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自然界中也会存在核反应堆?这听上去很奇怪,但是在专家眼中,并不神秘。其实早在1953年,加州大学的乔治·维色里尔(George W.Wetherill)和芝加哥大学的马可·英格兰姆(Mark G.Inghram)就指出20亿年前的铀矿石可能产生天然链式反应。在1956年,美国阿肯萨斯大学的日裔核化学家黑田和夫更归纳出了天然核反应堆成立所需要的条件,这些条件,在奥克劳铀矿的数十个矿床中,有十几个恰好都符合。第一个条件是U235在铀中的比例必须比较高。由于U235的半衰期比U238要短,在以前U235的比例自然要比现今的高,做一个简单的计算就可知,在大约20亿年前,U235的比例可达到人工核反应堆所用的比例,即3%。也就是说,天然核反应堆应该产生于20亿年前。通过测定奥克劳铀矿中各种同位素的含量,我们可以推测其核反应堆的确在约20亿年前开始运行,大约运行了1百万年。这个“大型”核反应堆的功率其实非常小,在1百万年间总共只烧掉了约5吨U235,功率只有区区十几千瓦,比任何一个发电站都小,而位于加州中部的一个核电站一年就要烧掉3吨U235,功率高达2301兆瓦。预言天然核反应堆存在的日裔美国核化学家黑田和夫(1917-2001)。
第二个条件是铀的总含量比较高。在奥克劳,有数十个矿床(这些矿床最大的有双人床那么大)含有高浓度的铀,有的纯二氧化铀的含量高达70%。
第三个条件是矿床中中子吸收剂的含量必须足够低。一个U235原子吸收了一个中子后,发生裂变,分裂成两种裂变产物,同时释放出两三个中子,新产生的中子又可被其他U235原子吸收,引发新的裂变。但是如果周围存在镉、硼或稀土元素等中子吸收剂,将裂变产生的中子吸收,就会终止了这个链式反应过程,从而无法发生持续的裂变。在奥克劳的一些铀矿矿床中,基本上不含中子吸收剂,使得链式反应可以持续下去。
第四个条件是减速剂的含量必须足够高。核反应堆中的减速剂能使裂变产生的中子减速,这样它们不会快速逃逸,才能继续和其他U235原子核反应,产生新的裂变。在人工核反应堆中,一般采用石墨做减速剂。黑田和夫当时也把石墨的存在作为天然核反应堆的必要条件,因此未能在全世界的铀矿中找到满足这一条件的。现在我们知道,水中的氢原子核也可以做减速剂。在奥克劳,曾经有大量的水流经铀矿,铀矿的孔隙中保留了足够的水作为减速剂,使链式反应得以持续。
最后一个条件是反应堆的截面积必须足够大,这样裂变产生的中子才会多于逃逸反应堆的中子,才有足够的中子供链式反应使用。在奥克劳的反应堆中,截面积长度最小为1米,宽度最小为15厘米。一个反应堆的截面积如果比这还小,那么即使核反应能够发生,也不可能维持足够的时间。奥克劳第15号天然核反应堆遗址。
总之,奥克劳反应堆不过是大自然表演的“魔术”而已,科学家早就预测了其存在,并无神秘可言,无需乞灵于“史前文明”。如果你耳闻目睹了神秘现象,就应该想想那是不是有人故意或大自然无意所做的“魔术”表演,是不是谁都像你一样疑惑不解,不知其中奥秘。记住,你自己无法解释的,不等于就一定是谁都无法解释的。
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