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问题

地球在什么样的自然条件下才会引发核爆？

回答
地球在自然条件下无法引发核爆。核爆是人为的、由人类活动引发的特定科学技术产物，需要极高的能量密度和特定的核反应条件，这些条件在自然界中是无法自行达成的。

为了详细解释为什么地球不会自然引发核爆，我们需要深入理解核爆的原理以及地球自然环境的限制：

1. 核爆的原理是什么？

核爆，无论是原子弹（裂变弹）还是氢弹（聚变弹），其核心都是利用核反应释放出巨大的能量。

裂变弹（原子弹）： 基于重核裂变。当一个重原子核（如铀235或钚239）吸收一个中子后，会变得不稳定并分裂成两个较轻的原子核，同时释放出巨大的能量、伽马射线以及23个新的中子。如果这些新中子能够继续引发其他重核原子的裂变，就会形成链式反应。要实现链式反应并产生爆炸效应，需要满足几个关键条件：
裂变材料： 需要高纯度的、能够维持链式反应的易裂变物质，例如浓缩铀（富含铀235）或钚239。
临界质量： 需要一定数量的裂变材料，当达到或超过这个质量时，每次裂变产生的释放的中子比吸收的中子多，才能维持持续的链式反应。小于临界质量的材料，中子会逃逸太多而无法持续链式反应。
快速压缩： 要瞬间形成超临界质量，通常需要通过常规炸药的爆炸将亚临界质量的裂变材料压缩到超临界状态，然后开始链式反应。这个过程必须非常快，在链式反应达到爆炸所需的能量输出之前，材料不会因为自身热量而散开。
中子源： 需要有初始的中子来引发链式反应，尽管裂变材料本身会少量释放中子，但有时会加入更强的中子源。

聚变弹（氢弹）： 基于轻核聚变。在极高的温度和压力下，轻原子核（如氘和氚的同位素）会融合形成更重的原子核，同时释放出比裂变更大的能量。核聚变反应本身需要极高的“点火”条件，通常是通过一个裂变弹（作为引爆装置）产生的极端高温和高压来触发的。
聚变材料： 需要氘、氚等氢的同位素。
极高的温度和压力： 聚变反应的发生需要数千万甚至上亿摄氏度的温度和极高的密度，这些条件在地球的自然环境中几乎不存在。

2. 地球的自然环境为何无法满足这些条件？

我们来看看地球上的自然过程与核爆所需条件的对比：

缺乏高纯度裂变或聚变材料：
地球上天然存在的铀主要是铀238，铀235的含量非常低（约0.72%）。铀235是制造裂变武器的关键，需要经过浓缩才能达到武器级纯度。自然界的铀矿石即使是最高浓度的，也远未达到维持链式反应所需的浓度。
天然的氘在水中存在，但其浓度极低，而且聚变需要的是氘化锂等化合物。氚在自然界中非常稀少，主要是放射性同位素，半衰期很短，几乎不存在天然积累。
这些材料的自然富集和纯化到武器级所需的程度，是人类通过复杂工艺才能实现的。

临界质量的限制：
即使地球上存在大量铀或钚，如果没有人为将其聚集到一起，并且以特定的几何形状存在，它们也无法达到临界质量。例如，分散在地壳中的铀矿石，其质量和分布方式都不可能触发链式反应。
即使发生某种极端的地质事件（例如一次巨大的撞击），理论上可能将某些放射性物质聚集在一起，但要达到刚好构成临界质量并且以允许链式反应发生的方式聚集，其概率微乎其微，而且即便达到，也需要其他条件配合。

触发链式反应/聚变所需的瞬间极端条件：
裂变链式反应： 需要瞬间将材料压缩到超临界状态。地球上没有已知的自然过程能如此快速、如此精确地压缩某种物质以达到此目的。地震、火山爆发等释放能量，但其能量释放方式和时间尺度与核爆的瞬时链式反应完全不同。
聚变反应： 需要上亿摄氏度的高温。地球上最高温度的自然现象是闪电（约3万摄氏度）和地球内部的地核（约50006000摄氏度），这些温度与聚变所需的上亿摄氏度相比，差距过于悬殊。只有在恒星内部（如太阳的核心）才能达到这样的温度和压力，这是通过万有引力引起的巨大压力实现的。地球本身没有恒星的质量和密度，也无法模拟这种条件。

能量释放机制的不同：
地球上的自然灾害（如火山爆发、地震、陨石撞击）释放的能量虽然巨大，但其能量来源和释放机制与核爆截然不同。它们是化学反应、地质构造运动、动能转化等过程。
例如，火山爆发是将地球内部的岩浆、气体通过化学和物理过程释放出来，其能量密度远低于核反应。陨石撞击是将动能瞬间转化为热能和冲击波，其能量来源是天体运动的质量和速度。

总结来说，地球作为一颗行星，其内部和表面自然存在的物质、能量和物理条件，与核爆所需的：

特定的易裂变或易聚变物质，且达到极高的纯度和质量。
瞬间达到超临界质量的压缩。
瞬间产生上亿摄氏度的高温和极高密度。

这三个关键要素，在自然界中是无法独立或组合发生的。

是否存在“天然核反应堆”的误解？

有些人可能会想到“奥克洛天然核反应堆”（Oklo natural nuclear reactor）。这是一个发生在约20亿年前的非洲加蓬地区的地质现象，确实在特定条件下发生了天然的链式反应。但这与引发大规模核爆完全不同，而且其发生的条件也极其特殊且已停止：

高浓度铀矿石： 在奥克洛地区，存在着一个相对富集的铀矿床，铀235的浓度比普通矿石高，达到了约0.72%，虽然仍远低于武器级，但在特定条件下足够了。
天然的减速剂（水）： 地球历史上曾有过地下水的存在，水能够减速裂变产生的快中子，使其变为慢中子，更有效地引发铀235的裂变，形成链式反应。
特定的几何形状和水分含量： 矿床的分布和地下水的渗透，形成了一个自然的反应堆核心，维持了短暂的链式反应。
“自动停止”机制： 当链式反应开始释放大量热能时，水会蒸发变成蒸汽。蒸汽的减速能力远低于液态水，链式反应的速度会减慢甚至停止。当温度下降、水重新凝结后，链式反应又会重新开始。这种“振荡”导致了链式反应的自我调节和停止，而不是失控爆炸。
链式反应的强度有限： 奥克洛的天然核反应堆释放的能量虽然是持续的，但强度和速率都远低于人为设计的核反应堆，更不用说核爆了。它更像是数百万年间持续进行的低功率链式反应，而非瞬间释放巨量能量的爆炸。

因此，“奥克洛天然核反应堆”虽然证明了在地球早期特殊地质条件下，可以发生天然的链式反应，但这与大规模、破坏性的核爆有着本质的区别，它不是由人类活动引发的，也未曾达到核爆的破坏水平。

总而言之，核爆是人类智慧（或野心）的产物，是特定科学技术和工程应用的体现，地球本身在自然演化过程中，并不具备引发这种极端现象的条件。

网友意见

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聚变反应在地球上估计是不可能的，毕竟点火的条件太苛刻。

天然的裂变核反应确实可以存在，非洲就发现过。各大地摊文学、谣言公众号还特别喜欢拿这件事来当作“史前文明存在的证据”。

其实真相很简单：核燃料时时刻刻都在衰变，时间越往前回溯，自然界中核燃料的丰度越高，甚至超过链式反应自持的临界值，从而自发的维持核反应。

最典型的核反应，就是中子和U235(铀的一种同位素)的链式反应：

中子和U235反应可以放出2-3个中子，新增的中子可能会碰到另一个U235，使得反应持续下去。

不过，天然铀矿中，U235的含量只占0.72%，99%以上都是不参与链式反应的核废料（U238)。这一点直接导致中子碰到U235的概率很低，新增的中子可能碰不到U235就通过其他方式消耗掉了，这样链式核反应就断掉了。

也就是说，目前的U235的含量太低，不支持天然核反应。

不过，U235的衰变速率比U238快很多。可以推测，在远古时代，U235的占比可能会远高于0.72%，甚至达到发生链式反应所需的浓度。

换句话说，天然核反应堆在远古时期是可能存在的。

这个理论最早在1956年提出。到了1972，法国物理学家在非洲加蓬的奥克洛铀矿里，发现了远古天然核反应痕迹，验证了这一理论。

加蓬的核反应大约开始于18.4亿年前，当时U235的浓度可能超过10%。矿中的水充当了一个负反馈调节器的角色。当反应太快时，温度升高，水被汽化，使得慢速中子的数量下降，从而降低反应速度。于是反应堆温度降低，水蒸气又凝结为液态水，慢速中子的数量上升，再次提高反应速度。

奥克洛矿层的核反应断断续续的间歇进行了近100万年，共有约1吨铀235被裂变掉。因此，这个矿内的U235含量明显低于正常值，所以才会在后来被科学家注意到。

欢迎关注：

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如果你问的是“能否”在地球上自然发生核爆，我的回答是能。

如果你问的是“能否再次”在地球上自然发生核爆，我的回答是概率很低。



要产生核爆，至少需要将放射性同位素(核燃料)富集到10%左右，而其实放射性同位素的富集方法是比较单纯的物理过程，扩散法或者离心法，总之原理都是利用原子核大小不同而引起的运动速率不同。


几个概念：

1、一般来说，半衰期越短，引发核爆的极限尺寸/质量越小，越容易发生核爆，比如铀235(半衰期7亿年)的临界质量是15kg，而钚239(半衰期2.4万年)的临界质量只有5kg；

2、地球自诞生以来已经46亿年了，半衰期不够长的元素都衰变成痕量了；

3、一些元素(比如碳，氮，氧)可以经由宇宙(太阳)辐射(α粒子)自发生成放射性同位素，使其放射性同位素的丰度长久不变。

4、有理由认为半衰期以亿年为单位的放射性元素在地球诞生之初在地球上都有大量存在，而半衰期万年及以下的元素在地球诞生之初其在地壳中的丰度就是痕量，聚集达到临界质量的可能性可认为不存在，未来也不可能自发实现，即使是超新星陨石也不太可能携带这些同位素。


要自然产生核爆大概需要以下条件：

1、元素在地球上的丰度要足够大；

2、元素的化学性质要使其比较容易富集/结晶在一起；

3、要有“通道”分离该元素的放射性同位素。


虽然，宇宙中重于氦的元素只占2%，但地球十分幸运地几乎保有所有序号100以内的元素。

目前地球上各元素的丰度如下：

有理由相信，如果所有锕系元素不发生衰变，则现在的丰度应该与镧系元素接近，地球诞生之初，应该也有“大量”锕系元素。

列举几种比较有趣的放射性同位素：

钍(tǔ，232Th90，半衰期140亿年)，钚(bù，244Pu94，半衰期0.8亿年)，铀(yóu，235U92，半衰期7亿年)，钾(40K19，半衰期12.5亿年)

其中，235U占总U的0.71%，而40K占总K的0.015%，地球诞生之初大概有20%的U是放射性同位素235U，钚也可能以放射性同位素的形式大量存在，40K可能占总K的0.2%，而钍的放射性同位素丰度可能没有什么变化。

U的氧化物(比如U3O8)化学性质稳定，不溶于水，但溶于硝酸和硫酸，有理由认为可以自然的富集结晶。如果早期地球235U的丰度有20%，又能够经由某些物理化学过程进行富集，有理由相信，当时地球上自发的235U核爆炸是很常见的。

钚容易氧化，也可以以离子状态溶解于水中，有理由相信能够像一些矿物一样结晶富集。地球诞生之初，若存在钚，则大概100%都是放射性的，而且临界质量低，比235U更容易发生核爆。如果我的推测是正确的，那么地球诞生之初，甚至会有多于235U核爆的钚核爆。

因为钚和铀的化学性质不太一样，混合爆炸不太容易发生，即使是在地球诞生之初。



在现在，由于放射性元素的丰度已经很低，必须存在某种分离同位素的通道，才能让自然核爆成为可能。

一个比较容易实现的方式就是扩散了，石墨或者其他天然存在的过滤结构。以类似色谱带或者色谱管的方式，对元素进行分离。

色谱带

色谱管

理论上，类似这种操作可以把235U和238U分离出来，地球上也天然存在一些类似结构。

在十分偶然，条件十分适宜的情况下，在底层地幔接近熔融的区域，可以缓慢的富集235U，即使在这种条件下，要将235U提高到10%，大概只存在理论可能。

不过也正如“飞氘”说的，缓慢的天然反应堆是存在的，并且已经发现了一个，奥克洛铀矿，预计20亿年前反应开始时其中235U的丰度为3%。

奥克洛铀矿的地质结构示意图：

1. 核反应区域

2. 砂石

3. 铀矿层

4. 花岗岩

其富集过程中据猜测有藻类和水的参与使得富铀矿中的铀转换成了可溶的氧化物，进而在水中富集，当可溶解铀浓度达到10%(总量)，核反应便启动了。期间，因为水量变化，一共断断续续进行了20多万年。

当然，应该并没有发生核爆。


Th元素全部同位素都有放射性，但是放射性还不如238U，不太可能发生核爆。但或许在特殊结构下会能够让周围的核燃料增殖，毕竟钍循环也加入了核燃料研究全家桶，不过使用Th进行增殖后也不应该能使任何元素达到核爆极限浓度。

40K也是地幔中常见的放射性元素之一，钾盐可以形成矿，KCl也可以通过某些复杂途径自然富集，40K或许也可以通过扩散富集，形成浓度比较高的40K堆，不过40K的衰变方式是β衰变，释放出电子而非中子，这使得其链式反应的难度提高到几乎不可能(当然，是在地球的温度范围内)。



在熔融的地核中，放射性元素不断加热着地球，使其核心一直处于熔融状态，使造山运动和板块漂移成为可能，基于不同定义的核爆，地球的核心可以认为是一直处于不断核爆的状态下的，但我想那应该不是题主要问的。

上图表示各种放射性同位素的衰变对地核的加热情况，1TW＝1e12W，1Ga表示十亿年前，4.5Ga表示45亿年前。

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