现代核反应要先将铀浓缩，那17亿年前的加蓬核反应堆是如何运行的？

1972年5月，在法国的一个铀浓缩工厂里，科学家们检查了来自西非加蓬的铀矿石，发现这些铀矿石中铀的同位素比例发生了变化，于是就发现了一个天然的核反应堆，这个核反应堆在大约17亿年前开始反应，断断续续地进行了几十万年，平均产生了大约100千瓦的能量。为了了解天然核反应堆是如何产生的，首先要说一下核反应的历史和科学。

核电站是如何利用核能发电

根据国际原子能委员会（原子能机构）的报告，目前在30多个国家有400多座核电站；尽管在2011年福岛第一核电站发生了灾难性的安全事故，但目前仍有近70座新核电站在建中。那么，我们为什么要继续建造这些有潜在危险的核设施呢？尽管发生了切尔诺贝利和福岛等灾难，但总的来说，核反应发电实际上比煤炭或天然气发电更安全、更“环保”。

核电站发电的核能是同位素铀235 (U-235)受到中子轰击时产生的。碰撞通常会将同位素分裂成两部分，每一部分都包含原原子中一半的中子和质子，这个过程称为核裂变。在反应过程中，会有少量的质量损失，这一小部分会通过质能方程转化成能量。

在一个典型的核反应堆中，大量的U-235被集中起来，然后用中子轰击；在U-235和中子的每一次碰撞中，都会产生两个以上的自由中子，同时释放出能量。只要有足够的铀-235，那些多余的中子就会引起额外的连锁反应，称为链式反应！核反应的过程呈指数增长，会产生更多的能量。核电站就是利用受控的连锁反应产生稳定的能量，将其转化为电能。

铀- 235怎么来

铀是最重的元素之一，原子量为238.03。在地壳中存在铀的三种同位素；U-238占了所有铀的99.3%，U-235占了剩下的0.7%，而U-234只占了极小的一部分。U-238只会发生轻度的裂变反应，不能产生良好的裂变物质。然而，U-235在分裂和产生大量能量方面表现的更为突出。

当铀矿石从地下开采出来时，铀矿石中这三种同位素按相对比例组成。为了达到可裂变的目的，矿石中的铀235含量必须从百分之0.7增加到百分之5左右。这个过程被称为铀浓缩。在典型的铀浓缩方案中，铀首先被转化为气体六氟化铀（UF-6），气体会按其重量分开（U-234和U-235比U-238轻）。在浓缩的过程中重铀就会被分离出来，而剩余的U-235浓度则用来进行核裂变。

加蓬的核反应堆

我们知道U-235的半衰期比U-238短得多，这说明在很久以前，U-235的含量应该比现在丰富得多，浓度也应该比现在高。1956年，科学家保罗·k·黑田东彦（Paul K. Kuroda）提出，在适当的条件下，大约20亿年前u -235含量丰富的矿石可以支持核裂变和链式反应，从而形成天然的核反应堆。

关于加蓬反应堆是如何工作的，有两种理论，但它们都假设了一个连锁反应、停止、冷却、再启动的循环，持续数千年，直到可裂变物质耗尽后彻底停止。

一种理论认为，铀被地下水覆盖，地下水减缓了中子的速度，并提供了一个支持链式反应的环境。产生的能量最终把地下水加热到沸腾，然后水蒸发掉。随着地下水的消失，反应也就停止了。最终，水又渗回到铀矿溶洞里，这个反应过程又重复了一遍，直到U-238浓度太低，不足以支持进一步的反应。

第二种理论没有被普遍地接受，它认为燃烧的反应堆释放了某些稀土元素，比如钐、钆和镝，它们吸收了部分中子，停止了链式反应，一段时间后，反应又再次进行，中子又被吸收，反应减缓停止，直到U-238的浓度不再支撑核反应。

奥克洛核反应堆的证据

那么我们怎么知道西非加蓬奥克洛曾经发生过核反应呢？有以下几个原因。

首先，在1972年法国的初步调查中，发现该地点的U-235浓度远远低于通常在自然界中观察到的浓度；事实上，来自奥克洛样品的浓度与在废核燃料中发现的浓度相似。

奥克洛反应堆给我们的启示

我们的裂变反应堆通常会产生大量有毒废物，如何处理核废料一直是我们头疼的问题，但是从奥克洛反应堆中，我们发现大自然母亲可以安全地处理这些核废料。据华盛顿大学的研究人员称，该天然反应堆将有毒废物（Xe和kr85）安全地困在了化合物磷酸铝中，并且达到了一种临界状态！这为我们往后处理核废料提供了一种思路。