17亿年前天然核反应堆的奥秘

大约17亿年前，在如今加蓬东南部的Franceville盆地，一条浸透地下水的铀矿脉自行开始分裂原子。没有人为干预。没有浓缩厂。只有恰到好处的岩石、恰到好处的水和恰到好处的同位素比例，循环运行约三十分钟，将自己煮沸至干，冷却两个半小时，然后再次启动——一个三小时的心跳，重复了数十万年。

该地点被称为Oklo。它于1972年被发现，至今仍是地球上唯一得到确认的天然核反应堆。

这一发现始于一家法国燃料浓缩厂出现的数据偏差。来自加蓬的铀矿石抵达时，其所含的铀-235略低于天然矿石应有的含量。地球上几乎任何地方的天然铀中铀-235含量均为0.72%。而Oklo的样本却出现了贫化。

这听起来像是一个舍入误差。但事实并非如此。0.72%这个数字是由物理学而非地质学决定的，并且不会因大陆不同而漂移。Oklo的某种东西消耗了缺失的铀-235。

是裂变消耗了它。正如Ethan Siegel在《福布斯》杂志中所阐述的，调查人员最终在Oklo的三个矿体中发现了十七个独立的反应堆区域，每个区域都带有持续链式反应的化学指纹——贫化的铀-235，以及被锁定在周围矿物中的氙、钕和钌的子体同位素，其比例只有裂变才能产生。

如今，一座反应堆需要将铀浓缩到大约3%的铀-235，才能以普通水作为慢化剂维持链式反应。0.72%的天然铀无法做到这一点。这就是浓缩厂存在的原因。

但铀-235的衰变速度大约是铀-238的六倍。将时钟倒拨，这个比例就会上升。在17亿年前——略多于两个铀-235的半衰期——天然铀中铀-235的含量约为3.7%。这已经是反应堆级别的浓度，直接从地下开采出来即可。

这一事实正是打开大门的钥匙。在那个地质时间窗口内，地球上任何地方的任何铀矿脉，只要在合适的深度遇到合适的地下水，都有可能达到临界状态。Oklo是我们发现的那一个。

仅有裂变燃料还不够。反应还需要水渗透通过矿石，并且需要铀富集在足够致密的矿脉中，使得一个原子释放的中子在飞入周围岩石之前能够找到另一个原子。

这两个条件都需要氧气。铀溶解在含氧的地下水中，并在化学性质改变的地方沉淀析出，这正是形成富矿脉的首要方式。而地球大气层直到大约24亿年前的大氧化事件之后才开始携带可观的氧气，当时蓝藻开始向海洋中大量释放光合作用的废物。

因此，Oklo坐落在一个狭窄的地球化学窗口内。足够古老，使得铀-235仍然丰度很高。又足够年轻，使得氧气能够浓缩矿石。错过这个窗口的任何一侧，反应堆都无法点亮。

脉冲式运行是最奇特的部分。我们建造的反应堆被设计为稳定运行。Oklo做不到。它没有控制棒，没有操作员，没有冷却剂回路——只有地下水身兼慢化剂和冷却剂的双重职责。

当地下水淹没一个富含铀的区域时，铀-235自发衰变产生的中子减速到足以撞击其他铀-235原子核并将其分裂。每次分裂都会释放出更多中子。链式反应达到临界。温度攀升。大约半小时内，水被煮沸蒸发。

没有了慢化剂，中子飞得太快，无法维持反应。裂变停止。岩石冷却。在随后大约两个半小时里，地下水重新渗入——整个循环再次开始。

通过测量反应堆区域附近磷酸铝矿物中捕获的氙同位素，科学家推断出了这种运行三十分钟、停歇一百五十分钟的节律。氙是一种裂变产物；不同的同位素具有不同的半衰期和衰变行为。矿物基质中锁定的模式只有在反应堆以大约三小时的脉冲周期，一遍又一遍地运行了数十万年的情况下才说得通。

没有脊椎动物。没有带壳动物。陆地上根本没有任何生物。当Oklo在脉冲运行时，地球的生物圈几乎完全是微生物。海洋中有细菌和古菌，并且——取决于你相信哪些化石和生物标志物——可能还有最早具有真正细胞核的单细胞生物。

真核生命出现的时间是一个活跃的辩论话题。一些生物标志物研究将复杂细胞的出现时间定在早至16亿至17亿年前，大致与Oklo同时代，而《Quanta Magazine》对古代页岩中化石分子的报道等其他研究则表明，复杂生命的深层历史仍在被改写。SciTechDaily总结的关于5.67亿年前动物化石的最新发现不断推移着相关日期。没有争议的是，可见的多细胞动物——埃迪卡拉生物群——直到大约5.7亿年前才出现，那是在Oklo沉寂之后超过十亿年，这是ScienceDaily关于地球早期海洋的报道所探讨的一个篇章。

无论Oklo附近的任何特定微生物是否拥有细胞核，关键在于：这个反应堆运行在一个没有植物、动物、森林或任何现代意义上土壤的世界里。天空可能是朦胧的。大陆是光秃秃的岩石。

在Oklo区域间歇性活跃的数十万年里，这些反应堆消耗了大约5.4吨铀-235，并产生了质量相当的裂变产物。每个区域的峰值热功率并不高——估计约为100千瓦，低于一台中型柴油发电机。这不是切尔诺贝利。它更像是一处缓慢的地下篝火，由地下水位照料着。

使该地点具有无可估量的科学价值的是其废物的后续变化。Oklo裂变产生的钚、碘、铯和锶已经历了17亿年的时间在周围岩石中迁移。它们中的大多数几乎没有移动。有些仅从其产生地点迁移了几米远。