誰啟動了20億年前核反應爐(圖)
1972年5月，法國一座核燃料處理廠的一名工人注意到了一個奇怪的現象。當時他正對一塊鈾礦石進行常規分析，這塊礦石採自一座看似普通的鈾礦。與所有的天然鈾礦一樣，該礦石含有3種鈾同位素──換句話說，其中的鈾元素以3種不同的形態存在，它們的原子量各不相同：含量最豐富的是鈾238；最稀少的是鈾234；而人們垂涎三尺，能夠維持核鏈式反應(chain reaction)的同位素，則是鈾235。在地球上幾乎所有的地方，甚至在月球上或隕石中，鈾235同位素的原子數量在鈾元素總量中佔據的比例始終都是 0.720%。不過，在這些採自非洲加彭的礦石樣品中，鈾235的含量僅有0.717%！儘管差異如此細微，卻引起了法國科學家的警惕，這其中一定發生過某種怪事。進一步的分析顯示，從該礦採來的一部分礦石中，鈾235嚴重缺斤短兩：大約有200千克不翼而飛——足夠製造6枚原子彈。
接連幾週，法國原子能委員會(French Atomic Energy Commission，簡寫為CEA)的專家們都困惑不已。直到有人突然想起19年前的一個理論預言，大家才恍然大悟。1953年，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的喬治·W·韋瑟裡爾(George W. Wetherill)和芝加哥大學的馬克·G·英格拉姆(Mark G. Inghram)指出，一些鈾礦礦脈可能曾經形成過天然的核裂變反應爐，這個觀點很快便流行起來。其後不久，美國阿肯色大學的一位化學家黑田和夫 (Paul K. Kuroda)計算出了鈾礦自發產生「自持裂變反應」(self-sustained fission)的條件。所謂自持裂變反應，即可以自發維持下去的核裂變反應，是從一個偶然闖入的中子開始的：它會誘使一個鈾235原子核發生分裂，裂變產生更多的中子，又會引發其他原子核繼續分裂，如此循環下去，形成連鎖反應。
黑田和夫認為，自持裂變反應能夠發生的第一個條件就是，鈾礦礦脈的大小必須超過誘發裂變的中子在礦石中穿行的平均距離，也就是0.67米左右。這個條件可以保證，裂變的原子核釋放的中子在逃離礦脈之前，就能被其他鈾原子核吸收。
第二個必要條件是，鈾235必須足夠豐富。今天，即使是儲量最大、濃度最高的鈾礦礦脈也無法成為一座核反應爐，因為鈾235的濃度過低，甚至連1%都不到。不過這種同位素具有放射性，它的衰變速率比鈾238快大約6倍，因此在久遠的過去，這種更容易衰變的同位素所佔的比例肯定高得多。例如，20億年前奧克羅鈾礦脈形成的時候，鈾235所佔的比例接近3%，與現在大多數核電站中使用的、人工提純的濃縮鈾燃料的濃度大致相當。
第三個重要因素是，必須存在某種中子「慢化劑」(moderator)，減慢鈾原子核裂變時釋放的中子的運動速度，從而使這些中子在誘使鈾原子核分裂時，更加得心應手。最終，礦脈中不能出現大量的硼、鋰或其他「毒素」，這些元素會吸收中子，因此可以令任何核裂變反應戛然而止。
最終，研究人員在奧克羅和鄰近的奧克羅班多地區的鈾礦中，確定了16個相互分離的區域——20億年前，那裡的真實環境，居然與黑田和夫描繪的大致情況驚人地相似。儘管這些區域早在幾十年前就被全部辨認出來，但是遠古核反應爐運轉過程的種種細節，直到最近才被我和同事徹底揭開。
輕元素提供證據
重元素分裂產生的輕元素提供了確鑿無疑的證據：奧克羅鈾礦在20億年前確實發生過自持核裂變反應，而且持續時間長達數十萬年。
奧克羅的鈾異常情況被發現之後不久，物理學家就確定，天然的裂變反應導致了鈾235的損耗。一個重原子核一分為二時，會產生較輕的新元素。找到這些元素，就等於找到了核裂變確鑿無疑的證據。事實證明，這些分裂產物的含量如此之高，因此除了核鏈式反應以外，不可能存在其他任何解釋。這場鏈式反應很像1942 年恩裡科·費米(Enrico Fermi)及其同事所做的那場著名演示(當時他們建成了世界上第一座可控原子核裂變鏈反應爐)，反應全靠自己的力量維持運轉，只是時間上提早了20億年。
如此令人震驚的發現公布後不久，世界各地的物理學家便開始研究這些天然核反應爐的證據，並在1975年加彭首都利伯維爾的一次特別會議上，分享了他們關於 「奧克羅現象」的研究成果。第二年，代表美國出席那次會議的喬治·A·考恩(George A. Cowan，順便提及，他是美國著名的聖菲研究所的創建者之一，至今仍是該研究所的成員)為《科學美國人》撰寫了一篇文章(參見1976年7月號喬治·A·考恩所著《天然核裂變反應爐》一文)，文中他講解了當時的科學家對這些遠古核反應爐運行原理的猜測。
比如，考恩描述了鈈239的形成過程——數量更加豐富的鈾238捕獲了鈾235裂變釋放的一些中子，轉變為鈾239，然後再釋放出兩個電子，轉化成鈈 239。在奧克羅鈾礦中，曾經產生過超過兩噸的鈈239。不過這種同位素後來幾乎全都消失了(主要是通過天然的放射性衰變，鈈239的半衰期為2.4萬年)，一些鈈自身也經歷了裂變，它所特有的裂變產物證明了這一點。這些輕元素豐富的含量讓科學家推測，裂變反應一定持續了幾十萬年之久。根據鈾235消耗的數量，他們計算出了反應爐釋放的總能量，大概相當於1,500萬千瓦的機器運轉一整年所消耗的能量；再結合一些其他的證據，就能推算出反應爐的平均輸出功率：不超過100千瓦，足夠維持幾十隻烤箱的運作。
十幾座天然反應爐自發工作，並維持著適度的功率輸出，運轉了大約幾十萬年之久，這確實令人驚嘆。為什麼這些礦脈沒有發生爆炸，沒有在核鏈式反應啟動後立即自我摧毀？是什麼機制使它們擁有了必不可少的自我調節能力？這些反應爐是穩定運轉，還是間歇式發作？自奧克羅現象最初發現以來，這些問題遲遲得不到解答。實際上，最後一個問題困擾了人們長達30年之久，直到我和我在美國華盛頓大學聖路易斯分校的同事檢測了一塊來自這個神秘非洲鈾礦的礦石之後，謎底才被逐漸揭開。
惰性氣體揭露謎底
在奧克羅反應爐遺蹟中，氙同位素的構成比例出現異常。找出這種異常的根源，就能揭開遠古核反應爐的運作之謎。
最近，我們對奧克羅的一個反應爐遺蹟進行了研究，重點集中在對氙氣的分析方面。氙是一種較重的惰性氣體(inert gas)，可以被礦物封存數十億年之久。氙有9種穩定同位素，由不同的核反應過程產生，含量各不相同。作為一種惰性氣體，它很難與其他元素形成化學鍵，因此很容易將它們提純，進行同位素分析。氙的含量非常稀少，科學家可以用它來探測和追溯核反應，甚至用來研究那些發生於太陽系形成之前的、原始隕石之中的核反應。
分析氙的同位素成分需要一臺質譜儀(mass spectrometer)，它可以根據原子量(atomic weight)的不同而分離出不同的原子。我有幸可以使用一臺極其精確的氙質譜儀，那是我在華盛頓大學的同事查爾斯·M·霍恩貝格(Charles M. Hohenberg)製造的。不過在使用他的儀器之前，我們必須先把氙氣從樣品中提取出來。通常，科學家只須將寄主礦物加熱到它的熔點以上，岩石就會失去晶體結構，無法再保留內部儲藏的氙氣。為了獲得更多關於這種氣體起源和封存過程的信息，我們採取了一種更加精巧的方法——激光萃取法(laser extraction)，它可以有針對性地從礦物樣品的個別顆粒中釋放出氙氣，而不會觸碰周圍其他的部分。
我們可以利用的唯一一塊奧克羅礦石碎塊僅有1毫米厚、4毫米寬，我們把這種技術應用到碎塊上的許多微小斑點之上。當然，我們首先需要決定將激光束聚焦到什麼位置。在這方面，我和霍恩貝格得到了同事奧爾加·普拉夫迪夫切娃(Olga Pravdivtseva)的鼎力相助，她為我們的樣本拍攝了一張詳盡的X射線照片，識別出了候選的礦物。每次萃取之後，我們都會將得到的氣體提純，然後把氙氣放入霍恩貝格的質譜儀中，儀器會顯示出每一種同位素的原子數目。
氙氣出現的位置令我們大吃一驚，它並不像我們想像的那樣，大量分布在富含鈾元素的礦物顆粒之中，儲藏氙氣數量最多的竟然是根本不含鈾元素的磷酸鋁顆粒。非常明顯，在目前發現的所有天然礦物之中，這些顆粒中的氙濃度是最高的。第二個令人驚訝之處在於，與通常由核反應產生的氣體相比，萃取出來的氣體在同位素組成上有顯著的不同。核裂變一定會產生氙136和氙134，但在奧克羅礦石中，這兩種同位素似乎缺失嚴重，而其他較輕的氙同位素含量則變化不大。
同位素構成比例上的這種差異是如何產生的呢？化學反應無法提供答案，因為所有同位素的化學性質都完全相同。那麼核反應，比如說中子俘獲過程 (neutron capture)，能不能給出解釋呢？經過仔細分析，我和同事們把這種可能性也排除了。我們還考慮過不同同位素的物理分選過程：較重的原子移動速度比較輕的原子稍慢一些，有時它們就會相互分離開來。鈾濃縮裝置就是利用這個過程來生產反應爐燃料的，不過需要相當高的技術水平才能建造出這樣的工業設備。即使自然界能夠奇蹟般地在微觀尺度上創造出類似的「裝置」，仍然無法解釋我們所研究的磷酸鋁顆粒中混合在一起的氙同位素比例。舉例來說，如果確實發生過物理分選的話，考慮到現有的氙132的含量，氙136(比氙132重4個原子質量單位)的缺失，應該是氙134(比氙132重2個原子質量單位)的兩倍。但實際上，我們並沒有看到那樣的模式。
絞盡腦汁之後，我們終於想通了產生氙同位素構成比例異常的原因。我們所測量的所有氙同位素都不是鈾裂變的直接產物。相反，它們是放射性碘同位素衰變的產物，碘則由放射性碲衰變而來，而碲又由別的元素衰變產生，這是一個著名的核反應序列，最終的產物才是穩定的氙氣。
我們的突破點在於，我們意識到奧克羅樣品中不同的氙同位素產生於不同的時期，它們所遵循的時間表由它們的母元素碘和再上一代的元素碲的半衰期所決定。某種特定的放射性前體(precursor，即一系列反應過程的中間產物)存在的時間越長，它們形成氙的過程就被拖延得越久。例如，在奧克羅的自持裂變反應開始後，氙136僅過了大約1分鐘就開始生成；一個小時後，稍輕一些的穩定同位素氙134出現；接下來，在裂變開始的若干天後，氙132和氙131登場亮相；最終，幾百萬年之後，氙129才得以形成——此時，核鏈式反應早已停止很久了。
如果奧克羅礦脈一直處於封閉狀態，那麼在它的天然反應爐運轉期間積聚起來的氙氣，就會保持核裂變所產生的正常同位素比例，並一直保存至今。但是，科學家沒有理由認為，這個系統會是封閉的。實際上，有充分的原因讓人猜想，它不是封閉的。奧克羅反應爐可以通過某種方式自行調節核反應，這個簡單的事實提供了間接的證據。最可能的調節機制與地下水的活動有關：當溫度達到某個臨界點時，水會被煮沸蒸發掉。水在核鏈式反應中起到了中子慢化劑的作用，如果水不見了，核鏈式反應就會暫時停止。只有當溫度下降，足夠的地下水再次滲入之後，反應區域才會繼續開始發生裂變。
這種關於奧克羅反應爐如何運轉的說法強調了兩個要點：第一，核反應很可能以某種方式時斷時續地發生；第二，必定有大量的水流過這些岩石——足夠沖洗掉一些氙的前體，比如可溶於水的碲和碘。水的存在有助於解釋這樣一個問題：為什麼大多數氙現在留存於磷酸鋁顆粒中，而沒有出現在富含鈾元素的礦物裡——要知道，裂變反應最初是在這裡生成那些放射性前體的。氙氣不會簡單地從一組早已存在的礦物中遷移到另一組礦物裡——在奧克羅反應爐開始運轉之前，磷酸鋁礦物很可能還不存在。實際上，那些磷酸鋁顆粒可能是就地形成的，一旦被核反應加熱的水冷卻到300℃左右，磷酸鋁顆粒就會形成。
在奧克羅反應爐運轉的每個活躍期和隨後溫度仍然很高的一段時間裏，大量的氙氣(包括形成速度相對較快的氙136和氙134)會被趕走。等到反應爐冷卻時，半衰期更長的氙前體(也就是最後會產生目前含量比較豐富的氙132、氙131和氙129的放射性前體)則會優先與正在形成的磷酸鋁顆粒結合起來。隨著更多的水回到反應區域，中子被適當地慢化，裂變反應再度恢復，使這種加熱和冷卻的循環週而復始地重複下去。由此產生的結果，就是我們所觀察到的、奇特的氙同位素構成比例。
什麼力量能讓氙氣在磷酸鋁礦物中留存20億年之久呢？再進一步，為什麼在某次反應爐運轉期間產生的氙氣，沒有在下一次運轉期間被清除呢？對於這些問題，我們還沒有找到確切的答案。據推測，氙可能被囚禁在磷酸鋁礦物的籠狀結構中，這種結構即使在很高的溫度下，也能夠容納籠中產生的氙氣。儘管具體細節仍不清楚，但不管最終的答案如何，有一點是明確無誤的：磷酸鋁俘獲氙氣的能力真是令人驚嘆。
間歇式核反應爐
遠古核反應爐猶如今天的間歇泉，有著天然形成的自我調節機制。它們在核廢料處置和基礎物理研究方面，給科學家們提供了全新的思路。
在搞清了觀測到的氙同位素在磷酸鋁中產生的基本過程之後，我和我的同事們試圖從數學上為這個過程建立一個模型。這個計算揭示了有關反應爐運轉時間的更多信息，所有的氙同位素都提供了大致相同的答案。我們研究的那個奧克羅反應爐每次「開啟」30分鐘，然後再「關閉」至少2.5小時。這樣的模式猶如我們所看到的一些間歇泉，先是緩慢地加熱，然後在一場壯觀的噴發中將積蓄的地下水統統蒸騰而出，接著再重新蓄水，開始新一輪循環，日復一日、年復一年地持續下去。這種相似性支持了這樣的觀點：流經奧克羅礦脈的地下水不僅充當著中子慢化劑的角色，還不時會被蒸發殆盡，形成保護這些天然反應爐不至於自我摧毀的調節機制。在這方面，這種調節機制十分有效，數十萬年間沒有發生一次熔毀或爆炸事件。
人們大概會設想，從事核電工業的工程師也許能在奧克羅學到一兩樣本事。他們確實能學到東西，不過不一定是有關反應爐設計的，更重要的也許是處置核廢料的方法。畢竟，奧克羅就像一個地質儲藏室那樣運轉了如此漫長的時間，這就是科學家要細緻入微地進行調查的原因，他們想知道裂變的各種產物如何從這些天然核反應爐中遷移出來。他們還仔細檢查了另一處類似的遠古核裂變區域，這個地點是通過勘探鑽井發現的，位於大約35千米以外的一個叫作班哥貝(Bangombe) 的地方。班哥貝反應爐之所以特別引人注目，是因為它的埋藏位置比奧克羅及奧克羅班多地區的露天鈾礦更淺，因此在近期有更多的水流過那裡。總之，調查得出的結論令我們信心倍增：多種危險的核廢料都能夠成功地被隔離於地下。
奧克羅還演示了一種方法，能夠儲存那些一度被認為肯定會對環境造成污染的核廢料。自從核能發電問世以來，核電站產生的大量放射性氙135、氪85和其他惰性氣體，都被釋放到大氣之中。天然裂變反應爐表明，磷酸鋁礦物擁有一種獨一無二的能力，能夠俘獲和儲存這些氣體廢料達幾十億年之久，把這些廢氣封存在這種礦物之中也許是可行的。
奧克羅反應爐還向科學家們透露了這樣的訊息：他們曾經認定為基本物理常數的α(阿爾法，控制著諸如光速這樣的宇宙參數)，可能曾發生過改變。過去30年來，發生在20億年前的奧克羅現像一直被用來駁斥α曾經發生過改變的觀點。但是2005年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的史蒂文·K·拉蒙諾 (Steven K. Lamoreaux)和賈斯廷·R·托格森(Justin R. Torgerson)卻根據奧克羅現象推斷，這一「常數」確實發生了明顯改變(而且十分奇怪的是，他們得出的常數改變方向與最近其他人得出的結論相反)。對於拉蒙諾和托格森的計算來說，奧克羅運轉過程的一些細節十分關鍵，從這個角度上來講，我和我的同事們所做的工作，也許有助於闡明這個複雜的問題。
加彭的這些遠古反應爐是地球曾經出現過的唯一天然反應爐嗎？20億年前，自持裂變所需的條件並不十分罕見，有朝一日，我們或許能夠發現其他的天然反應爐。我想，一絲泄露天機的氙氣，將給這項搜尋工作帶來極大的幫助。