核反應是上世紀人類才掌握的一種比化學反應更為高效、相對來說比較清潔的能源,它以第一顆原子彈的爆炸為代表。
讓人類真正見識了什麼是能量的釋放,什麼叫爆炸威力,不過核反應不僅能夠應用在軍事,形成核威懾,在民用上也發揮著巨大的作用。
上世紀50年代,人類建成了第一座能夠緩慢釋放核能的反應堆用來發電,這就是和平利用可控核裂變成功的典範。
如果人類是地球生命進化史上唯一出現的智慧生命,那麼由人類建造的核反應堆應該也是地球上最早的核裂變反應堆。這一點很符合邏輯。
但是在上世紀的70年代初,法國物理學家弗朗西斯·佩林在西非的加蓬的礦脈中發現了17處“核反應堆”遺蹟,更令人震驚的是這些礦藏有17億年的歷史。
17億年前的地球,還沒有經歷寒武紀生命大爆發,根本沒有人類,也沒有恐龍,也沒有三葉蟲,毫不誇張的說,那時的地球上也許只存在簡單的單細胞生命,也許生命才剛剛起源。
這就令很多人不解的是,為何遠古地球上會存在“核反應堆遺蹟”,這可是20世紀人類發現的科技文明,於是各種傳言四起,難道地球上的生命在循環,在我們之前還存在著一幫智慧文明?
所以問題是,核反應堆除了人造能否天然形成?科學家如何解釋17億年前的核反應堆。
為了瞭解這個問題,我們說下今天人類製造核反應堆需要什麼條件?
無疑首先需要燃料,今天我們所使用的核反應堆的燃料是天然存在最重的元素鈾,有92個質子,由於中子數的不同存在有三種同位素238U、235U和234U。
如此重的核,無疑它們都具有天然放射性,也就是可以不受外界干擾自行衰變,但是半衰期相差甚遠,分別為4.468×10^9年,7.038×10^8年,245500年。、
半衰期越短的肯定衰變的越快,因此它們的自然含量肯定也差距比較大,其中的238U佔了99.28%,235U只有0.71%,剩下的微不足道的0.006%就是234U。
不過可以作為核裂變材料的理想只有235U,因為只有它可以發生穩定的自持反應,其他兩種元素在裂變過程中會自行停止。
但是235U的含量很低,因此我們需要將它的含量提高到至少3%的水平才能穩定的持續核反應,這個過程非常複雜和困難,就是我們所說的鈾濃縮。
完成了鈾的提純,我們還需要將核反應堆放在介質中進行,一般使用重水來減緩核反應發生的速率,這才能叫可控核反應,不然就叫原子彈。
下面我們再看下17億年的情況。
17億年的時間超過了235U半衰期(7億年)的兩倍還要多,這說明當時的235U不需要人工濃縮就能達到反應的含量。計算得出是3.7%。
在人類創造的核反應堆中,濃縮鈾的衰變會產生大量的中子,但我們不需要這些中子全部參與接下來的核反應,因此就需要慢化劑水的存在,來減慢中子的速度。
這樣就只能有一部分中子參與撞擊其他的235U核心,在原子核發生裂變以後會形成質量更小元素,並且釋放能量和額外的三個中子。
這些中子的一小部分又再次進入下一反應,來維持鏈式反應的持續。
所以說,為了讓核反應穩定的自持,不僅鈾的含量要達標,還需要水的存在,且這個參與反應的鈾原子要溶於水中。
水是地球上最常見的物質,17億年前就有大量的地下水流入了這個地方砂岩之間的鈾礦藏中,並且水中含有氧氣,可以和礦藏中的235U大量的結合,在水中形成豐富的富含鈾的氧化物。
這形成了一個完美的自然的核反應堆,不過這個核反應堆並不會持續很長時間,因為核反應會產生熱量使得地下水沸騰消失,然後反應堆會自行冷卻,直到地下水再次淹沒礦床,核反應又會繼續。
我們現在甚至還計算出了這個反應堆運行的機體過程,由於水起到了慢化劑的作用,每三個中子就有一個中子參與核反應,持續大約30分鐘的時候。
然後反應堆冷卻150分鐘,等待地下水重新進入,再次開始核反應,這三個小時的循環存續的數億年,直到礦床中235U的含量降低到3%以下,不能維持核反應。
那麼我們如何確定這個地方發生了核裂變反應呢?
其實很簡單,這個地方的235U的含量目前為0.44%到0.60%,遠遠低於正常含量的0.72%,這一線索就說明這裡的鈾曾經發生過除了衰變以外的核反應,肯定是裂變。
那麼線索呢?其實也很簡單,235u發生裂變的時候會產生很多質量更低的放射性元素,如氙、Nd-143,Ru-99,這個放射性元素都是核反應堆的廢料。
而在這個地方的含量水平卻高於自然界的平均值。只能說明這裡的235U發生了裂變。
所以說,不僅在非洲加蓬,在世界上很多的地方其實都存在自然的核反應堆,只要235u和238U的含量為3/97,且有地下水侵入鈾礦床,那麼就會形成一個天然的核反應,不需要人為去製造。
這也說明在自然界的核反應十分常見,觀察非洲加蓬核反應堆產生核廢料的變化,可以為我們提供一個處理人工核廢料的方法。