道法自然？天然核反應(yīng)堆或啟發(fā)人類安全處理核廢料

　　大自然的鬼斧神工在地球上塑造出諸多自然奇觀的同時，也常常留下一些深奧的科學(xué)道理供人類逐個發(fā)現(xiàn)和破解。位于非洲加蓬共和國奧克羅（Oklo）鈾礦區(qū)的天然核反應(yīng)堆就是其中這樣一個例子。

　　隨著研究的不斷深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個鈾礦區(qū)至少存在過16個天然核反應(yīng)堆，它們除了向人類演示無控制棒自我調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率等與現(xiàn)代輕水反應(yīng)堆核電站截然不同的特點外，更是給人類提供了一個研究自然環(huán)境下危險核廢物遷移、滯納機理的絕佳機會。最新的發(fā)現(xiàn)或許給人類安全處理核廢物帶來諸多有益的啟示。

　　1.發(fā)現(xiàn)經(jīng)過

　　奧克羅(Oklo) 鈾礦位于非洲加蓬共和國弗朗斯維爾市附近，法國于1968年發(fā)現(xiàn)這個礦區(qū)并從中獲得其核計劃所需的鈾。

　　1972年6月，在法國皮埃拉特的一家分離濃縮U-235的氣體擴散工廠里，工作人員鮑齊奎斯在對一罐六氟化鈾進行常規(guī)分析時，發(fā)現(xiàn)其中鈾-235的含量只有0.7171%，而不是應(yīng)有的0.7202%自然含量，這罐六氟化鈾是由來自奧克羅礦區(qū)的鈾礦石加工而成。接著又測到好幾批來自該礦區(qū)的鈾原料都有這種偏低的結(jié)果，這種異常引起了科學(xué)家的關(guān)注。

　　經(jīng)過實地調(diào)查，雖然它是一個含鈾量很高的高品位鈾礦，但是鈾的同位素組分與別處迥然不同，鈾-235所占比例在整個礦區(qū)內(nèi)都有不同程度的降低，鈾-235組分的平均值約為0.62%，而已測得的鈾-235組分的最低值只有0.296%。

　　這一發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們猜測到，奧克羅鈾礦區(qū)可能發(fā)生過鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)。接下來的研究表明，鈾礦石中的釹和釤豐度與自然界中的差別很大，這正是鈾-235發(fā)生鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)的證據(jù)，由此證實了科學(xué)家們的猜想。

　　上述發(fā)現(xiàn)是在1972年9月25日通過兩條通訊途徑通報法國科學(xué)院的。當(dāng)時物理上完整的反應(yīng)地區(qū)還未確定。事實上，已開采的鈾礦暫未停工，而已開采出來的礦石轉(zhuǎn)變成鈾鹽而進入工業(yè)生產(chǎn)。

　　1975年6月, 應(yīng)加蓬政府的要求, 國際原子能機構(gòu)組織了專門的學(xué)術(shù)討論會. 現(xiàn)場勘測證實了鮑齊奎斯的發(fā)現(xiàn), 還測知了某些“ 天然反應(yīng)堆” 的遺跡及其附近礦石中存在的鈾-235裂變產(chǎn)物( 如鑭、鈰、鐠、釹、釤、釓、钚、釔、鋯、釕、銠、鈀、鎵、鈮、銀、鉬、碘、氪、氙等元素)。依據(jù)勘測資料, 專家們斷定： 距今約20億年前在奧克羅礦區(qū)曾有16座“ 天然反應(yīng)堆”斷斷續(xù)續(xù)地運行了約50～200萬年, 涉及到500～800噸天然鈾, 消耗鈾-235約6噸, 釋放了共約36 兆焦耳的能量。

　　2.運行原理

　　早在1953年，美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的喬治˙W˙韋瑟里爾(George.W. Wetherill)和芝加哥大學(xué)的馬克˙G˙英格拉姆(Mark.G.Inghram)就指出，一些鈾礦礦脈可能曾經(jīng)形成過天然的核裂變反應(yīng)堆，這個觀點很快便流行起來。其后不久，美國阿肯色大學(xué)的一位美籍日裔化學(xué)家黑田和夫(Paul.K.Kuroda)計算出了鈾礦自發(fā)產(chǎn)生“自持裂變反應(yīng)”(self-sustained fission)的條件。

　　所謂自持裂變反應(yīng)，即可以自發(fā)維持下去的核裂變反應(yīng)，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(fā)生分裂，裂變產(chǎn)生更多的中子，又會引發(fā)其他原子核繼續(xù)分裂，如此進行下去，形成連鎖反應(yīng)。

　　黑田和夫認(rèn)為，自持裂變反應(yīng)能夠發(fā)生的第一個條件是，鈾礦礦脈的大小必須超過誘發(fā)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（達(dá)到臨界質(zhì)量）。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(yīng)堆，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(yuǎn)的過去，這種更容易衰變的同位素所占的比例肯定高得多。根據(jù)推算，20億年前奧克羅鈾礦脈形成的時候，鈾-235所占的比例接近4%，與現(xiàn)在大多數(shù)核電站中使用的、人工提純的濃縮鈾燃料的濃度大致相當(dāng)。

　　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(yīng)手。最終，礦脈中不能出現(xiàn)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(yīng)戛然而止。

　　經(jīng)勘探，奧克羅鈾礦床形成于未變質(zhì)的元古界弗朗斯維爾系( 20億年前)下部的黑色砂巖中。礦化賦存于海陸交界處的河流三角洲相中，呈似層狀，厚6-10米，長約900米，寬約600米,礦石品位平均為0.4%，金屬儲量15000噸。露天開采,年產(chǎn)金屬鈾1000噸。礦石中富含有機質(zhì)及黃鐵礦在氧化-還原界面，有赤鐵礦斑點處，礦石品位高，UO2可達(dá)20-60%。天然反應(yīng)堆發(fā)現(xiàn)于礦層中粘土化發(fā)育處。在300余米距離內(nèi),已發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆16個。反應(yīng)堆的地質(zhì)特征是鈾品位特富(含鈾25～50%),周圍全部是不含石英的泥質(zhì)巖石。這些泥巖呈綠色或黑色，不見沉積構(gòu)造。反應(yīng)堆總是出現(xiàn)在含礦的砂、礫巖層變薄之處。泥質(zhì)巖石和“礦堆”的總厚度在0.2-3米之間，長度可達(dá)15-20米。

　　由此可見，20億年前的奧克羅鈾礦床完全滿足黑田和夫描述的鈾礦自發(fā)產(chǎn)生“自持裂變反應(yīng)”的所有條件。奧克羅鈾礦地質(zhì)構(gòu)造見下圖。

　　正如現(xiàn)在普遍采用的輕水反應(yīng)堆核電站用輕水做慢化劑一樣，在奧克羅鈾礦床，地下水是天然的慢化劑，使鈾-235裂變時產(chǎn)生的快中子慢化，從而使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)持續(xù)，形成了天然的反應(yīng)堆；它放出的熱量加熱了地下水，使其沸騰汽化，于是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)停止，熱量散失，地下水又流了過來，核裂變反應(yīng)又重新開始。如此反復(fù)進行，使鈾-235大量消耗，至不能維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)為止。水的不斷流入和沸騰汽化，起到了現(xiàn)代反應(yīng)堆控制棒的作用。

　　3.對人類處理核廢物的啟發(fā)

　　奧克羅核反應(yīng)堆猶如今天的間歇泉，有著天然形成的自我調(diào)節(jié)機制。它們在核廢料處置和基礎(chǔ)物理研究方面，給科學(xué)家們提供了全新的思路。

　　美國科學(xué)家喬治˙A˙考恩于1976年7月在《科學(xué)美國人》期刊上發(fā)表了一篇《天然核裂變反應(yīng)堆》的文章，文中他講解了當(dāng)時的科學(xué)家對這些遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆運行原理的猜測，指出天然裂變反應(yīng)堆能夠儲存那些一度被認(rèn)為肯定會對環(huán)境造成污染的核廢料。自從核能發(fā)電問世以來，核電站產(chǎn)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。對天然裂變反應(yīng)堆的研究表明，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(dá)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。

　　近期，華盛頓美國海軍研究實驗室的Evan Groopman和他的同事們從奧克羅的天然反應(yīng)堆中檢測了核廢料樣本，目的是弄清楚那些古老的核反應(yīng)留下的放射性元素是如何遷移的。核裂變最危險的副產(chǎn)品之一是放射性銫，如果它進入土壤或水中，就會引起嚴(yán)重的健康問題。Groopman說，銫揮發(fā)性特別強，如果儲存核廢料的容器破裂，銫會立即揮發(fā)。研究人員發(fā)現(xiàn)，銫并沒有從古老的核反應(yīng)堆中泄漏出來。相反，它被困在另一種元素——釕的分子結(jié)構(gòu)中。Groopman說，這意味著釕元素可能有助于控制核廢料。

　　核設(shè)施產(chǎn)生的危險放射性廢物令公眾“談核色變”，某種程度上也成為了阻礙核電發(fā)展的主要因素。人類目前運行的核電站，對產(chǎn)生的放射性廢氣碳-14、氪、氙等一般采用直接排放到環(huán)境中的方法；對廢液中的銫等放射性核素則設(shè)置了復(fù)雜的工藝系統(tǒng)進行阻攔；對危險放射性廢物的處理更是窮盡手段而不能自安。相比之下，天然核反應(yīng)堆以它獨特的包容方式將這些危險放射性廢物限制在一定區(qū)域內(nèi)長達(dá)二十億年不發(fā)生遷移，這確實值得我們深入研究。