鈾235 去了哪裡？

加彭（Gabon），位處非洲西岸，北靠喀麥隆，南鄰剛果共和國，曾是法國殖民地，目前乃聯合國安全理事會非常任理事國之一。該國有一「特產」，某處鈾礦出產的鈾獨一無二，故事發生在差不多四十年前。

1972 年 6 月某天，法國一位化驗員正在處理一些加彭運來的鈾礦，分析後，發現其鈾235 含量只有 0.7171%，少於正常的 0.7202%，莫小窺這點差異，有經驗的行內人一看便知事有蹺蹊，地球的鈾礦非常精準，以上誤差是極不尋常的。

鈾235 是什麼？「235」標示原子的重量，鈾235 是一粒重 235 個單位的鈾原子（一單位等於一粒質子或中子），另有鈾238，即一粒重 238 個單位的鈾原子；後者比前者多三粒中子，兩者都是鈾，混合在鈾礦之內。天然的鈾礦，超過 99% 都是鈾238，0.7202% 為鈾235，其餘為其他重量的鈾原子。核能發電最渴求的是鈾235，因為它裂變容易，裂變後釋出能量和多粒中子，觸發更多鈾235 裂變，這就是連鎖核反應，是核能和核彈的基本原理。然而，鈾235 的天然含量太低，不足以產生連鎖反應，必須提高其濃度方可用作核燃料，核電站的燃料棒含 3%-5% 鈾235。

回到 1972 年法國。那位化驗員重覆測試，鈾235 含量還是異常的低。是否中途受外物污染？於是由實驗室追溯至礦源，發現問題在於鈾礦本身，拿當地更多礦石化驗，竟發現某些鈾235 含量低至 0.440%！當地煉鈾工廠由 1970 年 12 月至 1972 年 5 月輸出共 700 噸鈾，「不翼而飛」的鈾235 約 200 公斤，夠製六個核子彈！鈾235 去了哪裡？

鈾礦缺了鈾235，卻多了另外一些東西 －－ 核裂變產物（nuclear fission products）。鈾235 裂變，除釋出能量和中子外，原子核還會裂開，分成兩顆較細的原子，正如你向一塊大石開槍，它應聲爆裂，但你不能控制它怎樣裂，碎片有大有小，你向另一塊大石再開一槍，碎片又有不同；同樣道理，鈾235 裂出來的原子大小不一，屬多種不同元素，這群元素泛稱「核裂變產物」，包括碘（iodine）、銫（caesium）、釓（gadolinium）、釹（neodymium）、鈀（palladium）等，當中很多都是稀土。

科學家計算過，上述鈾礦中，少了的鈾235 和多了的核裂變產物剛好吻合，好像發生過連鎖反應一樣，十足一個荒廢已久的核反應堆。荒廢了多久？根據周邊泥土和核裂變產物的組成推算，反應堆荒廢了二十億年。二十億年即是多久？根據維基百科，二十億年前地球只有單細胞生物，誰能在二十億年前興建這座反應堆呢？外星人？還是地球有着一個未為人知的遠古文明？

踏實一點，翻閱歷年文獻，原來早於 1956 年已經有人提出天然核反應堆的可能性 －－ 一個非人造的連鎖核反應是有可能自然發生的。等一等，上面不是說過天然鈾礦的鈾235 含量太低，不足以引發連鎖反應的嗎？對，今天的鈾235 的確太少，但遠古時期可不是這樣。鈾235 和鈾238 都會衰變的（注意衰變不同裂變，後者由中子撞擊引發，轟轟烈烈地釋出能量，前者自然發生，細水長流，如老年脫髮），衰變了的鈾不再是鈾（正如衰老了的我不再是我），這裡的重點是，鈾235 衰變快過鈾238，即前者消失較快，佔鈾礦的份兒與日俱減（但減得非常慢，我們有生之年都不會察覺）；反過來想，愈往古時推，鈾礦含鈾235 便愈多，推至二十億年前約為 3%，即今天核燃料棒的含量。

這還不夠，天然核反應堆還要其他條件。連鎖反應由中子驅動，若礦石含太多「中子毒素」（neutron poison，即愛吸收中子的物質，如硼〔boron］、鋰〔lithium］），反應便無以為繼。此外，還要有些「中子減速劑」（neutron moderator），因為只有慢速中子才容易令鈾235 裂變，減速劑包括水和石墨。

撮要，天然核反應堆需要三個條件：足夠的鈾235、沒有中子毒素、有中子減速劑。上述加彭鈾礦在二十億年前符合這三項條件，成為現時所知唯一天然核反應堆遺址。據推算，它運作了七十萬年，平均輸出十萬瓦特，夠開幾十個多士爐。比一比較，福島三號反應堆運作了三十五年，功率七億多瓦特。人愛轟轟烈烈，天地細水長流。

還有一個問題，既然連鎖反應開始了，有沒有一發不可收拾，造成遠古核爆？沒有，歸功於該反應堆所「採用」的中子減速劑：滲入礦層的地下水。想像，當連鎖反應愈演愈烈，溫度愈來愈高，煮沸了地下水，使之蒸發，反應堆便失去了中子減速劑，連鎖反應慢下來，甚至停止；待溫度稍降，地下水重回液態，反應堆方能再次啟動。就是這樣開，關，開，關……連鎖反應永遠受控，核爆無從。2004 年有人根據殘餘的氙（xenon）和氪（krypton）（又是核裂變產物，兩者都是惰性氣體）推算，其運作模式是開半小時，關兩個半小時，開半小時，關兩個半小時……三小時一循環。

我在想，假使人類二十億年前出現，那豈不是遍地核燃料？核能成為最現成的能源之餘，製造核彈也會輕易得多。當每個國家都是「核大國」，世界會因武力制衡而變得安全，還是自我毀滅？或者，我們應該慶幸自己這麼遲才出現，要千辛萬苦濃縮鈾礦方能製造核彈，至少摧毀世界沒有二十億年前那麼容易。

（2011 年 3 月 30 日 信報副刊）

學術參考：
A. P. Meshik, C. M. Hohenberg, O. V. Pravdivtseva (2004), “Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon,” Physical Review Letters 93, 182302. doi:10.1103/PhysRevLett.93.182302

R. Naudet (1976), “The Oklo Nuclear Reactors: 1800 Million Years Ago,” Interdisciplinary Science Reviews 1, 72-84.

P. K. Kuroda (1956), “On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals,” Journal of Chemical Physics 25, 781-782.