地球的第一个核反应堆是17亿年老且被自然制造的

资深撰稿人 Ethan Siegel

Oct 4, 2018, 10:00am

从一声爆炸开始

    宇宙就在那里, 等待着你去发现它。

如这里说明的经由人类在奥克劳区域建造的主要煤矿的一个分支一座自然的反应堆是可触及到的,.UNITED STATES DEPARTMENT OF ENERGY

    如果你在寻找外星人的信息, 寻找来自他们的活动横跨宇宙的一个万无一失的签名, 你会有几个选择。你可以寻找一个智能的无线电广播, 就像人类在二十世纪开始发射的那种。你可以寻找修改行星范围的例子, 比如当你以足够高的分辨率观看地球时显示的人类文明。你可以在夜间寻找人工照明, 就像从空间可见的我们的城市、城镇和渔业显示。

    或者, 你可能会寻找一个技术成就, 比如在核反应堆中产生像反中微子这样的粒子。毕竟, 这是我们第一次在地球上检测到了中微子 (或反中微子)。但如果我们采取那个最后的选择, 我们可能会愚弄我们自己。早在人类存在之前地球自然的创造了一个核反应堆。

显示来自进展的发射的在水中比光更快的特征切伦科夫辐射的1956年反应堆核实验RA-6 (阿根廷共和国6)。由泡利在1930年第一次假设的中微子 (或更准确的反中微子)被从一个类似的核反应堆中检测到。CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO

    今天为了创造一个核反应堆, 我们需要的第一个成分是反应堆级燃料。例如, 铀有两种不同的天然同位素: U-238 (有146个中子) 和 U-235 (有143个中子)。改变中子数不改变你的元素类型, 但确实改变你的元素是多么稳定的。对U-235 和 U-238, 它们都通过一个放射性链反应衰变, 但平均U-238寿命大约是六倍长。

    到你到了今天, U-235 只占所有自然发生的铀的0.72%, 这意味着为获得一个持续的裂变反应它必须被增富到至少3% 的水平或需要的一个特殊设置 (涉及重水调解器)。但17亿年前对U-235已经超过两个全半寿命。回到那时在古地球中U-235是大约所有铀的3.7%: 足以引起一个反应。

既导致一个核裂变炸弹又在一个核反应堆内也产生力量的铀-235链反应是由它的第一步中子吸收提供动力的, 造成三个额外的自由中子的生产。E. SIEGEL, FASTFISSION / WIKIMEDIA COMMONS

    在不同层的砂岩之间, 在你到达构成地壳大部分的花岗岩基岩之前, 你往往发现富含某种元素的矿床的矿脉。有时这些是非常有利可图的, 就像当我们发现地下的金矿一样。但有时, 我们在那里发现另外的更罕见的物质如铀。在现代反应堆中, 浓缩铀产生中子,而在水的存在中, 水的存在作用就像一个中子调解器一样, 其中的一部分中子将撞击另一个 U-235 核, 造成一个裂变反应。

    随原子核分裂, 它会产生更轻的女儿核, 释放能量并也产生三个额外的中子。如果条件正确, 这个反应将触发额外的裂变事件, 导致一个自我维持的反应堆。

显示这个核反应堆的位置的奥克劳和奥凯罗邦多铀矿地质剖面。最后的反应堆 (#17) 位于奥克劳东南30公里的邦高姆别。这个核反应堆被发现在FA砂岩层中。.MOSSMAN ET AL., 2008; REVIEWS IN ENGINEERING GEOLOGY, VOL. 19: 1-13

    17亿年前, 聚集在一起的两个因素来创造一个天然核反应堆。第一个是在花岗岩的基岩层之上地下水是自由流动的, 在水流入富铀的地区之前它只是一个地质学和时间的问题。用水分子包围你的铀原子, 这是一个坚实的开始。

    但为了让你的反应堆以一种自我维持的方式运转良好,你需要一个额外的成分: 你要这种铀原子被溶解在水中。为了使铀溶于水, 必须存在氧气。幸运的是, 在地球记录历史上第一次大规模灭绝伟大的氧合事件之后气生的、用氧的细菌进化了。随地下水中有氧, 一旦水淹了矿脉溶解铀将会是可能的 ,并且可能甚至已经创造出特别富铀的物质。

来自奥克劳选择的一些原始样品。这些物质被捐给维也纳自然历史博物馆。.LUDOVIC FERRIÈRE/NATURAL HISTORY MUSEUM

    当你有一个铀裂变反应时, 许多重要的签名最终被产生。

1. 作为反应产品元素氙的五种同位素被生产。

2. 剩余的 U-235/U-238 比应被减少, 因为只有 U-235 是可裂变的。

3. 当U-235分离时, 产生大量的具有一个特定重量的钕-143。通常, 钕-143 对其它同位素的比率约为11-12%，看到一个指示铀裂变的增强。

4. 同样的对有一个重量为 99 (Ru-99)的钌的交易。在约12.7%丰度自然发生, 裂变能把这个增加到约27-30%。

在 1972年, 法国物理学家弗朗西斯·佩林在西非加蓬的奥克劳矿发现了包含了所有四个签名的总共散布在三个矿床中的17个场所。

这是西非加蓬奥克劳天然核反应堆的所在地。在地球深处尚未探索的地区, 我们可能还会发现其它的天然核反应堆的例子, 更不用说在其他世界上可以被发现的。.US DEPARTMENT OF ENERGY

    奥克劳裂变反应堆是地球上唯一已知的天然核反应堆的例子, 但它们发生的机制导致我们来相信这些可能发生在许多地方, 并且可能也发生在宇宙的其它地方。当地下水漫过一个富铀矿床时, U-235 分裂的裂变反应能发生。

    地下水作为一个中子调解器的作用允许 (平均) 超过 1/ 3 的中子与一个 U-235 核碰撞, 继续这个连锁反应。

    因为反应只进行了很短的时间,调解中子的地下水蒸发掉, 一起停止这个反应。然而, 随着时间的推移, 没有裂变发生, 这个反应堆自然冷却下来, 允许地下水回来。

在奥克劳这个天然核反应堆周围的地形表明在一层基岩之上地下水的插入可能对富铀矿石能够自发裂变是一个必要的成分。CURTIN UNIVERSITY / AUSTRALIA

    通过检查在矿物形成层中围绕铀矿床变得被困住的氙同位素的浓度，人类就像一个杰出的侦探一样已经能够来计算这个反应堆的具体时间线。大约30分钟后, 这个反应堆就会进入临界, 裂变进行直到水沸腾掉。在接下来的约150分钟内, 将会有一个冷却周期, 之后水将再次淹没矿物矿石而裂变将重新启动。

    几十万年来这三个小时周期将重复它自己, 直到不断减少的U-235量达到了一个足够低的水平, 低于3% 的量, 一个连锁反应不能再持续。在那一点上, U-235 和 U-238 所能做的就是放射性衰变。

宇宙中有许多由恒星和其它过程产生的天然中微子签名。有一段时间, 人们认为会有一个唯一的和明确的来自反应堆反中微子的信号。然而, 现在我们知道这些中微子也能被自然产生。ICECUBE COLLABORATION / NSF / UNIVERSITY OF WISCONSIN

    今天观看奥克劳遗址, 我们发现范围从0.44% 到 0.60%的自然的U-235 丰度都远远低于0.72%的正常值。以某种形式或另一种的核裂变是这种差异的唯一自然发生的解释。结合氙、钕和钌证据, 结论认为这是一个根本不可避免的地质上创造的核反应堆。

岩石收藏馆长卢多维克菲列勒在维也纳自然历史博物馆手持一块奥克劳反应堆。一个奥克劳反应堆的样品将在2019年开始在维也纳博物馆永久展出。.L. GIL/IAEA

    足有趣的是, 我们能从观察这里发生的核反应来得出一些科学结论。我们能通过观察各种氙沉积来确定开/关周期上的时间尺度。在过去的17亿年中迁移的铀脉的大小和量 (连同其它受反应堆影响的物质)能给我们一个有用的、自然的怎样储存和处置核废料的模拟。在奥克劳遗址发现的同位素比值允许我们来测试各种核反应的速率并确定是否它们 (或驱动它们的基本常数)随着时间的推移已经改变。基于这一证据, 我们能确定核反应的速率, 因此确定它们的常数的值它们今天与与17亿年前相同的。

    最后, 我们能用各种元素的比值来确定地球的年龄是多少以及当它被创造时它的成分是什么。铅同位素和铀同位素水平教我们在一个今天是45亿岁的地球上5.4 吨的裂变产物被产生在200万年的时间跨度中。

超新星残骸不仅将爆炸中产生的重元素驱逐回宇宙, 而且这些元素的存在从地球上能被探测到。超新星中的U-235 与 U-238 的比值约为 1.6: 1, 这表明地球创造的原始铀大体上出生于古代而不是最近的。.NASA / CHANDRA X-RAY OBSERVATORY

    当超新星爆炸以及中子星合并时产生 U-235 和 U-238。从检查超新星, 我们知道我们实际上以约60/40 的比例创造比 U-238更多的 U-235。如果地球上的铀都是由一颗超新星创造的, 那颗超新星会发生在地球形成前的60亿年。

    在任何一个世界上, 只要有一个近地表的丰富铀矿脉产生有大于3/97的U-235对 U-238, 被水介导,对一个自发的和自然的核反应发生这是非常合理的。在地球上一个偶然的地点, 在超过十多个事例中, 我们有一个核历史的压倒的证据。在自然能量的游戏中,从来不要再把核裂变从名单上剥掉。

    我是一位博士、物理学家、作者和科学传播者,在不同的大学里专业物理学和天文学。自2008年以来, 我为我的从一声爆炸开始博客赢得了无数的科学写作奖， 包括由博士生导师颁发的最佳科学博客奖.....

    天体物理学家和作者爱善西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术和超越银河在任何售书的地方都可以买到。

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/10/04/earths-first-nuclear-reactor-is-1-7-billion-years-old-and-was-made-naturally/#1a7ea2df5d94