编者按：本文最初发表于《大众科学》2005年10月刊。
1972年5月，法国一家核燃料处理厂的一名工人注意到了一些可疑之处。他一直在对来自看似普通矿石来源的铀进行常规分析。与所有天然铀一样，研究中的材料包含三种同位素，也就是说，三种原子质量不同的形式：铀 238，最丰富的变体；铀 234，最稀有的；以及铀 235，一种因其能维持核链式反应而备受青睐的同位素。在地球地壳、月球甚至陨石中的其他地方，铀 235 原子占总数的 0.720%。但在这些来自加蓬奥克洛矿床（西赤道非洲的前法国殖民地）的样品中，铀 235 仅占 0.717%。这种微小的差异足以提醒法国科学家，一些奇怪的事情发生了。进一步的分析表明，至少矿区一部分的矿石严重缺少铀 235：大约有 200 公斤似乎不见了——足以制造六个左右的核弹。
几个星期以来，法国原子能委员会（CEA）的专家们仍然感到困惑。答案直到有人回忆起 19 年前发表的预测才出现。1953 年，加州大学洛杉矶分校的 George W. Wetherill 和芝加哥大学的 Mark G. Inghram 指出，一些铀矿床可能曾经作为核裂变反应堆的自然版本而运行，这些反应堆当时正变得流行起来。不久之后，来自阿肯色大学的化学家保罗·库罗达计算出了铀矿体自发进行自持裂变所需的条件。在这个过程中，一个游离的中子导致一个铀 235 原子核分裂，这会释放出更多的中子，导致其他原子核在核链式反应中分裂。
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库罗达的第一个条件是铀矿床的尺寸应超过诱发裂变的中子传播的平均长度，大约三分之二米。这个要求有助于确保一个裂变原子核释放的中子在从铀矿脉逸出之前被另一个原子核吸收。
第二个先决条件是铀 235 必须以足够的丰度存在。今天，即使是最大规模和最集中的铀矿床也无法成为核反应堆，因为铀 235 的浓度低于 1%，实在太低了。但是，这种同位素具有放射性，其衰变速度大约是铀 238 的六倍，这表明在遥远的过去，可裂变的比例要高得多。例如，在 20 亿年前（大约是奥克洛矿床形成的时候），铀 235 必须约占 3%，这大致是大多数核电站使用的浓缩铀中人工提供的水平。
第三个重要成分是中子“慢化剂”，一种可以减缓铀核分裂时释放的中子的物质，使其更容易诱导其他铀核分裂。最后，不应有大量的硼、锂或其他所谓的毒物，它们会吸收中子，从而迅速阻止任何核反应。
令人惊讶的是，20 亿年前，在研究人员最终确定为奥克洛和相邻的奥克罗邦多铀矿中 16 个独立区域内普遍存在的实际条件，与库罗达概述的非常接近。这些区域早在几十年前就被确定了。但直到最近，我的同事和我才最终阐明了其中一个古代反应堆内部究竟发生了什么的主要细节。
轻元素的证明
在发现异常铀后不久，物理学家就证实了奥克洛铀 235 损耗是由于自然裂变反应造成的这一基本想法。无可辩驳的证据来自对重原子核分裂成两部分时产生的新型较轻元素的检查。这些裂变产物的丰度非常高，以至于无法得出其他结论。很像恩里科·费米和他的同事在 1942 年著名地展示的那种核链式反应确实发生了，完全是自发发生的，大约在 20 亿年前。
在这个令人震惊的发现之后不久，来自世界各地的物理学家研究了这些天然核反应堆的证据，并在加蓬首都利伯维尔举行的 1975 年特别会议上齐聚一堂，分享他们关于“奥克洛现象”的研究成果。第二年，代表美国出席会议的乔治·A·科恩（顺便说一句，他是著名的圣达菲研究所的创始人之一，他仍然隶属于该研究所）为《大众科学》撰写了一篇文章[见乔治·A·科恩的“天然裂变反应堆”，1976 年 7 月]，他在文章中解释了科学家们对这些古代反应堆的运行方式的推测。
例如，科恩描述了铀 235 裂变过程中释放的一些中子如何被更丰富的铀 238 捕获，后者变成了铀 239，并在发射两个电子后变成了钚 239。在奥克洛矿床中产生了超过两吨的这种钚同位素。尽管几乎所有这种材料，其半衰期为 24000 年，此后都消失了（主要是通过自然放射性衰变），但一些钚本身也发生了裂变，其特征裂变产物的存在证明了这一点。这些较轻元素的丰度使科学家们能够推断出裂变反应一定持续了数十万年。根据消耗的铀 235 的数量，他们计算出释放的总能量为 15,000 兆瓦年，并根据这一证据和其他证据，他们能够计算出平均功率输出，可能不到 100 千瓦，比如说，足以运行几十个烤面包机。
令人惊奇的是，十几个以上的天然反应堆自发地出现，并且它们设法维持了可能数十万年的适度功率输出。为什么这些矿床的部分区域在核链式反应开始后没有爆炸并自我摧毁？什么机制提供了必要的自我调节？这些反应堆是稳定运行还是断断续续地运行？这些难题的解决方案在最初发现奥克洛现象后才慢慢出现。事实上，在我在圣路易斯的华盛顿大学的同事和我开始通过检查这块神秘的非洲矿石来解决最后一个问题之前，这个问题徘徊了三十多年。
稀有气体顿悟
我们最近对奥克洛反应堆之一的研究集中于对氙的分析，氙是一种重惰性气体，可以在矿物中保存数十亿年。氙具有九种稳定的同位素，它们由不同的核过程以不同的比例产生。作为一种稀有气体，它能抵抗与其他元素的化学键合，因此很容易纯化以进行同位素分析。氙非常稀有，这使得科学家可以利用它来检测和追踪核反应，甚至是在太阳系形成之前发生在原始陨石中的核反应。
要分析氙的同位素组成，需要一台质谱仪，这是一种可以根据原子的原子量分离原子的仪器。我很幸运能够使用一台非常精确的氙质谱仪，它是由我在华盛顿的同事查尔斯·M·霍亨伯格建造的。但在使用他的仪器之前，我们必须从样品中提取氙。科学家通常只是加热宿主材料，通常在熔点以上，这样岩石就会失去其晶体结构，并且无法抓住其隐藏的氙气。为了收集更多关于这种气体的产生和保留的信息，我们采用了一种更精细的方法，称为激光提取，它有选择地从单个矿物颗粒中释放氙，从而保持相邻区域的完整。
我们将这项技术应用于我们唯一可用的奥克洛岩石碎片上的许多微小点，该碎片只有一毫米厚、四毫米宽。当然，我们首先需要决定将激光束瞄准哪里。在这里，霍亨伯格和我依靠我们的同事奥尔加·普拉夫季娃，她构建了我们样本的详细 X 射线图，并确定了组成矿物。每次提取后，我们纯化所得气体，并将氙气送入霍亨伯格的质谱仪，该质谱仪指示了每种同位素存在的原子数。
我们的第一个惊喜是氙的位置。正如我们所预料的那样，它并没有在富含铀的矿物颗粒中大量发现。相反，大部分被困在磷酸铝矿物中，这些矿物根本不含铀。值得注意的是，这些颗粒显示出在任何天然材料中发现的最高浓度的氙。第二个顿悟是，提取的气体具有与核反应堆中通常产生的同位素组成显着不同的组成。它似乎失去了大部分肯定是由裂变产生的氙 136 和 134，而该元素的较轻变体的改变程度较小。
同位素组成的这种变化是如何发生的？化学反应不会奏效，因为所有同位素在化学上都是相同的。也许是核反应，例如中子捕获？仔细分析使我的同事和我排除了这种可能性。我们也考虑了有时会发生的不同同位素的物理分类：较重的原子比其较轻的对应物移动得稍微慢一些，因此有时可以与它们分离。铀浓缩厂——建造需要相当技能的工业设施——利用此特性来生产反应堆燃料。但是，即使大自然可以在微观尺度上奇迹般地创造出类似的过程，我们研究的磷酸铝颗粒中的氙同位素混合物也将与我们发现的不同。例如，相对于存在的氙 132 的量测量，如果物理分类起作用，氙 136（原子质量大四个单位）的损耗将是氙 134（原子质量大两个单位）的两倍。我们没有看到这种模式。
只有在我们更加深入地思考这种气体的诞生方式后，我们才了解了氙的异常组成。我们测量的氙同位素都不是铀裂变的直接结果。相反，它们是碘的放射性同位素衰变的产物，而碘又是由放射性碲等形成的，根据一个众所周知的核反应序列，它会产生稳定的氙。
我们的关键见解是认识到我们奥克洛样品中的不同氙同位素是在不同的时间产生的——遵循取决于其碘母体和碲祖母的半衰期的时间表。特定的放射性前体存在的时间越长，它释放的氙形成的时间就越长。例如，在奥克洛，自持裂变开始后约一分钟，氙 136 的产生才开始。一小时后，下一个较轻的稳定同位素，氙 134 出现。然后，在裂变开始几天后，氙 132 和 131 出现。最后，经过数百万年，并且在核链式反应终止很久之后，氙 129 形成。
如果奥克洛矿床保持一个封闭系统，那么其天然反应堆在运行过程中积累的氙气将保留裂变产生的正常同位素组成。但是，科学家们没有理由认为该系统是封闭的。事实上，有充分的理由怀疑情况恰恰相反。证据来自于对奥克洛反应堆如何自我调节这个简单事实的考虑。最有可能的机制涉及地下水的作用，当地下水温度达到某个临界水平后，可能会沸腾蒸发。如果没有水作为中子慢化剂，核链式反应就会暂时停止。只有当温度冷却下来，并且有足够的地下水再次渗透到反应区时，裂变才能恢复。
关于奥克洛反应堆可能如何运作的这种描述突出了两个要点：它们很可能以某种方式脉冲式地开启和关闭，并且大量的水一定在这些岩石中移动——足以冲走一些氙气前体，碲和碘，它们是水溶性的。水的存在也有助于解释为什么大多数氙气现在存在于磷酸铝颗粒中，而不是在铀富集矿物中，而这些矿物是裂变首次产生这些放射性前体的场所。氙气并非简单地从一组预先存在的矿物迁移到另一组矿物——在奥克洛反应堆开始运行之前，不太可能存在磷酸铝矿物。相反，那些磷酸铝颗粒可能是通过核加热的水的作用，一旦冷却到大约300摄氏度后在原地形成的。
在奥克洛反应堆的每个活跃运行期间以及之后的一段时间，当温度仍然很高时，大部分氙气（包括产生相对较快的氙136和134）都被驱散了。当反应堆冷却下来时，寿命较长的氙气前体（那些后来产生我们在相对丰度中发现的氙132、131和129）优先被整合到不断增长的磷酸铝颗粒中。然后，随着更多的水返回到反应区，中子得到了适当的慢化，裂变再次恢复，允许加热和冷却的循环重复进行。结果是我们发现的氙同位素的特殊分离。
是什么力量使这些氙气在几乎半个地球的生命周期中都留在磷酸铝矿物内部，这并不完全明显。特别是，为什么在给定运行脉冲期间产生的氙气没有在下一个脉冲期间被驱散？据推测，它被困在磷酸铝矿物的笼状结构中，这种结构能够抓住内部产生的氙气，即使在高温下也是如此。细节仍然模糊，但无论最终的答案是什么，有一点是清楚的：磷酸铝捕获氙气的能力确实令人惊叹。
大自然的运行时间表
在我的同事和我大致弄清了磷酸铝颗粒内部是如何产生观察到的氙同位素组合后，我们尝试用数学方法对这一过程进行建模。这个练习揭示了许多关于反应堆运行时间的信息，所有氙同位素都提供了几乎相同的答案。我们研究的奥克洛反应堆“开启”了30分钟，“关闭”了至少2.5小时。这种模式与在一些间歇泉中看到的模式相似，间歇泉缓慢加热，在壮观的展示中将地下水供应沸腾蒸发，然后重新注水，并日复一日、年复一年地重复这个循环。这种相似性不仅支持了流经奥克洛矿床的地下水是一种中子慢化剂的观点，而且支持了它的沸腾蒸发有时是保护这些天然反应堆免遭破坏的自我调节的原因。在这方面，它非常有效，在数十万年中没有发生一次熔毁或爆炸。
人们会认为核电行业的工程师可以从奥克洛那里学到一两件事。他们当然可以，但不一定关于反应堆设计。更重要的教训可能在于如何处理核废料。毕竟，奥克洛可以作为长期地质储存库的一个很好的类比，这就是为什么科学家们详细研究了裂变的各种产物随着时间推移如何从这些天然反应堆迁移开来的原因。他们还仔细研究了在距此约35公里的邦戈姆贝（Bangombe）地点钻探的勘探钻孔中发现的类似的古代核裂变区域。邦戈姆贝反应堆之所以特别引人关注，是因为它的埋藏深度比在奥克洛和奥克洛邦多矿场出土的反应堆更浅，因此最近有更多的水流经它。总而言之，这些观察结果增强了人们对许多种危险核废料可以成功地被隔离在地下这一点的信心。
奥克洛还展示了一种存储某些形式的核废料的方法，这些废料曾经被认为几乎不可能防止污染环境。自从核能发电问世以来，大量的放射性氙135、氪85以及核电站产生的其他惰性气体被释放到大气中。大自然的裂变反应堆暗示了将这些废物锁定在磷酸铝矿物中的可能性，磷酸铝矿物具有独特的能力，可以捕获和保留这些气体数十亿年。
奥克洛反应堆还可以让科学家们了解曾经被认为是基本物理常数之一的可能变化，这个常数称为_（alpha），它控制着诸如光速之类的普遍量[参见《不恒定的常数》，作者：约翰·D·巴罗和约翰·K·韦伯；《大众科学》，6月]。三十年来，有两千年历史的奥克洛现象被用来反对_发生变化。但去年，洛斯阿拉莫斯国家实验室的史蒂文·K·拉莫雷克斯和贾斯汀·R·托格森利用奥克洛假设，这个“常数”实际上发生了显著变化（而且，奇怪的是，变化方向与其他人最近提出的方向相反）。拉莫雷克斯和托格森的计算取决于奥克洛运行的一些细节，在这方面，我和我的同事所做的工作可能有助于阐明这个令人困惑的问题。
这些在加蓬的古老反应堆是地球上唯一形成过的反应堆吗？在二十亿年前，自持裂变所需的条件一定不是太罕见，因此也许有一天会发现其他天然反应堆。我预计，一些泄露的氙气痕迹可能会对这项搜索大有帮助。