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1972年7月的一天，法國物理學家弗朗西斯．佩蘭坐在桌前，瞪大了眼睛看著辦公桌上一塊黑乎乎的礦石，嘴裡依舊反反覆覆地重複著這麼一句話：「這不可能，這絕對不可能。」
佩蘭是法國原子能委員會的高級專員。這個時候，他正在法國南部的一家核燃料加工廠裡。工廠方面發現，一批進口的鈾礦石出現了異常。
這批鈾礦石來自加彭共和國。這個國家位於非洲的一角，擁有豐富的天然鈾礦資源。檢驗結果表明，佩蘭桌子上的這塊鈾礦中，鈾-235的含量只佔全部鈾含量的0.717%，而在地球上正常的鈾礦石中，鈾-235的含量通常為0.72%。
也就是說，這塊礦石裡的鈾-235比正常數值少了0.003%，也就是三萬分之三。正是這微乎其微的差別，讓佩蘭幾乎崩潰。
那麼，這麼一點點鈾-235，為什麼如此重要呢？
這是因為鈾這種元素家族中包含了十幾種同位素，從鈾-226到鈾-242等等。但在天然鈾礦中，含量最多的是鈾-238和鈾-235，分別佔到了約92.275%和0.72%。
其中，鈾-235是可以發生核裂變反應的元素，也就是說，它是真正能夠在核反應爐中使用的核材料。人們發現，當用中子去撞擊鈾-235原子時，就會引發核裂變連鎖反應。這種反應釋放的能量比化學反應要高出幾百萬倍。一克鈾-235原子完全裂變後所釋放的能量，相當於兩噸優質煤燃燒所釋放的能量。
正因為如此，核能發電的效率完全碾壓煤電等一切傳統發電方式。而參與裂變反應的鈾-235在反應結束後會變成其他元素。這也就意味著，佩蘭教授桌子上那塊礦石中，少掉的那十萬分之三的鈾-235，很可能已經發生過裂變反應。
可問題是，這種事情真的可能在自然界中發生嗎？這怎麼可能呢？
於是，專家們立刻動身，組成調查小組，前往礦石的原產地——加彭共和國的奧克洛地區展開調查。
這次調查的結果堪稱一枚「核彈」。
調查小組發現，整個礦床本身就是一個巨大的核反應爐，而且其中隱藏著多達十七組天然核裂變反應區。這些反應爐最古老的年齡已經接近二十億年，它們曾經連續運轉了五十萬到一百五十萬年，之後才逐漸停止。
調查小組在當地村落一待就是兩個月，期間的驚奇一個接著一個。
以調查開始前十八個月採集的礦石總量為基準，研究人員發現，從中能夠提取出的鈾-235比正常礦石的提取量整整少了200公斤。而在一些礦石中，鈾-235的含量甚至低到只有0.44%，也就是正常天然鈾的61%。
更關鍵的是，專家們在礦床中發現了釹和釤這兩種元素，它們正是鈾-235發生核裂變之後的產物。在扣除了自然界漫長歲月中，鈾-235通過天然放射性衰變所產生的部分之後，礦床中殘留的裂變產物比例，與人工核反應爐裂變後的結果極其相似。
這一計算結果，幾乎就是奧克洛鈾礦曾經是一座大型核反應爐的直接證據。
於是，佩蘭迅速向全世界宣布：人類發現了第一個自然產生的核反應爐。
這一消息立刻震動了世界。許多國家的科學家紛紛提出申請，希望也能前往現場進行調查。然而，法國科學家婉拒了同行們的熱情，只向世界公開分享了他們的研究成果。
美國地球化學家保羅．黑田一夫在聽到這一消息時異常激動。因為早在1956年，他就曾提出過一個假說：如果條件合適，古老的鈾礦是有可能形成天然核反應爐的。
這正是佩蘭做出判斷的重要理論依據。奧克洛的發現，似乎為黑田一夫的假說找到了現實證據。
然而，黑田一夫在仔細研讀佩蘭的報告後，心中卻畫上了一個巨大的問號。
這個反應爐經歷了如此久遠的歲月，居然沒有發生災難性的失控，那它究竟是怎麼做到的呢？
一般來說，人工核反應爐的基本原理，是將核裂變產生的熱量轉化為水蒸氣，再用蒸汽推動汽輪機發電。一個人造核反應爐通常包含燃料棒、慢化劑、冷卻劑、控制棒、安全與抗壓管道系統以及蒸汽發生設備等關鍵部件。只有這樣一整套經過精密設計和嚴格工藝保障的系統，核反應爐才能安全、穩定地運行。
那麼，接下來我們就一步一步地來看一看，這個讓人驚掉下巴的自然核反應爐，是如何運作的。
首先，我們要講的是核裂變的鏈式反應，這是理解一切的關鍵。
這是鈾-235裂變反應的起點，是一個中子撞擊鈾-235原子。當鈾-235原子被中子擊中後，就會發生裂變，釋放出兩個或更多的中子，同時釋放出大量能量，也就是輻射。這些新釋放出來的中子又會去撞擊其他鈾-235原子，引發新的裂變，產生更多中子和能量。如此循環往復，能量便會不斷累積，這就是所謂的鏈式反應。
但要讓這種反應持續下去，必須滿足兩個關鍵條件。
第一，核燃料——也就是鈾-235的濃度必須足夠高。
第二，中子的速度必須合適，不能太快。
在現代核反應爐中，這兩個條件分別由燃料棒和慢化劑來實現。
那麼，奧克洛的自然反應爐，又是如何解決這兩個問題的呢？
我們先從第一個要素——燃料濃度說起。
現代核電站所使用的燃料棒，內部裝填的是濃縮鈾，鈾-235的濃度通常在3.5%到5%之間。這些濃度完全是人工濃縮得到的，這也是為什麼美國在制裁伊朗和朝鮮時，會將目光牢牢鎖定在鈾濃縮設施上的原因。
鈾濃縮工廠是核工業的源頭，就相當於為坦克製造提供鋼材的煉鋼廠。一旦掐住它，就等於掐住了一個國家核工業的命脈。
可是在奧克洛反應爐工作的那個年代，自然界中哪來這麼高濃度的鈾-235呢？難道鈾-235原子在礦石狀態下，就能自行開始裂變反應嗎？這實在是顛覆人類認知。
以黑田一夫為代表的科學家提出了一個解釋：在那個時代，自然界中鈾-235的濃度本身就高得多，大約在3.6%到4%之間。
鈾-235的濃度是與時間密切相關的。地球處於不同的歷史階段，岩石中鈾-235的含量也會不同。這就涉及到放射性同位素的半衰期——也就是一半的同位素髮生自然衰變、轉變為其他元素所需要的時間。
鈾-235的半衰期大約是7.1億年。如今天然鈾礦中鈾-235的含量是0.72%，而如果將時間反推到17至21億年前，鈾-235的含量正好就在3.6%到4%之間，恰好達到了可以發生自然核裂變反應的臨界濃度。
也就是說，奧克洛反應爐的啟動，恰巧踩在了一個極其罕見的時間窗口上。
接下來，再說第二個關鍵要素——慢化劑。
在核裂變反應中釋放出來的中子，運動速度極快。如果不對它們進行減速，這些中子會迅速逃逸，無法有效撞擊其他鈾-235原子，鏈式反應也就無法持續。
因此，核反應爐中必須有人為手段來降低中子的速度。承擔這一作用的物質，稱為慢化劑，也叫中子慢化劑。常見的慢化劑包括普通水、重水和石墨。使用普通水作為慢化劑的核反應爐，通常被稱為輕水反應爐。
而奧克洛的自然反應爐，巧妙地利用了地下水作為慢化劑，本質上就是一個天然形成的輕水反應爐。
此外，還有一個關鍵部件——控制棒。控制棒中含有強烈吸收中子的材料，它們的作用是為反應「踩剎車」，防止反應失控。
所以在講核能的時候，一定強調它必須是可控的核反應爐。但恰恰也是這一點，讓黑田一夫一直感到最為困惑：奧克洛這個自然核反應爐，居然能夠連續運轉幾十萬年而不發生失控事故，它究竟是靠什麼做到的呢？這種「設計感」實在是太強了，讓人不得不感到震撼。
責任編輯:田源
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