提起核反应,大家第一反应可能是这样:
(日本长崎原子弹爆炸时的蘑菇云)
(美国比基尼环礁氢弹核试验)
诚然,“核”字在我们的认知里常常与大规模杀伤性武器相关联,再加上并不老实的朝鲜邻居时不时地搞一些核爆实验,的确让我们有些谈核色变。
但是人类在和平利用核能的路上已经走得很远很远。
首先,我们先了解一些略枯燥的定义,所谓核反应指的是某种微观粒子与原子核相互作用(碰撞)时,使核的结构发生变化,形成新核,放出一个或几个粒子的过程,主要包括核裂变反应与核聚变反应等。
而核反应堆(nuclear reactor)则是一种启动、控制并维持核裂变或核聚变链式反应的装置。
相对于核武爆炸瞬间所发生的失控链式反应,在反应堆之中,核变的速率可以得到精确的控制,其能量能够以较慢的速度向外释放,供人们利用。
(人类历史上第一个核反应堆——芝加哥一号堆)
(瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)内的小型研究型核反应堆CROCUS的堆芯)
(核反应堆控制室)
核反应堆有许多用途,当前最重要的用途是产生热能,用以代替其他燃料加热水,产生蒸汽发电或驱动航空母舰等设施运转。
(美国第三代核动力航空母舰——福特号)
(维珍尼亚级核动力潜艇)
(中国秦山核电站)
一些反应堆被用来生产医疗和工业用途的同位素,或武器级钚。
一些反应堆仅用于研究。
当前全部商业核反应堆都是基于核裂变的。
对核反应堆的合理开发利用,在人类社会发展史上,具有里程碑式的意义。
“
那么在地球上,是不是只有人类开发过核反应堆呢?
”
接下来笔者将带大家了解地球上的一处“史前”核反应堆!
概念的提出
1953年美国曾有人研究沥青铀矿时做出过一个粗略的预测,认为20亿年前,当核裂变元素铀235的丰度是3%时,沉积的铀矿便接近于能运行的反应堆。
1956年日裔美籍科学家黒田和夫则进一步预言,如果核反应所需的浓度、可能发生的过去时间以及铀235与铀238的比率都满足的话,自发的核反应可能在自然界发生。
但是他并不认为地球上能够找到同时满足这些特殊条件的地方。
(黒田和夫)
史前天然核反应堆的发现
直到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)在进行分析时无意中发现,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,在地球上所有的铀矿中,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%,尽管这一丰度变化很微弱,但还是引起了相关专家的足够重视, 这其中一定发生过某种怪事。
(含有大量铀-235的铀金属)
进一步的分析显示,从该矿采来的一部分矿石中,铀235严重缺斤短两:大约有200千克不翼而飞——足够制造6枚原子弹!
(奥克洛天然核反应堆)
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。
(奥克洛核反应堆附近露头)
通过调查,地质学家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。
为了做进一步的地质化学调查,奥克洛铀矿的开采在1972年暂停了一段时间。
最后在奥克洛发现了14座已经停止了核反应的古反应堆遗址,另外还在奥克洛南边的班贡贝发现了一座。
奥克洛是目前世界上唯一已知的曾经自然发生自持的核连锁反应的地方,共有16处。
(硅铅铀矿)
(粒磷铅铀矿)
天然核反应堆的机理——间歇式核反应
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,正好能够启动核连锁反应。
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。
(奥克洛天然核反应堆)
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。
这些独特的地质条件,为天然核反应堆的形成提供了理想的条件。
(奥克洛天然核反应堆地质结构1. 核反应区域 2. 砂石 3. 铀矿层 4. 花岗岩)
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。
同时,铀235自发裂变时产生快中子,而铀235要进行链式反应,需要吸收热中子。
要将快中子的速度降低下来,就需要中子减速剂。
液态水正好充当了这个角色。
当自持性链式反应开始时,反应堆温度升高,水被汽化,热中子的数量下降使核反应速度下降。
于是反应堆温度降低,水蒸气又凝结为液态水,热中子的数量上升,再次引发自持性链式反应。
就这样,水作为核反应的缓冲剂,以稳定的自我调节方式,使核连锁反应断断续续的间歇进行了近100万年。
在奥克洛矿层范围内的6个地址共有约1吨铀235被裂变。
“ 奥克洛天然核反应堆的形成与运转,并不是地外高级文明的杰作,而是我们脚下的地球漫长演化史中的惊鸿一瞥,也许未来在地球上我们还能发现更多的天然核反应堆,而地球科学的魅力之一,也正在于可以慢慢揭开地球隐藏在漫长地质历史时期的一些秘密!”
(部分图片引用自维基百科)
(加拿大布鲁斯核电站——全球输出功率最高的在运营核电站)
而在当下的社会中,核能源绝对是最热门的存在,研究核能源也成为了各国的目标。
毕竟一个核反应堆所产生的能量是无比巨大的,如若哪个国家能最快熟练掌握好核能源技术,也势必将会成为能源强国。
而非洲上一处20亿年前的核反应堆却引起了科学界的讨论,甚至这个反应堆很可能不是由我们建造的,这究竟是怎么回事呢? 非洲史前核反应堆 想要成功只制成一个核反应堆,所要依附的技术标准是极其高的。
现代社会中第一个也是在1942年才出现的,是由世界最强国美国所研发的。
对于世界各国来说,想要制造出一个核反应堆是极其不易的,所以大部分的核能源技术也都集中在发达国家之中。
而在一向被人们认为是“第三世界”的非洲大陆上,居然有一个核反应堆被发现了,并且这个核反应堆的历史有20亿年之久,这究竟是怎么回事? 这个神奇的核反应堆名为“奥克洛核反应堆”,位于非洲中部的加蓬共和国。
起初,并没有人注意到过这个神奇的反应堆。
直到在1972年的一次法国进口活动中,法国发现从非洲来的铀矿石似乎有点“不大对劲”。
其中最重要的一点就是铀矿石的含量不大正确,这批铀矿石的浓度在0.77%,而正常的浓度应该在0.72%。
唯一能够让铀矿石发生这种变化的,便只可能是有人利用这些铀矿石做了核反应实验。
但是法国转念一想,落后的非洲国家怎么可能会掌握这项高科技技术呢?如若非洲真的在进行这项技术,那么至少也会周边国家被察觉到的。
后来经过不断的研究,最终一名名为弗兰西斯·佩兰的法国物理学家所发现了来自非洲的奥克洛核反应堆。
实际上,在奥克洛矿区存在着16个异常的区域,这些区域或多或少也都发生了些核反应活动。
而后来经过科学家研究,发现奥克洛核反应堆实际上是一个天然反应堆,大约在20亿年前就存在了。
这是一个极为古老的自然反应堆,根据数据计算,奥克洛核反应堆平均的输出功率大约能够达到100千瓦输出3000万福特。
而奥克洛核反应堆的存在,也再次打破了人们对于史前自然的想法,甚至有人开始怀疑,是不是在史前的地球上,还存在着另外一个更为强大的文明? 史前文明传言 随着奥克洛核反应堆被发现,世界上有不少人都在开始分析起奥克洛核反应堆究竟是如何出现的,其中被传得最火热的传言便是奥克洛核反应堆实际上是由史前文明所打造的。
此传言一出,便引起了无数人的恐惧。
毕竟对于我们来说,我们一直都自诩人类是地球上唯一的统治者,人类文明更是这个星球上最为强大的文明。
我们不相信也从未想象过在20亿年前的地球上还存在着另外的文明,毕竟如果在20亿年前便存在着另一个能够掌握核能源技术的文明,那么经过如此多年时间的磨练,这个史前文明也一定发展到了一个令我们不可想象的高度。
或许在地球的某个角落,还存在着更高智慧的文明在监视者我们,同时也控制着人类文明的发展。
一时间,由奥克洛核反应堆所引发出来的史前文明传言被闹得沸沸扬扬,甚至有些人还决定到非洲去一探究竟。
但传言终究是传言,从科学角度上来看,史前文明是绝对不存在的,那么奥克洛核反应堆的真相究竟是怎么样的呢? 大自然的力量 经过科学家的研究,最终判定奥克洛核反应堆实际上就是一个在大自然中自然形成的反应堆,并不是由什么史前文明生物创造的。
曾经有两位来自加州大学的科学家也曾提出过“天然反应堆”存在的构想。
这两位科学家认为,大自然中是有一定可能性存在着天然链式反应的,只不过想要达成这种反应,所需要的条件是无比苛刻的。
一般想要在大自然中自然形成核反应堆,就必须需要充沛的铀矿石资源,这样一来,这些铀矿石便有可能在长期自然作用下产生快中子,随后再经过时间的不断锤炼,这块区域便有可能会形成自然的核反应堆。
只不过这个过程所需要的时间是极其漫长的,所以地球上能够形成自然核反应堆的区域也并不多。
但阴差阳错之间,奥洛克矿区便达成了以上的种种苛刻条件。
从一定程度上来说,奥克洛核反应堆是一种比人为反应堆更为优秀的存在,在20亿年的时间内,它持续稳定地发挥自己的能量,这是极其可贵的。
或许人类也能从奥克洛核反应堆学习到一些核反应堆知识,来助推人类文明的发展。
结语 大自然总是超乎我们想象的,大自然不仅创造了生命,同时也创造了不可思议的核反应堆。
在大自然面前,人类始终都是渺小的,我们的能力也还不足以和大自然抗衡。
或许奥克洛核反应堆的发现对人类而言是一次提点,我们应该从自然中学更多的知识。
并且,依据之一就是数亿年前的前寒武纪时代,曾给地球留下过核反应堆。
那么,这些核反应堆从何而来? 1、充满想象的史前时代 地球迄今为止,已经有几十亿年的历史,而人类产生文明,迄今为止也不过数千年。
相信稍微有点数学常识的人都会知道:数千年和几十亿年,是压根不成比例的。
甚至,人类文明这数千年,和地球历史的几十亿年相比,几乎可以忽略不计。
因此,很多人对以往地球的几十亿年充满想象。
并且,很多人相信,在以往的几十亿年岁月里,地球存在史前文明。
不过,一般认为,史前文明可能分为两种: 一种,是地球以往存在过一次甚至多次不亚于人类文明的高科技文明,甚至这些文明一度掌握了暗物质、反重力技术。
只不过,因为各种原因,导致了这些文明陷入消亡(比如核大战); 另一种,是外星人抵达过地球,并在地球留下了上一个文明的痕迹:比如有说法认为金字塔就是外星人留下来的作品。
总之,过去的几十亿年的地球历史,让人充满想象。
2、前寒武纪时代的核反应堆 在寒武纪时代之前,地球的形态和现在是截然不同的:比如那时候地球的海洋、陆地,都和现在截然不同。
甚至生物方面,也很少存在宏体生物。
寒武纪时代,地球出现了著名的“寒武纪生命大爆发”,地球迎来了新的时代。
因此前寒武纪时代,莫说智能生物,就是宏体动物,在地球上都很罕见。
但是,人类却偏偏在地球上发现了前寒武纪时代的核反应堆! 上世纪70年代,法国物理学者在非洲的加蓬境内,无意发现了一处核反应堆。
要知道,加蓬位于西非,是很不发达的国家。
并且不论是加蓬的军事还是科技、工程水平,都不足以进行核建设。
因此加蓬境内出现核反应堆,无疑是很神奇的。
而更神奇的是,这个核反应堆,是17亿年前的产物——那时候地球上的生物,主体上都是单细胞生命。
一群单细胞生命能造出核反应堆?这无疑是很不现实的。
因此,在那个年代,关于史前文明的宣传,一时间疯传。
3、真相 当然,史前文明是无稽之谈。
因此,很多科学家开始探究加蓬核反应堆形成之谜。
最终,在科学家的努力探究之下,加蓬核反应堆真相得以大白于天下。
原来,在17亿年前,有地下水流入到了当地的铀矿之中。
我们知道,水中含有氧原子,具备氧化性。
因此,这些水中的氧原子,和铀矿中的235U发生反应,最终,产生了特有的氧化物。
这个过程中,其实就是核反应的过程,会释放大量热量。
这种热量会导致大量的水沸腾掉,随着参与反应的水沸腾光,这个自然形成的反应堆会暂停反应。
不过,地下水再度流入到铀矿,还会再度产生这样的反应。
如此周而复始,这个天然核反应堆,运作了上亿年,知道失去核反应的必要条件,这才永久性停止核反应。
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