的利用系数，是制约增殖因素的重要参数。P.K.黑田和夫认为铀矿层中铀235诱发裂变中子穿越的平均距离为0.67米，再被俘获产生下一轮的诱发裂变。他还计算大熊湖沥青铀矿产生铀235诱发裂变链式反应要求的厚度至少为30厘米。

　　因此，地质历史中，天然核反应堆形成的主要条件是具有一定厚度的铀矿层中，铀235丰度近于3%，并有使中子幔化的轻元素、杂质(如碳等)和水的伴生。

　　1975年奥克洛天然核反应堆的发现与确证

　　1975年国际原子能委员会在加蓬共和国的首都利伯维尔召开了一次特别会议，公布了奥克洛反应堆的主要科学证据。

　　(1)奥克洛铀矿床的形成年龄为20亿年，分布在6个区域，铀矿石量大约为500吨。铀矿石中铀的同位素组成发现异常，铀235的丰度远远达不到正常值0.72%，而为0.71%～0.3%，表明铀元素中的铀235曾经有过特殊消耗。

　　(2)铀235裂变后产生两个中等质量的产物，通过30多种不同途径的裂变，产生了有60多种裂变产物，裂变产物的原子核质量数分布在72～158之间。在矿区内发现这些裂变产物仍然保存完好。

　　(3)根据铀235丰度的偏低和矿区内的裂变产物估算，大约曾经消耗了5吨铀235。

　　(4)铀矿石中的铀235能保持时断时续的裂变链式反应，主要原因是铀矿层的裂隙中含有地下水，水是重要的幔化剂，慢化中子导致铀235诱发裂变，天然核反应堆启动。启动后释放的热量使地下水蒸发，水的干涸使得幔化剂消失，热中子通量剧减，使铀235裂变的链式反应中断，天然核反应堆停止运行。1963年，我们在《核转换能与地球物质的演化》中提出：“至于链式反应产生的具体形式目前尚难推测，但是可以说这种链式反应不可能是延续很久的，可能是间歇式的、爆炸式的。”

　　总之，奥克洛天然核反应堆能够长期断续运行，主要原因是20亿年前奥克洛铀矿层中铀元素中的铀235丰度大于3%，达到了现今核反应堆浓缩核燃料的要求；铀矿层足够厚；裂隙中含地下水，是较理想的中子幔化剂；使天然核反应堆得以启动并能断续运行。

　　天然核反应堆的形成并运行是地球演化历史进程中正常的自然现象，只能在距今约18亿年前才有可能出现。距今18亿～46亿年，应该有更多的天然核反应堆形成。据报导在加拿大、澳大利亚和美国的一些古老地块中的铀矿床中，都发现有“化石”核反应堆迹象。

　　天然核反应堆的出现，绝不是UFO/extraterrestrial/" target="_blank">外星人的杰作和遗迹，也不是史前高度文明的证据或史前核战争的遗迹；天然核反应堆绝不像媒体炒作的“设计科学、结构合理和保存完整”。天然核反应堆是地球某个历史阶段发生的自然现象。　

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