核反應堆，一種旨在從核裂變中産生能量的人造機器，自 1942 年以來就已經存在。然而，有些人可能會驚訝地發現，盡管人造核反應堆是在近 80 年前建立的，但在此之前就存在天然核反應堆。事實上，天然核反應堆在全球各個地區的人造反應堆之前就已經存在了數十億年。尤其是中非加蓬這個國家，曾經擁有16座天然核反應堆。加蓬核反應堆能夠産生大約 100 千瓦的能量，足以同時點亮大約 1000 個燈泡。
許多人想知道加蓬核反應堆是如何形成的，以及未來天然核反應堆在地球其他地方形成的可能性有多大。科學家和研究人員能夠将有關這些反應堆的一些資訊拼湊起來，讓我們更好地了解它們的功能。通過看看這些天然核反應堆是如何形成的，我們可以分析未來形成更多核反應堆的潛力，甚至可以從大自然母親身上學到一兩個關于能源生産的教訓。
岩石收藏館館長 Ludovic Ferrière 在維也納自然曆史博物館擁有 Oklo 反應堆
原始的全天然能源
加蓬是加蓬共和國的簡稱，位于中非西海岸。它擁有近 220 萬人口，起源于 1800 年代的法國領土。是以，加蓬的主要語言是法語。加蓬于 1960 年與其他幾個以前曾是法蘭西共同體一部分的非洲國家一起從法國獲得獨立。
地質學上，加蓬的有趣之處在于它主要由近 20 億年前的古元古代火成岩和變質岩構成。這個古老的地殼含有寶貴的自然資源，包括鎂、鐵、鈾、黃金和石油。在整個景觀中，探險家和研究人員都可以找到古老的地層，例如 1.75 億年前盤古大陸分離期間形成的充滿碳氫化合物的裂谷盆地。加蓬天然核反應堆是近 50 年前偶然發現的另一個古老結構。
1970 年代，礦工們在加蓬東南部地區的奧克洛（Oklo）發現了這 16 座核反應堆，當時他們正在尋找為法國核電站提供動力的鈾。鈾是用于通過核裂變産生能量的主要元素。在人造核電站中，鈾被制成顆粒，用作核反應堆中的燃料。然後将這些鈾芯塊放入捆綁在一起形成燃料元件的棒中。燃料元件裝在反應堆容器内，反應堆容器浸入水中作為冷卻劑。
樣品被捐贈給了維也納的自然曆史博物館
在核裂變中，最初的鈾原子被分裂，釋放出一個中子。然後這個中子撞擊其他鈾原子，這反過來也分裂了它們。随着更多的神經元分裂出更多的鈾原子，這些化學反應會産生熱量，然後将熱量用于将水變成蒸汽。然後，這些蒸汽用于旋轉蒸汽輪機，以生産環保的可再生能源。反應堆容器中浸沒的水起到冷卻元素和減慢中子的作用，以使反應不會發生得太快。
鈾受到核電站的高度追捧，因為與其他元素相比，它能夠輕松分裂成更小的原子。當法國礦工在奧克洛發現天然鈾時，緻電該地區。研究人員注意到，235 U的濃度較低。他們還發現了铯、镅、锔和钚的證據，這些元素通常被視為核反應堆中鈾衰變産生的廢物。這是第一個表明核裂變可以在地球内自然發生的發現。
Oklo的天然核裂變反應堆：（1）核反應堆區。(2)砂岩。(3)鈾礦層。(4)花崗岩
天然核電站的基本要素
随着研究人員開始深入研究加蓬核反應堆中發生的核裂變，他們開始懷疑核裂變是如何如此随意地發生的。在人造核反應堆中，需要水等冷卻劑通過降低中子運動的速度來減緩化學反應。減少中子運動會減少鈾原子的分裂，進而産生更易于控制的熱量和蒸汽。如果沒有像水這樣的冷卻劑，核裂變會發生得如此之快，以至于反應堆容器會變得足夠熱以熔化、燃燒甚至爆炸。
不受控制的核裂變的一個典型例子是切爾諾貝利災難，該災難熔化了反應堆的核心并引發了數次爆炸，導緻該地區數人傷亡和嚴重的放射性污染。由于放射性暴露，後來又發生了幾起死亡事件，導緻受影響的人患上各種癌症和疾病。
簡單的核裂變圖
在分析加蓬核反應堆時，科學家們首先意識到，要發生自然核裂變，必須在某一時刻存在明顯更高的235 U 濃度才能啟動連鎖反應。鑒于鈾的極高半衰期（7 億年），這種濃度在發現鈾礦石之前近20億年前就已經存在。在如此高的濃度下，原子會自然碰撞和分裂，進而導緻進一步的反應。研究人員認為，這種高濃度的鈾很可能是由古代火成岩的風化和高細菌活動共同造成的。
由于235 U 的濃度如此之高，是以需要某種類型的冷卻劑來控制反應并防止它們在礦井内引起爆炸。據信，奧克洛以前有大量的水，這些水在 20 億年前可以作為礦山的天然冷卻劑。這将防止随着時間的推移在礦井内發生任何無法控制的反應。
對一些科學家來說，加蓬核反應堆最吸引人的地方并不是它們曾經産生過核能。最有趣的事實是，測試并未顯示該地區存在高放射性的證據。曾經有毒的铯和钚現在已經衰變成對人類無害的鋇。該地區的野生動物也沒有受到放射性照射的迹象，這自然會出現在 16 個天然核反應堆周圍。關于加蓬核反應堆的這一發現表明，随着時間的推移，大自然已經找到了一種自然地消除該地區顯着放射性的方法，科學家們正在迅速嘗試從中吸取教訓。
奧克洛天然核反應堆周圍的地形表明，位于一層基岩之上的地下水可能是能夠自發裂變的富鈾礦石的必要成分
一系列不幸的核事件
研究人員認為，加蓬核反應堆在近 20 億年前形成後，已經運作了超過 100 萬年。反應堆本來可以在水下正常運作，直到水最終由于核反應産生的高熱而蒸發。這與人造反應堆中發生的反應相同，隻是水被循環利用而不是完全蒸發掉。
大約一百萬年後，先前高濃度的235 U 将顯着耗盡。在這一點上，反應堆很可能停止積極生産能量。雖然天然反應堆已經關閉，但由于周圍粘土和碳質物質的保護，它們奇迹般地儲存了數百萬年。這些物質保護反應堆免受高氧源的影響，這些高氧源會腐蝕或溶解過去幾百萬年的所有核反應痕迹。
關于加蓬天然核反應堆的未來，法國礦工繼續提取剩餘的鈾用于人造核反應堆。如今，這些礦山的大部分可用鈾已經耗盡，這消除了反應堆在未來某一天産生更多能量的任何機會。科學家們現在稱這些地區為“化石”天然核裂變反應堆，因為它們不再起作用，但仍包含證明其先前産生能量的能力的證據。
Francois Gautier-Lafaye 教授 于 1997 年在 Oklo 鈾礦（加蓬）向一群瑞士記者展示 10 号天然核反應堆的接觸區
自然能源能否卷土重來？
盡管加蓬核反應堆現在已經開采了所有可用的鈾，但礦工們已采取措施進行礦山複墾。礦山複墾是通過将礦區恢複到原始狀态來最大限度地減少采礦對環境影響的人類行為。開墾可能涉及減少侵蝕、穩定斜坡以及修複對當地野生動物的任何影響。随着時間的推移，人們相信礦山複墾可能會導緻地球補充自己的資源，盡管礦山複墾的一些影響在我們的有生之年不會看到。許多雷區變成了野生動物栖息地或農田。
對于奧克洛的化石天然核反應堆，礦山複墾仍在進行中。鑒于該地區作為天然核反應堆場址的曆史，該地區的計劃尚不完全清楚，但科學家們正在該地區積極開展工作，以實施可能的最佳計劃。這些複墾計劃讓一些人質疑這些礦山是否有朝一日會再次開始發電。鑒于目前礦山中的鈾濃度非常低，在不久的将來發生任何連鎖反應的可能性很小。由于鈾是地球上的有限資源，無法制造，是以礦山中的鈾濃度也不可能随着時間的推移而增加。
盡管加蓬核反應堆的未來看起來很黯淡，但科學家們承認，地球上其他地方肯定存在其他天然核反應堆。雖然目前還沒有發現，但礦工和研究人員未來在各個地區的探索可能會導緻發現另一個天然核反應堆。由于海洋中的鈾濃度很高（據估計約為“四十億噸”），一些科學家推測在海底的洋殼中可能存在一些天然核反應堆。
海水将充當天然冷卻劑，以防止不受控制的鈾分裂，類似于 20 億年前的加蓬反應堆。鑒于大約 80% 海洋仍未繪制地圖和探索，自然核反應堆肯定有可能潛伏在深海的某個地方。
随着可再生能源的進一步研究和實施，鈾将繼續被開采用于人造核反應堆。核科學家仍在分析核能的長期影響，例如需要處理核廢料而不用放射性污染地球。通過使用從加蓬核反應堆收集的資訊，科學家們或許能夠在未來開發出一種有效且安全的方法來處理這種廢物。運氣好的話，加蓬核反應堆總有一天會成為如何以環境安全的方式産生核能的一個可實作的例子。