二十亿年前的核反应堆  

 

 

小炉匠

 

 

在人类文明出现之前的远古时代，真的出现过象核反应堆这样的高科技产物吗？是的。不仅出现过，在地球上还出现过不止一处。但这类远古的核反应堆并不能帮助宗教人士或研究飞碟的民间科学家说明史前就有高度文明和科技，因为这是自然现象，现代科学完全能够解释。倒底是咋么一回事，还要听炉匠慢慢道来。

 

 

先说说核裂变反应是怎么回事。我们知道原子核是由两种主要的基本粒子，质子和中子这组成。象铀235，就含有92和质子143个中子。这些质子和中子紧紧地结合在一起，形成一个稳定的集体，就是铀235的原子核。原子核中质子和中子之比要有一定之规，才能稳定。否则就会发生核反应，重新组成稳定的集体。比如从外界有一个自由中子闯入铀235的原子核，多了一个中子稳定性就破坏了，其结果是含有236个核子的原子核分裂成两个差不多大小新原子核，这就是我们常听说的核裂变。核裂变的同时会放出很大的能量，这能量就是核反应堆的能量来源。一个中子闯进铀原子核造成裂变，裂变的同时还会再产生两个新的自由中子。如这两个中子再闯入别的铀核，造成两次新的裂变，就会产生四个自由中子，如此一变二、二变四的反应，又称链式反应，如果条件合适，链式反应会在很短的时间内（一秒的千万分之一）持续二十几代，足以把一大块铀中的原子全部分裂掉并放出相当于几十万吨烈性炸药的巨大能量。这就是原子弹爆炸的原理。而在原子反应堆中，裂变的链式反应被控制在极其精巧的水平，使其细水长流，就能源源不断地产生能量。

 

 

因此，外界有足够多的自由中子，能不断闯进铀原子核，是核裂变反应持续的关键。铀原子平时也能自发地分裂，但可能性很小。在一大块铀中有几十亿亿亿个原子，整体来看总能不断地产生自由中子并使裂变反应持续。商业核反应堆就是把一大堆铀制成的燃料棒插在一起，这样自发分裂产生的中子就能维持不断的裂变反应。

 

 

 

这里还要交待一下，天然铀矿99.28%是铀238，只有0.7%是铀235。铀235更容易产生核裂变，也是作原子弹的材料。铀矿中235/238的比例是从地球形成时到现在亿万年中的自发衰变率定下来的。所以在世界各地的铀矿基本都保持这个0.7：99.28的比例。

 

 

1983年法国的一个核技术员在检验一块从非洲加蓬出产的铀矿石时，发现那块铀矿石中的铀235含量比一般矿石减少了许多，算起来那批矿石中竟少了几百公斤铀235，足以制造一百颗威力强大的核弹。他为此结果大吃一惊，连忙层层上报，可进一步的调查结果却发现这批矿石不可能被预先提取过，而是在地壳中采来铀235含量就低。

 

 

这是为什么呢？唯一可能的解释就是这批铀矿石在出土之前已经在核反应堆中被“烧”过，使有铀235的比例下降。

 

 

可这怎么可能呢？商用的核堆中燃料都要经过多次提纯，使铀235的含量提高，否则过多的铀238就会大量的吸收中子，使链式反应中断。天然铀矿中的铀238远远高于能让裂变核反应可以持续的含量。加篷铀矿的这一发现使某些宗教人士大为兴奋，认为那史前核反应是经上帝之手。民间飞碟专家也认为找到了外星人来访的证据。

 

 

说起来答案十分简单，原来在远古时代铀原子刚形成的时候，铀235是很多的，而铀238相对较少，因此在二十亿年前形成的铀矿石中，自发出现链式反应的可能是有的。

 

 

可是，那铀矿中一旦出现链式反应，怎么不象原子弹一样轰的一声炸得粉碎呢？研究证明，加蓬的史前反应堆至少运行过几千万年。是谁在这漫长的年月里精确地控制着核反应的速度？要了解个中原委，还要听炉匠再讲一个原子炉的秘密。原来刚从铀核裂变出来的中子，跑得飞快，转眼就飞得很远，只有很少的机会核周围的另一个铀核相撞引发另一次裂变。这时如果在周围放一些较轻的原子核，如碳，氢和氧核，使那快中子与轻原子核相互作用变得较慢，就能大大提高与另一个铀原子核相撞的机会。这样同样多的铀燃料，减速剂多些，慢中子就多些，核裂变的速率就高，反之减速剂少些，慢中子少，核反应速率就低。今天的核堆就是用这种原理，用插入减速剂来维持制平稳的裂变速度。但是，核堆的控制非常复杂，搞不好就会出现切尔诺贝利或三里岛那样的核事故。那加蓬天然核反应器是怎样在无人的情况下建造和运行的呢？

 

 

 

原来这也很简单。这铀矿本来处于接近但又不能产生链式反应的亚临界状态，当雨季到来地下水渗入矿脉，水中的氢和氧原子核就能使中子减速，产生的慢中子多了，就出现了链式反应。链式反应的能量把水变成了高压蒸汽并把地下水逐出矿脉，水位低了慢中子就少，反应就减慢。反应慢了矿体就逐渐冷却，水位又上升，使链式反应重新加快。在这巧中之巧的巧合之下，加蓬铀矿石中的天然反应堆就日复一日地稳定地运行。旱季来临，反应堆就完全停下来，直到下一次雨季。这核反应历经了千万年之久才使这一大块矿脉中地铀235含量减少。

 

 

我们能否从这自然的巧妙设计中学到点什么呢？能不能仿造它建不用人管也极为安全地核堆，永远避免切尔诺贝利那样地事故呢？实际上人们已经发明了这种设计，就是目前绝大多数地商业核堆使用的“轻水堆”。这种堆在密封仓内把燃料棒堆到亚临界状态。只有当水进入堆中时，慢中子多起来核反应才能开始。如反应过强产生的蒸汽会自动降低慢中子比例而使反应速度慢下来。这样反应堆不会因失水产生过热而失控。

 

 

只有有了能让公众放心的核安全，才能充分地利用核能，减少化石燃料的污染和温室效应。

 

 

（初稿写于北京机场，2006年12月4日）