天然核反應(yīng)堆

鈾的同位素發(fā)生的自持核連鎖反應(yīng)現(xiàn)象天然核反應(yīng)堆01簡(jiǎn)介的機(jī)理科幻中的歷史與精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的關(guān)系目錄03050204基本信息天然核反應(yīng)堆是指在鈾礦層中發(fā)現(xiàn)的鈾的同位素能夠在過(guò)去自然發(fā)生自持核連鎖反應(yīng)的一種現(xiàn)象。1956年日裔美籍物理學(xué)家黑田和夫預(yù)言了在某種條件下存在天然核反應(yīng)堆的可能性。這種現(xiàn)象由法國(guó)物理學(xué)家弗朗西斯·佩蘭（FrancisPerrin）于1972年在非洲加蓬的奧克洛發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)的天然核反應(yīng)堆的自然條件與預(yù)言非常相似。奧克洛是世界上唯一已知的曾經(jīng)自然發(fā)生自持的核連鎖反應(yīng)的地方，共有16處。從大約20億年以前開(kāi)始反應(yīng)，斷斷續(xù)續(xù)反應(yīng)幾十萬(wàn)年，在此期間平均輸出功率為100千瓦。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介天然核反應(yīng)堆是指在鈾礦層中發(fā)現(xiàn)的鈾的同位素能夠在過(guò)去自然發(fā)生自持核連鎖反應(yīng)的一種現(xiàn)象。1956年日裔美籍物理學(xué)家黑田和夫預(yù)言了在某種條件下存在天然核反應(yīng)堆的可能性。這種現(xiàn)象由法國(guó)物理學(xué)家弗朗西斯·佩蘭（FrancisPerrin）于1972年在非洲加蓬的奧克洛發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)的天然核反應(yīng)堆的自然條件與預(yù)言非常相似。奧克洛是世界上唯一已知的曾經(jīng)自然發(fā)生自持的核連鎖反應(yīng)的地方，共有16處。從大約20億年以前開(kāi)始反應(yīng)，斷斷續(xù)續(xù)反應(yīng)幾十萬(wàn)年，在此期間平均輸出功率為100千瓦。

歷史歷史1953年美國(guó)曾有人研究瀝青鈾礦時(shí)做出過(guò)一個(gè)粗略的預(yù)測(cè)，認(rèn)為20億年前，當(dāng)鈾235的豐度是3%時(shí)，沉積的鈾礦更接近于能運(yùn)行的反應(yīng)堆。1956年黒田和夫則進(jìn)一步預(yù)言，如果核反應(yīng)所需的濃度、可能發(fā)生的過(guò)去時(shí)間以及鈾235與鈾238的比率都滿足的話，自發(fā)的核反應(yīng)可能在自然界發(fā)生。但是他并不認(rèn)為地球上能夠找到同時(shí)滿足這些特殊條件的地方。1972年6月2日，在法國(guó)皮埃爾拉特核燃料再處理廠工作的布茲蓋博士（Dr.Bouzigue）用常規(guī)的質(zhì)譜分析法對(duì)六氟化鈾樣本的分析發(fā)現(xiàn)，來(lái)自?shī)W克洛河附近鈾礦中鈾235與鈾238兩種同位素的比例失常，正常情況下，鈾235的自然豐度是0.7202±0.0006%，而奧洛克的鈾235自然豐度是0.7171±0.0007%，少了約0.003%。為了防止可以用作核武器的鈾235被偷竊，法國(guó)原子能委員會(huì)進(jìn)行了調(diào)查，但是所有的環(huán)節(jié)都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，而且自從1970年開(kāi)始開(kāi)采奧克洛鈾礦以來(lái)，所有來(lái)自這里的鈾礦樣本都顯示鈾235略少了一點(diǎn)。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，奧克洛鈾礦的礦層中含有30多種核連鎖反應(yīng)的副產(chǎn)物。副產(chǎn)物之一的釹，其同位素釹142不是裂變產(chǎn)生的，從而可以確定奧克洛鈾礦中自然釹在核反應(yīng)開(kāi)始之前的豐度，進(jìn)而確定核反應(yīng)的效果和時(shí)間。最后認(rèn)為由于奧克洛特殊的地質(zhì)條件導(dǎo)致了從20億年前開(kāi)始的天然核反應(yīng)。為了做進(jìn)一步的地質(zhì)化學(xué)調(diào)查，奧克洛鈾礦的開(kāi)采在1972年暫停了一段時(shí)間。最后在奧克洛發(fā)現(xiàn)了14座已經(jīng)停止了核反應(yīng)的古反應(yīng)堆遺址，另外還在奧克洛南邊的班貢貝發(fā)現(xiàn)了一座。的機(jī)理的機(jī)理在大約20億年前，地球上的鈾235相對(duì)豐度在3%左右，在特殊的條件下，正好能夠啟動(dòng)核連鎖反應(yīng)。奧克洛鈾礦源于地球形成時(shí)沉積在地殼中的鈾。經(jīng)過(guò)不斷的劇烈地質(zhì)活動(dòng)，富鈾礦層在花崗巖頂部的砂石層內(nèi)偶然沉積。又經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年，鈾礦層頂部近1千米厚的砂石層被沖刷掉?；◢弾r呈45°傾斜，這使得斜坡底部雨水和鈾氧化物堆積。20億年前恰好藍(lán)綠藻開(kāi)始生長(zhǎng)，它們通過(guò)光合作用增加了水中的氧含量，并使一些鈾變成了可溶的氧化物。當(dāng)可溶解鈾的濃度達(dá)到10%后，核反應(yīng)便能夠啟動(dòng)，這個(gè)臨界狀態(tài)開(kāi)始于18.4±0.7億年。為了不讓能夠保持反應(yīng)的中子逃逸，礦層至少需要0.5米厚。同時(shí)，鈾235自發(fā)裂變時(shí)產(chǎn)生快中子，而鈾235要進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需要吸收熱中子。要將快中子的速度降低下來(lái)，就需要中子減速劑。液態(tài)水正好充當(dāng)了這個(gè)角色。當(dāng)自持性鏈?zhǔn)椒磻?yīng)開(kāi)始時(shí)，反應(yīng)堆溫度升高（大多數(shù)研究者認(rèn)為反應(yīng)堆的溫度應(yīng)當(dāng)在200-400℃之間），水被汽化，熱中子的數(shù)量下降使核反應(yīng)速度下降。于是反應(yīng)堆溫度降低，水蒸氣又凝結(jié)為液態(tài)水，熱中子的數(shù)量上升，再次引發(fā)自持性鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。就這樣，水作為核反應(yīng)的緩沖劑，以穩(wěn)定的自我調(diào)節(jié)方式，使核連鎖反應(yīng)斷斷續(xù)續(xù)的間歇進(jìn)行了近100萬(wàn)年。核反應(yīng)最終停止之前，連鎖反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間變化不定，從幾年到幾千年，反應(yīng)堆的運(yùn)作壽命跨度是22.9±7萬(wàn)年。在奧克洛礦層范圍內(nèi)的6個(gè)共有約1噸鈾235被裂變掉。

與精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的關(guān)系與精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的關(guān)系奧克洛天然核反應(yīng)堆已被用來(lái)檢驗(yàn)過(guò)去20億年來(lái)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α是否發(fā)生改變的可能性。因?yàn)棣聊軌蛴绊懙礁鞣N核反應(yīng)的速度。例如釤149俘獲一個(gè)中子生成釤150和一個(gè)光子的反應(yīng)，α對(duì)中子的俘獲率會(huì)產(chǎn)生影響。從奧克洛鈾礦樣本中取得兩種釤同位素的比值就可以計(jì)算20億年前的α值。大部分對(duì)此的研究認(rèn)為α值與20億年以前相比沒(méi)有變化，或者說(shuō)只允許沒(méi)有變化。但是另一方面，數(shù)據(jù)樣本的質(zhì)量和反應(yīng)堆溫度的不確定性使得還不能完全排除α值發(fā)生變化的可能性。此外，考慮到范圍廣泛的各種理論中，假設(shè)電磁力和強(qiáng)作用力的常數(shù)按照某種方式變化（例如帶有額外維度空間的卡盧察-克萊因理論（kaluza-Klein），它預(yù)言α和強(qiáng)作用力與隨時(shí)間變化的額外維度空間的平均直徑的-2次方成比例），α值發(fā)生變化的可能性也不能排除。

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