“核反应堆”，是核电站的心脏。核反应堆的类型很多，但它主要由活性区，反射层，外压力壳和屏蔽层组成。“核反应堆”是一个能维持可控自持链式核裂变反应，以实现核能利用的装置。世界上的第一个台核反应堆是在1942年12月才建成的，然而人们发现的奥克洛核反应堆却早在20亿年以前就开始反应，且断断续续反应了十几万年。那么这个20亿年前的核反应堆是谁的杰作呢?下面一起随小编来看20亿年前的核反应堆之谜!

20亿年前的核反应堆——奥克洛核反应堆

972年5月，法国一座核燃料处理厂的一名工人注意到了一个奇怪的现象。当时他正对一块铀矿石进行常规分析，这块矿石采自一座看似普通的铀矿。与所有的天然铀矿一样，该矿石含有3种铀同位素──换句话说，其中的铀元素以3种不同的形态存在，它们的原子量各不相同：含量最丰富的是铀238;最稀少的是铀234;而人们垂涎三尺，能够维持核链式反应(chain reaction)的同位素，则是铀235。

奥克洛核反应堆

在地球上几乎所有的地方，甚至在月球上或陨石中，铀235同位素的原子数量在铀元素总量中占据的比例始终都是0.720%。不过，在这些采自非洲加蓬的矿石样品中，铀235的含量仅有0.717%!尽管差异如此细微，却引起了法国科学家的警惕，这其中一定发生过某种怪事。进一步的分析显示，从该矿采来的一部分矿石中，铀235严重缺斤短两：大约有200千克不翼而飞——足够制造6枚原子弹。

接连几周，法国原子能委员会(French Atomic Energy Commission，简写为CEA)的专家们都困惑不已。直到有人突然想起19年前的一个理论预言，大家才恍然大悟。1953年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的乔治·W·韦瑟里尔(George W. Wetherill)和芝加哥大学的马克·G·英格拉姆(Mark G. Inghram)指出，一些铀矿矿脉可能曾经形成过天然的核裂变反应堆，这个观点很快便流行起来。

其后不久，美国阿肯色大学的一位化学家黑田和夫(Paul K. Kuroda)计算出了铀矿自发产生“自持裂变反应”(self-sustained fission)的条件。所谓自持裂变反应，即可以自发维持下去的核裂变反应，是从一个偶然闯入的中子开始的：它会诱使一个铀235原子核发生分裂，裂变产生更多的中子，又会引发其他原子核继续分裂，如此循环下去，形成连锁反应。

奥克洛核反应堆的发现

黑田和夫认为，自持裂变反应能够发生的第一个条件就是，铀矿矿脉的大小必须超过诱发裂变的中子在矿石中穿行的平均距离，也就是0.67米左右。这个条件可以保证，裂变的原子核释放的中子在逃离矿脉之前，就能被其他铀原子核吸收。

第二个必要条件是，铀235必须足够丰富。今天，即使是储量最大、浓度最高的铀矿矿脉也无法成为一座天然核反应堆，因为铀235的浓度过低，甚至连1%都不到。不过这种同位素具有放射性，它的衰变速率比铀238快大约6倍，因此在久远的过去，这种更容易衰变的同位素所占的比例肯定高得多。

例如，20亿年前奥克罗铀矿脉形成的时候，铀235所占的比例接近3%，与现在大多数核电站中使用的、人工提纯的浓缩铀燃料的浓度大致相当。第三个重要因素是，必须存在某种中子“慢化剂”(moderator)，减慢铀原子核裂变时释放的中子的运动速度，从而使这些中子在诱使铀原子核分裂时，更加得心应手。最终，矿脉中不能出现大量的硼、锂或其他“毒素”，这些元素会吸收中子，因此可以令任何核裂变反应戛然而止。

20亿年前的核反应堆

最终，研究人员在奥克罗和邻近的奥克罗班多地区的铀矿中，确定了16个相互分离的区域——20亿年前，那里的真实环境，居然与黑田和夫描绘的大致情况惊人地相似。尽管这些区域早在几十年前就被全部辨认出来，但是远古天然核反应堆运转过程的种种细节，直到最近才被我和同事彻底揭开。

专家对奥克洛核反应堆的分析

经过多年探索，科学界终于认定，奥克洛铀矿的铀235，是链式反应中生成的“矿渣”，是“核反应堆”曾经存在的证据，这表明奥克洛铀矿区的“核反应堆”，在20亿年前已经点火工作。在20亿年前，奥克洛铀矿中铀235含量比现在高很多，由于某种原因，可能是自然条件得天独厚，此地形成了“核反应堆”。

核反应堆

反应堆的燃烧使铀235的链式反应得以缓慢进行，并且在数十亿年演化过程中，断断续续地释放原子能，其方式和间歇泉喷水相似。 这简直是不可思议的。要知道，要发生核裂变链式反应，先要有大量高浓度铀235，而天然铀矿中只含有极少比例的铀235。

即使铀235足够多，要想使核反应不成为核爆炸，还必须使用中子慢化剂如重水等;即使上述两个条件满足了，也并不等于真能发生持续的核反应，还必须使铀与慢化剂之间有某种比例的配置。

奥克洛核反应堆所创造的神奇

在人类建造的核电站中，通常都是核裂变反应堆。在这种反应堆中，必须用高纯度浓缩铀或钚为燃料;必须用石墨、重水等慢化剂来获得慢中子;反应堆中必须加装控制棒，使链式反应受人控制，以缓慢释放原子能。如此苛刻的条件，在奥克洛铀矿的“核反应堆”中，是如何实现的呢?

天然的核反应堆

至今在科学界仍然存在很多争论。最自然的论点是，奥克洛铀矿纯粹是大自然的手笔。20亿年前，种种机缘的巧合，使奥克洛矿区的铀235含量比现在高得多。于是大自然就地取材，利用普通水作“慢化剂和控制阀”，使链式反应在人类难以想象的环境中，简洁而神奇地发生。