本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
二十亿年前——远在人类在 20 世纪 50 年代开发出第一座商业核电站之前——十七座天然核裂变反应堆在今天的西非加蓬运行[图 1 和图 2]。这些天然核反应堆产生的能量是适度的。加蓬反应堆的平均功率输出约为 100 千瓦，可为约 1,000 个灯泡供电。作为比较，商业压水沸水反应堆核电站产生约 1,000 兆瓦的功率，可为约一千万个灯泡供电。
图 1： 法兰西维尔盆地的地质情况。天然核反应堆位于奥克洛和邦戈贝。其他铀矿床（未容纳天然核反应堆）位于博因齐、奥克洛邦多和米库隆古。图表取自 Mossman 等人，2008 年。
尽管加蓬核反应堆的功率输出适中，但它们非常引人注目，因为它们大约在 20 亿年前自发开始运行，并持续稳定运行长达一百万年。此外，在加蓬反应堆中，许多核裂变放射性产物已被安全地封存了 20 亿年，这为核废料的长期地质储存是可行的提供了证据。
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科学家在 20 世纪 50 年代首次假设古代地球上可能存在天然核反应堆，当时商业核反应堆刚刚被开发出来并开始普及。值得注意的是，在 1956 年的一篇论文中，保罗·黑田理论化了核裂变可能自发发展并持续存在的条件。
图 2： 奥克洛和奥克洛邦多铀矿床的地质剖面图，显示了核反应堆的位置。最后一个反应堆（#17）位于邦戈贝，奥克洛东南约 30 公里处。核反应堆位于 FA 砂岩层中。图表取自 Mossman 等人，2008 年。
这些条件与人为核反应堆中维持核反应的条件非常相似。
在人为核反应堆中，当铀（或有时是钚）原子裂变或分裂成碎片，释放核能时，就会产生能量。由于这种裂变，会产生快中子。如果被慢化物质（通常是水或石墨）减速，这些中子可能会诱导其他原子发生裂变。当受到仔细控制时，自持“临界”核裂变反应可以长时间产生能量——直到核燃料中的可裂变原子耗尽。核裂变产生的能量通常用于加热水并产生蒸汽，蒸汽驱动大型涡轮机发电。
铀是商业核电站中最常用的燃料。铀有三种同位素：铀 238、铀 235 和铀 234。由于核特性，铀 235 在受到中子轰击时最有可能发生裂变。然而，在今天的地球上，铀 235 仅占铀的 0.720%，而铀 238 是铀的主要同位素 (99.275%)，铀 234 仅以痕量存在 (0.006%)。铀的同位素分布在地球地壳中非常均匀，因此今天开采的所有铀矿石都含有约 0.720% 的铀 235。为了提高核链式反应的效率，铀 235 在用作核电站燃料之前会被人为地富集至约 3%。
为了控制人为反应堆中的核链式反应，水既用作慢化剂（减慢中子速度的物质），又用作冷却剂。为了控制或关闭核链式反应，使用了控制棒。这些控制棒由能够吸收中子而不发生裂变的元素（如银、铱和镉）组成。硼（另一种非常擅长吸收中子而不发生裂变的元素）也可以添加到核反应堆周围的水中，以减缓或关闭核反应。
因此，在人为核反应堆中，铀的浓度、铀 235 的丰度以及中子慢化剂和吸收剂的存在都受到严格控制。这些相同的因素在天然核反应堆中也发挥作用。
稳定的天然核反应堆的形成必须满足四个条件
1. 天然铀矿石必须具有高铀含量，并且必须具有一定的厚度（至少约 2/3 米）和几何形状，以增加铀 238 中的自发天然裂变诱导铀 235 中自持裂变反应的可能性。
2. 铀必须含有大量可裂变的铀 235。
3. 必须有慢化剂，一种可以减慢铀裂变时产生的中子速度的物质。
4. 铀附近不得存在大量吸收中子的元素（如银或硼），这些元素会抑制自持核反应。
黑田指出，古代铀矿床中可能存在天然核反应堆形成的必要条件。今天，有许多集中的铀矿床，但是——正如你可能会感到欣慰的那样——核裂变不可能自发地发展。这是因为铀 235 的浓度太小（仅占铀的 0.720%，正如我上面提到的那样），无法维持自持裂变反应。然而，铀 238 和铀 235 的相对比例在地球历史上一直在变化。
地球最初形成时，铀 235 占铀的 30% 以上[图 3]。铀 235 相对于铀 238 的比例一直在变化，因为铀同位素具有放射性，并且会随着时间的推移衰变为其他元素。然而，铀 238 的衰变速度远慢于铀 235，因此在地球 45.4 亿年的历史中，铀 235 相对于铀 238 变得越来越稀少。数十亿年前，铀矿石中铀 235 的丰度足够高，足以形成自持裂变反应。二十亿年前，铀矿石中会存在约 3.6% 的铀 235——大约是压水沸水反应堆核电站中使用的铀 235 的比例。因此，理论上，一个古老的（数十亿年前的）铀矿床可能自发地发展出自我维持的核裂变，前提是铀足够集中，有一种物质（可能是水）充当慢化剂，并且附近没有大量的吸中子元素。
图 3： 随时间推移，地球地壳中铀 235 / 铀 238 的比例。x 轴单位为百万年。当加蓬天然核反应堆在大约 20 亿年前运行时，地球地壳中大约含有 3.68% 的铀 235。图表取自 Gauthier-Lafaye 和 Weber，2003 年。
十六年后，即 1972 年，恰好在加蓬发现了这样一个天然核反应堆。法国一直在加蓬——他们以前的殖民地——开采铀，用于核电站。在对加蓬铀矿石进行常规同位素测量期间，法国人注意到一些非常奇怪的事情：铀矿石的铀 235 含量不是 0.720%。相反，铀矿石中的铀 235 异常贫乏，仅含有 0.717%。这听起来可能是一个微小的变化，但这种差异让法国核官员非常震惊。你看，地球地壳（甚至月球岩石和陨石中）的铀 235 与 0.720% 的平均值相比变化很小。由于铀 235 可用于制造核弹，因此必须解释这种“丢失”的铀 235。
幸运的是，核官员和科学家最终想起了黑田和其他人的旧出版物，他们很快意识到来自加蓬的异常铀提供了非凡事物的证据——有史以来发现的第一个天然核反应堆。铀矿石中铀 235 的含量减少了，因为二十亿年前，一些铀 235 已在天然核反应堆中被消耗掉了。最终，在奥克洛的铀矿中发现了十六个天然核反应堆[图 1]。在邦戈贝还发现了另外第十七个天然核反应堆，位于奥克洛东南约 30 公里处。
加蓬的天然核裂变反应堆是独一无二的——迄今为止，尚未发现其他天然核反应堆。不幸的是，对于科学而言，奥克洛的十六个天然核反应堆已被摧毁，为了获得丰富的铀矿石而被完全开采殆尽。科学家们只有有限的铀样品（通常带有稀疏的现场笔记）可以用来研究这些非凡的核反应堆。在 20 世纪 90 年代后期，最后一个位于邦戈贝的天然核反应堆也面临被开采的危险。1997 年，科学家弗朗索瓦·戈蒂埃-拉法耶（及其合著者）在《自然》杂志上发表了一篇呼吁书，呼吁停止开采邦戈贝铀矿。他们写道：
地球上最后一个已知的天然裂变反应堆很可能在今年被开采。由于这些天然反应堆是独一无二的，因此至少应该保留一个用于当前和未来的研究项目……除一个反应堆外，所有反应堆都位于加蓬法兰西维尔盆地最重要的铀矿床奥克洛……该矿床将于 1998 年很快被完全开采殆尽。因此，未来对这些反应堆的研究将不得不依赖于先前收集的样本，其中许多样本记录不完整，并且脱离了其地质背景……然而，在位于奥克洛 30 公里外的邦戈贝的非常小的铀矿床中的一个反应堆中，工作仍然是可能的。我们建议将这个独特的、具有重要科学意义的矿床保存下来，以供现在和未来的研究。这个矿床同样是独一无二的，而且肯定比来自月球和火星的最珍贵的标本更不可替代。
自从 1972 年发现加蓬天然核反应堆以来，科学家们一直在思考为什么这些反应堆在二十亿年前的加蓬形成，并且——似乎——在地球上的其他地方或时间都没有形成。科学家们仍在努力了解加蓬反应堆，但在过去的四十年中，他们设法梳理出这些核反应堆是如何运行并在地质记录中保存下来的一些细节。
你可能想知道为什么天然核反应堆仅在二十亿年前的铀矿床中形成，当时铀 235 的含量已经减少到不到铀的 4%。当铀 235 的含量更高时，裂变反应堆不是应该更早地在地球历史上形成吗？请记住，高同位素丰度的铀 235 只是天然核反应堆形成的四个条件之一。另一个重要条件是铀的富集。事实证明，在大约二十亿年前之前，地球上没有形成大量的铀富集。原因很简单：氧气。
在地球上的大多数岩石中，铀仅以痕量（百万分之几或十亿分之几）存在。铀通常通过热液循环富集，热液循环会吸收铀并将其富集到新的热液矿床中。为了使这种热液循环富集铀，铀必须是可溶的（能够被水吸收）。然而，铀的溶解度有点棘手。当铀处于还原态 (U4+) 时，铀倾向于形成非常稳定的化合物，这些化合物不易溶解。然而，当铀处于氧化态 (U6+) 时，铀很容易形成可溶性络合物。地球早期大气中氧气含量非常少。因此，由于没有氧气将铀转化为其可溶形式，因此很难富集大量的铀。
然而，从大约 24 亿年前开始，发生了一次名为“大氧化事件”的事件，在此期间，大气中的氧气含量显着上升，从 <1% 上升到 ≥15%。大气氧气含量的显着上升是光合蓝藻产生氧气的结果。一段时间以来，这些细菌产生的氧气被矿物质吸收并被氧化。然而，当这些矿物质中的氧气饱和时，氧气开始在大气中积累。大气氧气含量的增加使铀能够移动并通过热液循环富集。
在加蓬，富铀矿床大约在二十亿年前在法兰西维尔盆地的海洋砂岩层中形成[图 2]。该砂岩层的下部最初包含许多小的含铀矿物（独居石、钍石，可能还有沥青铀矿）。这些矿物是分散的，直到大约二十亿年前氧化水渗入砂岩。这些氧化水溶解了含铀矿物，并将铀富集到砂岩层顶部的几个矿床中。铀实际上变得异常富集。当铀浓度达到 10% 时，铀裂变可能已经开始；加蓬铀矿床（天然核反应堆在其中形成）含有约 25% 至 60% 的铀。
因此，二十亿年前在加蓬，满足了天然核裂变反应堆形成的四个条件中的两个：存在大量的铀富集，并且这种铀仍然含有大量的易裂变铀 235。其他两个条件也得到了满足。水能够渗入含有铀矿床的可渗透砂岩中，并且这种水充当了中子慢化剂。也没有大量的吸中子元素来抑制自持裂变反应。所有这些都为天然核裂变反应堆提供了完美的配方。
加蓬天然核反应堆运行了数十万年。反应堆可能以有规律的间隔开启和关闭。核裂变开始，由水减速，并持续到所有可用的水因核热而沸腾蒸发。直到新的水渗入反应堆，反应才可能再次开始。反应堆的这种开关行为可能在几个小时的时间尺度上运行，类似于间歇泉由于地下水补给而周期性喷发的方式。可能由于这种周期性的开关行为，加蓬天然核反应堆非常稳定。没有发生过一次熔毁；反应堆稳定运行长达 100 万年。最终，可裂变的铀 235 耗尽，加蓬天然核反应堆关闭。
加蓬天然核反应堆的长期保存可能比反应堆本身更引人注目。这些核反应堆经历了 20 亿年的地质时间。加蓬反应堆的保存是两个因素的结果：非洲克拉通的长期稳定性和铀矿床与氧化地下水的隔离。加蓬的天然核反应堆似乎主要受到包裹性碳质物质和粘土的保护，这些物质和粘土创造并维持了还原性（低氧）条件，这些条件在很大程度上抑制了铀和其他核裂变放射性产物的移动。
也许天然核反应堆在二十亿年前在地球上的其他几个地方运行过。也许我们还没有找到其他天然核反应堆的证据，或者其他天然核反应堆的放射性遗迹早已被侵蚀或氧化和溶解。然而，截至今天，加蓬天然核反应堆仍然“是独一无二的，而且肯定比来自月球和火星的最珍贵的标本更不可替代”。由于加蓬反应堆如此稳定，运行时间如此之长，并且已经保存了 20 亿年，因此对这些独特的天然反应堆的科学研究提供了与人为核电和核废料储存相关的重要见解。看来，大自然母亲知道如何操作核反应堆。
参考文献
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Porcelli 和 Swarzenski，2003 年。地下水中 U 和 Th 系列核素的行为。载于：《铀系列地球化学》。矿物学与地球化学评论，第 52 卷：317-362。
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关于作者： 伊芙琳·默文目前正在麻省理工学院和伍兹霍尔海洋研究所的联合项目中攻读海洋地质学与地球物理学博士学位。她撰写了一个名为 Georneys 的地质学博客，该博客最近加入了 AGU 博客网络。在 2011 年的 3 月和 4 月，伊芙琳定期采访她的父亲，一位核工程师，关于日本正在进行的福岛第一核电站灾难。她对父亲的采访变得非常受欢迎，并在互联网上广为传播。她目前正在编纂一本关于所有核采访的书籍，并计划在福岛灾难接近四个月之际再次采访她的父亲。可以在 Twitter 上找到她，账号为 @GeoEvelyn。
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编者注：感谢读者指出两个错误，现已修复：人为反应堆可以为一千万个灯泡供电，而不是一百万个灯泡，并且其中释放的是核能，而不是化学能。