捷克共和国的杜科瓦尼核电站。(图片来源: zhangyang13576997233/Shutterstock) 美国目前有99座核反应堆在运行。它们产生的电力不含二氧化碳排放，但作为副产品，它们也会产生少量以乏铀形式存在的核废料。即使核燃料中的铀已经用尽，它仍然具有放射性，这意味着储存它非常困难。关于内华达州尤卡山深处永久储存设施的争议，导致大多数反应堆废料仍储存在核电站现场的水池或容器中。因此，理解乏铀目前和未来在储存中的情况，对研究人员来说是一个紧迫的问题。科学家们想确切地了解放射性物质在更长时间内是如何变化的。这很难，因为我们基本上是在一边产生数据一边学习——人类制造和试图储存核废料没有先例。为了获得关于乏核燃料在长时间内如何变化的长期数据，研究人员正在转向地球上一个独特的地方——已知最古老、也是唯一一个天然核反应堆。
大自然的反应堆
在加蓬非洲国家的法国维尔盆地下方，奥克洛核反应堆是大自然一系列事件的产物。大约二十亿年前，地质过程将足够的铀聚集在一起，引发了核裂变——放射性元素分裂出粒子并释放能量的过程。附近的地下水充当了慢化剂，减缓了中子的速度，使它们更有可能撞击原子核并引发裂变反应。反应堆呈间歇性运行——半小时开启，两小时半关闭——因为周围的水在数万年里加热和冷却。最后，它耗尽了其易裂变的U-235供应，然后关闭了。然而，该地区仍然具有轻微的放射性，核裂变的产物散布在整个区域。
奥克洛核反应堆地质图。1. 核反应堆区 2. 砂岩 3. 矿石层 4. 花岗岩 (图片来源: MesserWoland/Wikimedia Commons) 天然反应堆如今几乎不可能存在了。这是因为U-235，铀的一种不太稳定的同位素，能够导致可持续的裂变反应，但现在它的浓度已经不足以引发裂变了。它的大部分已经衰变。如今，U-235约占地球上所有铀的0.72%，而在那时，它约为3%。但自反应堆关闭以来，核裂变的产物一直留在地下，这为研究人员提供了一个机会，让他们了解核废料在长时间内会发生什么。“我们拥有的一个非常不可思议的核废料储存天然类似物，”美国海军研究实验室的研究物理学家Evan Groopman说。“因为这些样本有二十亿年了，它们已经完全衰变了，不再像目前人为反应堆产生的核废料那样热。所以它们是一个非常好的试验台，可以测试这些不同的元素和裂变产物在长时间内实际的行为。”此外，在这二十亿年里，这些元素一直留在地下，地质上发生了许多变化，扰乱和改变了该地区。确切地了解它们是如何变化的，也将为我们的核废料储存计划提供信息。“随着时间的推移，发生了许多不同的地质过程，”Groopman说。“包括地下水的侵入，这可能导致物质迁移和丢失，以及局部火山侵入，这会加热周围区域并导致不同元素的丢失。这很有意义，因为地震和火山也有可能袭击我们的核废料储存设施，而我们想知道如果发生这种情况会怎样。”
核侦查
Groopman领导的一个团队将奥克洛反应堆最活跃的地点之一的几个岩芯样品，通过他们的NAUTILUS (海军超痕量同位素实验室通用质谱仪) 质谱仪进行了分析，以确定其化学成分。当放射性材料衰变时，它们会经历一系列元素，有时是不同元素的同位素。一些同位素比其他同位素对人类更危险，了解哪些同位素在什么条件下出现，将为未来的核废料储存计划提供信息。在这项研究中，科学家们试图了解铯（一种常见的、危险的铀裂变产物）发生了什么。切尔诺贝利和福岛核事故后，环境中发现了铯-134和铯-137，它们都具有高度放射性。然而，在观察岩芯时，他们发现，在反应堆停止裂变大约五年后，大部分铯被另一种元素钌捕获，并在接下来的二十亿年里一直被捕获。这比我们今天的反应堆产生的铯要好得多，它不容易与化学物质结合，最终会留在储存容器中，一旦发生破裂，就会随时释放到环境中（这种情况以前发生过）。铯也经常以盐的形式存在于环境中，这意味着它可以溶解在水中并很容易被输送。然而，由于他们的新数据，研究人员可能已经找到了安全储存这种危险铯的方法。不幸的是，钌本身不是一个好的选择——它是地球上最稀有的元素之一，但它和其他更常见的元素在同一族。例如，铁在某些方面与钌在化学性质上相似，并且可以提供捕获放射性铯的途径，Groopman说。未来，他希望检查钌捕获放射性铯的分子结构，以便更好地了解这两种元素是如何结合在一起的。这将帮助他们了解像铁这样的其他物质是否可能被改造成能够吸附乏核燃料中的放射性元素。今天的放射性燃料棒还在不断堆积，其长期安全储存的解决方案仍遥遥无期。如果我们想继续使用核能，确切地了解我们的废料在近期和远期的未来会发生什么至关重要。(此帖子已更新，以澄清核反应堆产生的副产品是乏铀，而不是贫化铀。)
