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遇見地球上20億年前已知天然核反應(yīng)堆——奧克洛

源自《國際原子能機(jī)構(gòu)通報(bào)》
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捐贈(zèng)給維也納自然歷史博物館的奧克洛樣本。(圖/自然歷史博物館Ludovic Ferrière)

物理學(xué)家Francis Perrin坐在法國南部的一家核燃料加工廠旁,自言自語道:“這是不可能的?!蹦鞘?972年。一方面,有一塊從非洲的一個(gè)礦井中提取的黑色放射性天然鈾礦石。另一方面,關(guān)于礦石中放射性鈾的恒定比率存在公認(rèn)的科學(xué)數(shù)據(jù)。

對從加蓬的一個(gè)礦井提取的這種高品位礦石進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)含有較低豐度的鈾-235——易裂變類型。只低一點(diǎn)點(diǎn),但足以讓研究人員坐下來撓頭。

物理學(xué)家對鈾-235這種不尋常豐度的第一個(gè)邏輯反應(yīng)是,這不是天然鈾。當(dāng)今所有天然鈾含有0.720%的鈾-235。無論你從地殼、月球巖石還是隕石中提取鈾,都會(huì)發(fā)現(xiàn)情況如此。但奧克洛的那塊巖石只有0.717%。

這意味著什么?起初,所有物理學(xué)家想到的是鈾礦經(jīng)歷了人工裂變,即一些鈾-235同位素被迫在核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中分裂。這可以解釋為什么這個(gè)比率低于正常水平。

但經(jīng)過補(bǔ)充分析,Perrin和他的同行證實(shí)鈾礦石是完全天然的。更令人窒息的是,他們在礦石中發(fā)現(xiàn)了裂變產(chǎn)物的足跡。于是得出結(jié)論:鈾礦石是天然的,并且經(jīng)歷過裂變。只有一種可能的解釋——巖石是20多億年前發(fā)生的自然裂變的證據(jù)。

“經(jīng)過更多的研究,包括現(xiàn)場檢查,他們發(fā)現(xiàn)鈾礦石經(jīng)歷了自身裂變?!本S也納自然歷史博物館巖石收藏館館長Ludovic Ferrière說道?!皼]有其他解釋?!?019年將在這座博物館向公眾展示這塊奇石的一部分。

就這種自然發(fā)生的現(xiàn)象而言,赤道非洲西部的這些鈾礦床一定含有臨界質(zhì)量的鈾-235才會(huì)開始這種反應(yīng)。在那個(gè)時(shí)代,它們發(fā)生了這種反應(yīng)。

第二個(gè)促成因素是,為了發(fā)生和維持核鏈?zhǔn)椒磻?yīng),需要有一種慢化劑。在這種情況下就是:水。如果沒有水來減緩中子的速度,就不可能進(jìn)行受控裂變。原子根本就不會(huì)分裂。

“就像人造輕水核反應(yīng)堆一樣,裂變反應(yīng)如果沒有任何東西可以減緩中子的速度,就只能停止。”原子能機(jī)構(gòu)鈾生產(chǎn)小組負(fù)責(zé)人Peter Woods說。“水在奧克洛巖石中起了慢化劑作用,吸收中子,控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。”

當(dāng)今加蓬所處的具體地質(zhì)背景也提供了幫助。鈾(包括鈾-235)的化學(xué)含量總量足夠高,個(gè)別礦床厚且足夠大。而且最后一點(diǎn)是,奧克洛在時(shí)間的流逝中成功地保存下來。專家懷疑世界上可能還有其他這樣的天然反應(yīng)堆,但這些反應(yīng)堆一定已被地質(zhì)過程破壞、侵蝕或潛沒,或者根本就沒被發(fā)現(xiàn)。

“讓它變得如此耐人尋味的原因是:時(shí)間、地質(zhì)和水這些情況匯集到一起促使這種情況發(fā)生?!盬oods說?!八恢北4娴浇裉臁Vi題終于解開了。”

原子能機(jī)構(gòu)所在城市的巖石樣本

我們希望人們了解天然放射性,讓他們意識到放射性就在我們身邊,這很自然,而且在低水平時(shí)放射性并不危險(xiǎn)。
? 奧地利維也納自然歷史博 物館巖石收藏館館長Ludovic Ferrière

巖石收藏館館長Ludovic Ferrière在維也納自然歷史博物館拿著奧克洛“反應(yīng) 堆”。奧克洛樣本將從2019 年開始在博物館中永久展 示。 (圖/國際原子能機(jī)構(gòu)L.Gil)

從奧克洛提取的巖石樣本,其中一些是在鉆探活動(dòng)期間回收的,貯存在法國核能和可再生能源公司歐安諾的總部。2018年初,兩個(gè)半剖分鉆芯樣品被捐贈(zèng)給維也納自然歷史博物館。在法國常駐聯(lián)合國和維也納國際組織的支持下,歐安諾與法國替代能源和原子能委員會(huì)提供了財(cái)政捐款, 使捐獻(xiàn)成可能。原子能機(jī)構(gòu)科學(xué)家通過監(jiān)測放射性水平并促進(jìn)巖石安全操作,在將樣本運(yùn)送到維也納時(shí)提供了幫助。

如果站在距離兩個(gè)樣本5厘米的地 方,這兩個(gè)樣本每小時(shí)發(fā)出大約40微希的輻射,大致相當(dāng)于乘客從維也納飛往紐約的8小時(shí)行程所受到的宇宙輻射量。維也納自然歷史博物館每年接待75萬名游客,已經(jīng)展示許多具有輕 微放射性的巖石和礦物質(zhì),習(xí)慣了和放射性樣本打交道。

“我們希望人們了解天然放射性,讓他們意識到放射性就在我們身邊,這很自然,而且在低水平時(shí)放射性并不危險(xiǎn)。放射性在我們家的地板和墻壁、我們吃的食物、我們呼吸的空氣中,甚至在我們自己的身體里?!盕errière說?!斑€有比通過展示來自奧克洛這數(shù)十億年前自然發(fā)生核裂變地方的真實(shí)樣本來說明這一點(diǎn)更好的方式嗎?”

這個(gè)常設(shè)展覽將展示不同的本底放射性來源。也許放射性分布世界圖、輻射探測器或蓋革計(jì)數(shù)器或云室將使游客能夠親眼看到自然輻射照射。

Ferrière說:“巖石就像書。你可以瀏覽封面獲得一些基本信息,但是當(dāng)你打開它們時(shí),你會(huì)得到完整的故事?!?/p>

本文刊登在20186月《通報(bào)》版《鈾:從勘探到治理》。

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上次更新: 2022.05.19

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