歷史
1953年美國曾有人研究瀝青鈾礦時做出過一個粗略的預測，認為20億年前，當鈾235的豐度是3%時，沉積的鈾礦更接近於能運行的反應堆。1956年黒田和夫則進一步預言，如果核反應所需的濃度、可能發生的過去時間以及鈾235與鈾238的比率都滿足的話，自發的核反應可能在自然界發生[1]。但是他並不認為地球上能夠找到同時滿足這些特殊條件的地方。
1972年6月2日，在法國皮埃爾拉特核燃料再處理廠工作的布茲蓋博士（Dr.Bouzigue）用常規的質譜分析法對六氟化鈾樣本的分析發現，來自奧克洛河附近鈾礦中鈾235與鈾238兩種同位素的比例失常，正常情況下，鈾235的自然豐度是0.7202±0.0006%，而奧洛克的鈾235自然豐度是0.7171±0.0007%，少了約0.003%。為了防止可以用作核武器的鈾235被偷竊，法國原子能委員會進行了調查，但是所有的環節都沒有發現問題，而且自從1970年開始開採奧克洛鈾礦以來，所有來自這裡的鈾礦樣本都顯示鈾235略少了一點。
進一步調查發現，奧克洛鈾礦的礦層中含有30多種核連鎖反應的副產物。副產物之一的釹，其同位素釹142不是裂變產生的，從而可以確定奧克洛鈾礦中自然釹在核反應開始之前的豐度，進而確定核反應的效果和時間。最後認為由於奧克洛特殊的地質條件導致了從20億年前開始的天然核反應。
為了做進一步的地質化學調查，奧克洛鈾礦的開採在1972年暫停了一段時間。最後在奧克洛發現了14座已經停止了核反應的古反應堆遺址，另外還在奧克洛南邊的班貢貝發現了一座。
在非洲和美國科羅拉多的其他遺址也發現了鈾235不足的現象，但是都還沒有確認它們是天然核反應引起的。
天然核反應堆的機理
奧克洛鈾礦的地質結構示意圖： 1. 核反應區域 2. 砂石 3. 鈾礦層 4. 花崗岩在大約20億年前，地球上的鈾235相對豐度在3%左右，在特殊的條件下，正好能夠啟動核連鎖反應。奧克洛鈾礦源於地球形成時沉積在地殼中的鈾。經過不斷的劇烈地質活動，富鈾礦層在花崗岩頂部的砂石層內偶然沉積。又經過數百萬年，鈾礦層頂部近1千米厚的砂石層被沖刷掉。花崗岩呈45°傾斜，這使得斜坡底部雨水和鈾氧化物堆積。20億年前恰好藍綠藻開始生長，它們通過光合作用增加了水中的氧含量，並使一些鈾變成了可溶的氧化物。
當可溶解鈾的濃度達到10%後，核反應便能夠啟動，這個臨界狀態開始於18.4±0.7億年。為了不讓能夠保持反應的中子逃逸，礦層至少需要0.5米厚。當核反應速度太快時，導致溫度上升（大多數研究者認為反應堆的溫度應當在200-400℃之間），水被汽化，中子與水分子碰撞減速使反應變慢，這又導致溫度降低，水蒸氣凝結為液體，減少了對中子的吸收，於是核反應又開始加快。就這樣，水作為核反應的緩衝劑，以穩定的自我調節方式，使核連鎖反應斷斷續續的間歇進行了近100萬年。核反應最終停止之前，連鎖反應的持續時間變化不定，從幾年到幾千年，反應堆的運作壽命跨度是22.9±7萬年。在奧克洛礦層範圍內的6個地址共有約1噸鈾235被裂變掉。
與精細結構常數的關係
奧克洛天然核反應堆已被用來檢驗過去20億年來精細結構常數α是否發生改變的可能性。因為α能夠影響到各種核反應的速度。例如釤149俘獲一個中子生成釤150和一個光子的反應，α對中子的俘獲率會產生影響。從奧克洛鈾礦樣本中取得兩種釤同位素的比值就可以計算20億年前的α值。大部分對此的研究認為現在的α值與20億年以前相比沒有變化，或者說只允許沒有變化。
但是另一方面，數據樣本的質量和反應堆溫度的不確定性使得還不能完全排除α值發生變化的可能性[4]。此外，考慮到範圍廣泛的各種理論中，假設電磁力和強作用力的常數按照某種方式變化（例如帶有額外維度空間的卡盧察-克萊因理論（kaluza-Klein），它預言α和強作用力與隨時間變化的額外維度空間的平均直徑的-2次方成比例），α值發生變化的可能性也不能排除。
科幻中的天然核反應堆
在地球上發現的天然核反應堆使人幻想其他星球說不定也可能存在同樣的現象。天文學家弗萊德·霍伊爾在其科幻小說《哈雷彗星》(CometHalley)中，就講述了彗星上的生命如何依靠彗核內的天然核反應發展的故事。
