20億年前,在非洲奧克羅班多地區的十幾座天然核反應堆神秘啟動(dòng),穩定地輸出能量,并安全運轉了幾十萬(wàn)年之久。為什么它們沒(méi)有在爆炸中自我摧毀?是誰(shuí)保證了這些核反應的安全運行?莫非它們真的如世間的傳言那樣,是外星人造訪(fǎng)的證據,或者是上一代文明的杰作?通過(guò)對遺跡抽絲剝繭地分析,遠古核反應堆的真相正越來(lái)越清晰地暴露在我們面前。 1972年5月,法國一座核燃料處理廠(chǎng)的一名工人
核反應堆理論研究
注意到了一個(gè)奇怪的現象。當時(shí)他正對一塊鈾礦石進(jìn)行常規分析,這塊礦石采自一座看似普通的鈾礦。與所有的天然鈾礦一樣,該礦石含有3種鈾同位素──換句話(huà)說(shuō),其中的鈾元素以3種不同的形態(tài)存在,它們的原子量各不相同:含量最豐富的是鈾238;最稀少的是鈾234;而令人們垂涎三尺,能夠維持核鏈式反應(chain reaction)的同位素,則是鈾235。在地球上幾乎所有的地方,甚至在月球上或隕石中,鈾235同位素的原子數量在鈾元素總量中占據的比例始終都是0.720%。不過(guò),在這些采自非洲加蓬的礦石樣品中,鈾235的含量?jì)H有0.717%!盡管差異如此細微,卻引起了法國科學(xué)家的警惕,這其中一定發(fā)生過(guò)某種怪事。進(jìn)一步的分析顯示,從該礦采來(lái)的一部分礦石中,鈾235嚴重缺斤短兩:大約有200千克不翼而飛——足夠制造6枚原子彈。 黑田和夫認為,自持裂變反應能夠發(fā)生的第一個(gè)條件就是,鈾礦礦脈的大小必須超過(guò)誘發(fā)裂變的中子在礦石中穿行的平均距離,也就是0.67米左右。這個(gè)條件可以保證,裂變的原子核釋放的中子在逃離礦脈之前,就能被其他鈾原子核吸收。 第二個(gè)必要條件是,鈾235必須足夠豐富。今天,即使是儲量最大、濃度最高的鈾礦礦脈也無(wú)法成為一座核反應堆,因為鈾235的濃度過(guò)低,甚至連1%都不到。不過(guò)這種同位素具有放射性,它的衰變速率比鈾238快大約6倍,因此在久遠地過(guò)去,這種更容易衰變的同位素所占的比例肯定高得多。例如,20億年前奧克羅鈾礦脈形成的時(shí)候,鈾235所占的比例接近3%,與當前大多數核電站中使用的、人工提純的濃縮鈾燃料的濃度大致相當。
第三個(gè)重要因素是,必須存在某種中子“慢化劑”(moderator),減慢鈾原子核裂變時(shí)釋放的中子的運動(dòng)速度,從而使這些中子在誘使鈾原子核分裂時(shí),更加得心應手。最終,礦脈中不能出現大量的硼、鋰或其他“毒素”,這些元素會(huì )吸收中子,因此可以令任何核裂變反應戛然而止。 最終,研究人員在奧克羅和鄰近的奧克羅班多地區的鈾礦中,確定了16個(gè)相互分離的區域——20億年前,那里的真實(shí)環(huán)境,居然與黑田和夫描繪的大致情況驚人地相似。盡管這些區域早在幾十年前就被全部辨認出來(lái),但是遠古核反應堆運轉過(guò)程的種種細節,直到才被我和同事徹底揭開(kāi)。
重元素分裂產(chǎn)生的氫元素提供了確鑿無(wú)疑的證據:奧克羅鈾礦在20億年前確實(shí)發(fā)生過(guò)自持核裂變反應,而且持續時(shí)間長(cháng)達數十萬(wàn)年。 奧克羅的鈾異常情況被發(fā)現之后不久,物理學(xué)家就確定,天然的裂變反應導致了鈾235的損耗。一個(gè)重原子核一分為二時(shí),會(huì )產(chǎn)生較輕的新元素。找到這些元素,就等于找到了核裂變確鑿無(wú)疑的證據。事實(shí)證明,這些分裂產(chǎn)物的含量如此之高,因此除了核鏈式反應以外,不可能存在其他任何解釋。這場(chǎng)鏈式反應很像1942年恩里科·費米(Enrico Fermi)及其同事所做的那場(chǎng)著(zhù)名演示(當時(shí)他們建成了世界上第一座可控原子核裂變鏈反應堆),反應全靠自己的力量維持運轉,只是時(shí)間上提早了20億年。 如此令人震驚的發(fā)現公布后不久,世界各地的物理學(xué)家便開(kāi)始研究這些天然核反應堆的證據,并在1975年加蓬首都利伯維爾的一次特別會(huì )議上,分享了他們關(guān)于“奧克羅現象”的研究成果。第二年,代表美國出席那次會(huì )議的喬治·A·考恩(George A. Cowan,順便提及,他是美國著(zhù)名的圣菲研究所的創(chuàng )建者之一,至今仍是該研究所的成員)為《科學(xué)美國人》撰寫(xiě)了一篇文章(參見(jiàn)1976年7月號喬治·A·考恩所著(zhù)《天然核裂變反應堆》一文),文中他講解了當時(shí)的科學(xué)家對這些遠古核反應堆運行原理的猜測。 比如,考恩描述了钚239的形成過(guò)程——數量更加豐富的鈾238捕獲了鈾235裂變釋放的一些中子,轉變?yōu)殁?39,然后再釋放出兩個(gè)電子,轉化成钚239。在奧克羅鈾礦中,曾經(jīng)產(chǎn)生過(guò)超過(guò)兩噸的钚239。不過(guò)這種同位素后來(lái)幾乎全都消失了(主要是通過(guò)天然的放射性衰變,钚239的半衰期為2.4萬(wàn)年),一些钚自身也經(jīng)歷了裂變,它所特有的裂變產(chǎn)物證明了這一點(diǎn)。這些輕元素豐富的含量讓科學(xué)家推測,裂變反應一定持續了幾十萬(wàn)年之久。根據鈾235消耗的數量,他們計算出了反應堆釋放的總能量,大概相當于1,500萬(wàn)千瓦的機器運轉一整年所消耗的能量;再結合一些其他的證據,就能推算出反應堆的平均輸出功率:不超過(guò)100千瓦,足夠維持幾十只烤箱的運作。 十幾座天然反應堆自發(fā)工作,并維持著(zhù)適度的功率輸出,運轉了大約幾十萬(wàn)年之久,這確實(shí)令人驚嘆。為什么這些礦脈沒(méi)有發(fā)生爆炸,沒(méi)有在核鏈式反應啟動(dòng)后立即自我摧毀?是什么機制使它們擁有了必不可少的自我調節能力?這些反應堆是穩定運轉,還是間歇式發(fā)作?自?shī)W克羅現象最初發(fā)現以來(lái),這些問(wèn)題遲遲得不到解答。實(shí)際上,最后一個(gè)問(wèn)題困擾了人們長(cháng)達30年之久,直到我和我在美國華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的同事檢測了一塊來(lái)自這個(gè)神秘非洲鈾礦的礦石之后,謎底才被逐漸揭開(kāi)。
惰性氣體揭露謎底
在奧克羅反應堆遺跡中,氙同位素的構成比例出現異常。找出這種異常的根源,就能揭開(kāi)遠古核反應堆的運作之謎。
奧克羅的一個(gè)反應堆遺跡進(jìn)行了研究,重點(diǎn)集中在對氙氣的分析方面。氙是一種較重的惰性氣體(inert gas),可以被礦物封存數十億年之久。氙有9種穩定同位素,由不同的核反應過(guò)程產(chǎn)生,含量各不相同。作為一種惰性氣體,它很難與其他元素形成化學(xué)鍵,因此很容易將它們提純,進(jìn)行同位素分析。氙的含量非常稀少,科學(xué)家可以用它來(lái)探測和追溯核反應,甚至用來(lái)研究那些發(fā)生于太陽(yáng)系形成之前的、原始隕石之中的核反應。 分析氙的同位素成分需要一臺質(zhì)譜儀(mass spectrometer),它可以根據原子量(atomic weight)的不同而分離出不同的原子。我有幸可以使用一臺極其精確的氙質(zhì)譜儀,那是我在華盛頓大學(xué)的同事查爾斯·M·霍恩貝格(Charles M. Hohenberg)制造的。不過(guò)在使用他的儀器之前,我們必須先把氙氣從樣品中提取出來(lái)。通常,科學(xué)家只須將寄主礦物加熱到它的熔點(diǎn)以上,巖石就會(huì )失去晶體結構,無(wú)法再保留內部?jì)Σ氐碾瘹?。為了獲得更多關(guān)于這種氣體起源和封存過(guò)程的信息,我們采取了一種更加精巧的方法——激光萃取法(laser extraction),它可以有針對性地從礦物樣品的個(gè)別顆粒中釋放出氙氣,而不會(huì )觸碰周?chē)渌牟糠帧?/span> 我們可以利用的唯一一塊奧克羅礦石碎塊僅有1毫米厚、4毫米寬,我們把這種技術(shù)應用到碎塊上的許多微小斑點(diǎn)之上。當然,我們首先需要決定將激光束聚焦到什么位置。在這方面,我和霍恩貝格得到了同事奧爾加·普拉夫迪夫切娃(Olga Pravdivtseva)的鼎力相助,她為我們的樣本拍攝了一張詳盡的X射線(xiàn)照片,識別出了候選的礦物。每次萃取之后,我們都會(huì )將得到的氣體提純,然后把氙氣放入霍恩貝格的質(zhì)譜儀中,儀器會(huì )顯示出每一種同位素的原子數目。 氙氣出現的位置令我們大吃一驚,它并不像我們想象的那樣,大量分布在富含鈾元素的礦物顆粒之中,儲藏氙氣數量最多的竟然是根本不含鈾元素的磷酸鋁顆粒。非常明顯,在發(fā)現的所有天然礦物之中,這些顆粒中的氙濃度是最高的。第二個(gè)令人驚訝之處在于,與通常由核反應產(chǎn)生的氣體相比,萃取出來(lái)的氣體在同位素組成上有顯著(zhù)的不同。核裂變一定會(huì )產(chǎn)生氙136和氙134,但在奧克羅礦石中,這兩種同位素似乎缺失嚴重,而其他較輕的氙同位素含量則變化不大。
同位素構成比例上的這種差異是如何產(chǎn)生的呢?化學(xué)反應無(wú)法提供答案,因為所有同位素的化學(xué)性質(zhì)都完全相同。那么核反應,比如說(shuō)中子俘獲過(guò)程(neutron capture),能不能給出解釋呢?經(jīng)過(guò)仔細分析,我和同事們把這種可能性也排除了。我們還考慮過(guò)不同同位素的物理分選過(guò)程:較重的原子移動(dòng)速度比較輕的原子稍慢一些,有時(shí)它們就會(huì )相互分離開(kāi)來(lái)。鈾濃縮裝置就是利用這個(gè)過(guò)程來(lái)生產(chǎn)反應堆燃料的,不過(guò)需要相當高的技術(shù)水平才能建造出這樣的工業(yè)設備。即使自然界能夠奇跡般地在微觀(guān)尺度上創(chuàng )造出類(lèi)似的“裝置”,仍然無(wú)法解釋我們所研究的磷酸鋁顆粒中混合在一起的氙同位素比例。舉例來(lái)說(shuō),如果確實(shí)發(fā)生過(guò)物理分選的話(huà),考慮到現有的氙132的含量,氙136(比氙132重4個(gè)原子質(zhì)量單位)的缺失,應該是氙134(比氙132重2個(gè)原子質(zhì)量單位)的兩倍。但實(shí)際上,我們并沒(méi)有看到那樣的模式。 絞盡腦汁之后,我們終于想通了產(chǎn)生氙同位素構成比例異常的原因。我們所測量的所有氙同位素都不是鈾裂變的直接產(chǎn)物。相反,它們是放射性碘同位素衰變的產(chǎn)物,碘則由放射性碲衰變而來(lái),而碲又由別的元素衰變產(chǎn)生,這是一個(gè)著(zhù)名的核反應序列,最終的產(chǎn)物才是穩定的氙氣。
我們的突破點(diǎn)在于,我們意識到奧克羅樣品中不同的氙同位素產(chǎn)生于不同的時(shí)期,它們所遵循的時(shí)間表由它們的母元素碘和再上一代的元素碲的半衰期所決定。某種特定的放射性前體(precursor,即一系列反應過(guò)程的中間產(chǎn)物)存在的時(shí)間越長(cháng),它們形成氙的過(guò)程就被拖延得越久。例如,在奧克羅的自持裂變反應開(kāi)始后,氙136僅過(guò)了大約1分鐘就開(kāi)始生成;一個(gè)小時(shí)后,稍輕一些的穩定同位素氙134出現;接下來(lái),在裂變開(kāi)始的若干天后,氙132和氙131登場(chǎng)亮相;最終,幾百萬(wàn)年之后,氙129才得以形成——此時(shí),核鏈式反應早已停止很久了。 如果奧克羅礦脈一直處于封閉狀態(tài),那么在它的天然反應堆運轉期間積聚起來(lái)的氙氣,就會(huì )保持核裂變所產(chǎn)生的正常同位素比例,并一直保存至今。但是,科學(xué)家沒(méi)有理由認為,這個(gè)系統會(huì )是封閉的。實(shí)際上,有充分的原因讓人猜想,它不是封閉的。奧克羅反應堆可以通過(guò)某種方式自行調節核反應,這個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)提供了間接的證據。最可能的調節機制與地下水的活動(dòng)有關(guān):當溫度達到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí),水會(huì )被煮沸蒸發(fā)掉。水在核鏈式反應中起到了中子慢化劑的作用,如果水不見(jiàn)了,核鏈式反應就會(huì )暫時(shí)停止。只有當溫度下降,足夠的地下水再次滲入之后,反應區域才會(huì )繼續開(kāi)始發(fā)生裂變。
這種關(guān)于奧克羅反應堆如何運轉的說(shuō)法強調了兩個(gè)要點(diǎn):第一,核反應很可能以某種方式時(shí)斷時(shí)續地發(fā)生;第二,必定有大量的水流過(guò)這些巖石——足夠沖洗掉一些氙的前體,比如可溶于水的碲和碘。水的存在有助于解釋這樣一個(gè)問(wèn)題:為什么大多數氙當前留存于磷酸鋁顆粒中,而沒(méi)有出當前富含鈾元素的礦物里——要知道,裂變反應最初是在這里生成那些放射性前體的。氙氣不會(huì )簡(jiǎn)單地從一組早已存在的礦物中遷移到另一組礦物里——在奧克羅反應堆開(kāi)始運轉之前,磷酸鋁礦物很可能還不存在。實(shí)際上,那些磷酸鋁顆??赡苁蔷偷匦纬傻?,一旦被核反應加熱的水冷卻到300℃左右,磷酸鋁顆粒就會(huì )形成。
在奧克羅反應堆運轉的每個(gè)活躍期和隨后溫度仍然很高的一段時(shí)間里,大量的氙氣(包括形成速度相對較快的氙136和氙134)會(huì )被趕走。等到反應堆冷卻時(shí),半衰期更長(cháng)的氙前體(也就是最后會(huì )產(chǎn)生含量比較豐富的氙132、氙131和氙129的放射性前體)則會(huì )優(yōu)先與正在形成的磷酸鋁顆粒結合起來(lái)。隨著(zhù)更多的水回到反應區域,中子被適當地慢化,裂變反應再度恢復,使這種加熱和冷卻的循環(huán)周而復始地重復下去。由此產(chǎn)生的結果,就是我們所觀(guān)察到的、奇特的氙同位素構成比例。
什么力量能讓氙氣在磷酸鋁礦物中留存20億年之久呢?再進(jìn)一步,為什么在某次反應堆運轉期間產(chǎn)生的氙氣,沒(méi)有在下一次運轉期間被清除呢?對于這些問(wèn)題,我們還沒(méi)有找到確切的答案。據推測,氙可能被囚禁在磷酸鋁礦物的籠狀結構中,這種結構即使在很高的溫度下,也能夠容納籠中產(chǎn)生的氙氣。盡管具體細節仍不清楚,但不管最終的答案如何,有一點(diǎn)是明確無(wú)誤的:磷酸鋁俘獲氙氣的能力真是令人驚嘆。
間歇式核反應堆
遠古核反應堆猶如今天的間歇泉,有著(zhù)天然形成的自我調節機制。它們在核廢料處置和基礎物理研究方面,給科學(xué)家們提供了全新的思路。 在搞清了觀(guān)測到的氙同位素在磷酸鋁中產(chǎn)生的基本過(guò)程之后,我和我的同事們試圖從數學(xué)上為這個(gè)過(guò)程建立一個(gè)模型。這個(gè)計算揭示了有關(guān)反應堆運轉時(shí)間的更多信息,所有的氙同位素都提供了大致相同的答案。我們研究的那個(gè)奧克羅反應堆每次“開(kāi)啟”30分鐘,然后再“關(guān)閉”至少2.5小時(shí)。這樣的模式猶如我們所看到的一些間歇泉,先是緩慢地加熱,然后在一場(chǎng)壯觀(guān)的噴發(fā)中將積蓄的地下水統統蒸騰而出,接著(zhù)再重新蓄水,開(kāi)始新一輪循環(huán),日復一日、年復一年地持續下去。這種相似性支持了這樣的觀(guān)點(diǎn):流經(jīng)奧克羅礦脈的地下水不僅充當著(zhù)中子慢化劑的角色,還不時(shí)會(huì )被蒸發(fā)殆盡,形成保護這些天然反應堆不至于自我摧毀的調節機制。在這方面,這種調節機制十分有效,數十萬(wàn)年間沒(méi)有發(fā)生一次熔毀或爆炸事件。 人們大概會(huì )設想,從事核電工業(yè)的工程師也許能在奧克羅學(xué)到一兩樣本事。他們確實(shí)能學(xué)到東西,不過(guò)不一定是有關(guān)反應堆設計的,更重要的也許是處置核廢料的方法。畢竟,奧克羅就像一個(gè)地質(zhì)儲藏室那樣運轉了如此漫長(cháng)的時(shí)間,這就是科學(xué)家要細致入微地進(jìn)行調查的原因,他們想知道裂變的各種產(chǎn)物如何從這些天然核反應堆中遷移出來(lái)。他們還仔細檢查了另一處類(lèi)似的遠古核裂變區域,這個(gè)地點(diǎn)是通過(guò)勘探鉆井發(fā)現的,位于大約35千米以外的一個(gè)叫作班哥貝(Bangombe)的地方。班哥貝反應堆之所以特別引人注目,是因為它的埋藏位置比奧克羅及奧克羅班多地區的露天鈾礦更淺,因此有更多的水流過(guò)那里??傊?,調查得出的結論令我們信心倍增:多種危險的核廢料都能夠成功地被隔離于地下。
奧克羅還演示了一種方法,能夠儲存那些一度被認為肯定會(huì )對環(huán)境造成污染的核廢料。自從核能發(fā)電問(wèn)世以來(lái),核電站產(chǎn)生的大量放射性氙135、氪85和其他惰性氣體,都被釋放到大氣之中。天然裂變反應堆表明,磷酸鋁礦物擁有一種獨一無(wú)二的能力,能夠俘獲和儲存這些氣體廢料達幾十億年之久,把這些廢氣封存在這種礦物之中也許是可行的。 奧克羅反應堆還向科學(xué)家們透露了這樣的訊息:他們曾經(jīng)認定為基本物理常數的α(阿爾法,控制著(zhù)諸如光速這樣的宇宙參數),可能曾發(fā)生過(guò)改變。過(guò)去30年來(lái),發(fā)生在20億年前的奧克羅現象一直被用來(lái)駁斥α曾經(jīng)發(fā)生過(guò)改變的觀(guān)點(diǎn)。但是2005年,美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室的史蒂文·K·拉蒙諾(Steven K. Lamoreaux)和賈斯廷·R·托格森(Justin R. Torgerson)卻根據奧克羅現象推斷,這一“常數”確實(shí)發(fā)生了明顯改變(而且十分奇怪的是,他們得出的常數改變方向與其他人得出的結論相反)。對于拉蒙諾和托格森的計算來(lái)說(shuō),奧克羅運轉過(guò)程的一些細節十分關(guān)鍵,從這個(gè)角度上來(lái)講,我和我的同事們所做的工作,也許有助于闡明這個(gè)復雜的問(wèn)題。 加蓬的這些遠古反應堆是地球曾經(jīng)出現過(guò)的唯一天然反應堆嗎?20億年前,自持裂變所需的條件并不十分罕見(jiàn),有朝一日,我們或許能夠發(fā)現其他的天然反應堆。我想,一絲泄露天機的氙氣,將給這項搜尋工作帶來(lái)極大的幫助。