非洲发现20亿年前的核反应堆，曾在史前运行了一百万年

这事要从大约50年前说起

1972年6月2日，在法国皮埃尔拉特核燃料再处理厂工作的布兹盖博士（Dr. Bouzigue）用常规的质谱分析法对六氟化铀样本的分析发现，来自奥克洛河附近铀矿中铀235与铀238两种同位素的比例失常，

正常情况下，铀235的自然丰度是0.7202±0.0006%，而奥洛克的铀235自然丰度是0.7171±0.0007%，少了约0.003%。

虽然奥克洛的铀-235丰度只是少了0.003%，但足以证明它们曾被使用过。

为了防止可以用作核武器的铀235被偷窃，法国原子能委员会进行了调查，但是所有的环节都没有发现问题，而且自从1970年开始开采奥克洛铀矿以来，所有来自这里的铀矿样本都显示铀235略少了一点。

进一步调查发现，奥克洛铀矿的矿层中含有30多种核連鎖反應的副产物。

副产物之一的钕，其同位素钕142不是裂变产生的，从而可以确定奥克洛铀矿中自然钕在核反应开始之前的丰度，进而确定核反应的效果和时间。

最后认为由于奥克洛特殊的地质条件导致了从20亿年前开始的天然核反应

在大约20亿年前，地球上的铀235相对丰度在3%左右，在特殊的条件下，正好能够启动核連鎖反應。

奥克洛铀矿源于地球形成时沉积在地壳中的铀。

经过不断的剧烈地质活动，富铀矿层在花岗岩顶部的砂石层内偶然沉积。

又经过数百万年，铀矿层顶部近1千米厚的砂石层被冲刷掉。

花岗岩呈45°倾斜，这使得斜坡底部雨水和铀氧化物堆积。

20亿年前恰好蓝绿藻开始生长，它们通过光合作用增加了水中的氧含量，并使一些铀变成了可溶的氧化物。

当可溶解铀的浓度达到10%后，核反应便能够启动，这个临界状态开始于18.4±0.7亿年。

为了不让能够保持反应的中子逃逸，矿层至少需要0.5米厚。

同時，铀235自發裂變時產生快中子，而铀235要進行鏈式反應，需要吸收熱中子。

要將快中子的速度降低下來，就需要中子減速劑。

液態水正好充當了這個角色。

當自持性鏈式反應開始時，反應堆溫度升高（大多数研究者认为反应堆的温度应当在200-400℃之间），水被汽化，熱中子的數量下降使核反應速度下降。

於是反應堆溫度降低，水蒸气又凝结为液態水，熱中子的數量上升，再次引發自持性鏈式反應。

就这样，水作为核反应的缓冲剂，以稳定的自我调节方式，使核連鎖反應断断续续的间歇进行了近100万年。

奥克洛铀矿的地质结构示意图：

1. 核反应区域

2. 砂石

3. 铀矿层

4. 花岗岩

事实上，早在这个核反应堆发现之前，就有物理学家预言了天然核反应堆的存在。

距今20亿年前，铀-235的天然丰度刚好约为3.1%。

当时，刚好赶上了蓝藻引发的大氧化事件，地球大气中的氧气含量大幅度增加。

在地质运动和氧气的共同作用下，铀在奥克洛的地下逐渐沉积，直至达到临界值。

最终，铀-235的核裂变反应自发启动，随后运行了长达100万年的时间，消耗掉了数吨的铀-235。

在此期间，该核反应堆从未发生过熔毁或者爆炸，其运行相当平稳。

这得益于该铀矿中的磷酸铝能够捕获放射性物质，而地下水可以充当中子减速剂，调节核裂变反应的速率。

这一切都是大自然的鬼斧神工。