2011年3月30日 星期三

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.

2 則留言:

  1. 不多見的精彩科學文章。 用懸疑故事帶出鈾的進化史,順便講出水在反應堆的催化作用,一絕!

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  2. 水與反應堆的互動,其實是很多核電站的「內置」安全網,防止連鎖反應失控。人在不知覺間「抄襲」了自然。

    上文沒有明言天然反應堆與人工反應堆這個共通點,但看過上週文章的讀者應該記得吧。

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