アフリカの20億年前の原子炉の謎

アフリカのガボン共和国のオクロ鉱山から出荷されたウラン鉱石には、核分裂性同位体ウラン235が、自然界に通常含まれる0.72％ではなく、わずか0.71％しか含まれていなかった。この食い違いは小さいながらも警鐘を鳴らすには十分であり、ガボンの誰かがU-235を違法な目的に転用している可能性を示唆しており、その目的の一つは核兵器の製造である可能性がある。その結果、フランス原子力委員会（CEA）の調査チームが直ちにガボンに派遣され、調査が行われた。

しかし、数週間にわたる慎重な分析にもかかわらず、捜査官はウラン盗難の証拠を発見できなかった。代わりに、ウラン鉱石自体が枯渇しており、特定のサンプルではU-235の濃度が0.44%まで低下していることがわかった。

さらに奇妙なことに、この鉱石にはネオジム 143、ルテニウム 99、キセノン 131、132、134、135、136 が大量に含まれています。これらの同位体は原子炉の使用済み燃料にのみ含まれています。この証拠を見て、元フランス原子力高等弁務官のフランシス・ペラン氏は驚くべき結論に達した。約20億年前、地球上で複雑な生命がまだ進化していなかった頃、オクロ鉱床は持続的な核連鎖反応を起こしたのだ。 CEA のチームは、前例のないもの、つまり古代の天然原子炉を偶然発見しました。

1956年、日系アメリカ人の化学者ポール・クロダは、天然の原子炉の理論的存在を初めて予測した。この天然の原子炉がどのように機能するかを理解するためには、まず人工の原子炉がどのように機能するかを理解する必要があります。

核連鎖反応は、ウラン 235 の原子が中性子を吸収し、分裂または核分裂を引き起こすときに始まります。このプロセスにより、エネルギー、核分裂生成物と呼ばれる 2 つ以上の小さな原子核、および 2 つ以上の自由中性子が放出されます。これらの中性子が他のウラン原子核を核分裂させ、それによって独自の中性子を生成することができれば、自己持続的な連鎖反応を作り出すことができる可能性があります。

原子炉では、ウラン燃料棒を束ねて中性子が燃料棒の間を自由に移動できるようにすることでこれを実現します。しかし、ウランの核分裂反応で放出される中性子はエネルギーが強すぎて、他のウランの核分裂を容易に引き起こすことができないため、中性子を適切なエネルギーレベルまで下げるために、燃料棒の間に減速材と呼ばれる物質を挿入する必要があります。

チェルノブイリのような原子炉の中には減速材としてグラファイトを使用するものもありますが、他のほとんどの原子炉では冷却材としても機能する普通の水だけを使用しています。残念なことに、水は効果的な中性子吸収体でもあり、連鎖反応を妨げることがよくあります。そのため、これを補うために、核燃料をウラン235の濃度3％以上に濃縮する必要があります。重水を減速材として使用するカナダのCANDUのような特殊な原子炉だけが、天然の非濃縮ウランで稼働できる。

では、天然ウランが核燃料として使用できないのであれば、オクロの鉱床はどのようにして連鎖反応を維持したのでしょうか?

これは、地球が初めて形成された46億年前、ウラン鉱石中のU-235の割合が約30％とはるかに高かったためです。ウラン235の半減期はウラン238の半減期（7億400万年対46億年）よりも短いため、ウラン235の濃度は時間の経過とともに徐々に減少し、20億年前には約3％に達し、これは人工の核燃料と同じ濃度でした。

オクロ地域の地質も原子炉の形成に重要な役割を果たしました。オクロ鉱床は、不浸透性の花崗岩の岩盤の上にある、大きく多孔質の砂岩の塊であるフランスヴィル盆地にあります。この構造により、雨水が浸透してウラン鉱床の周囲に集まり、中性子減速材として機能して連鎖反応が始まります。

これらの反応により、約 100 キロワットの電力 (旧式の白熱電球約 1,000 個を点灯するのに十分な電力) が生成され、最終的には蒸発して雨水を押し出し、反応を停止させるのに十分な熱が生成されます。

鉱体が冷えると、水が再び浸み出し、サイクルが再び始まります。このプロセスには、U-235 が枯渇して反応を維持できなくなるまで約 10 万年かかります。最終的に、世界全体のウラン235の濃度は3％を下回り、このような原子炉が再び形成されることは不可能になりました。

さらに奇妙なのは、この現象がガボンでのみ発生することです。 17 か所の既知の天然原子炉施設はすべてオクロとバンゴンベにあります。さらに不可解なのは、U-235の濃度が3%の場合よりも30%の場合の方が核分裂が起こる可能性が高くなるため、なぜこれらの原子炉がもっと早く形成されなかったのかということです。

結局のところ、その答えは、複雑な生命が今日地球上で繁栄している理由でもあるのです。それは酸素です。

24億年前、地球は大規模な酸素化現象を経験し、新たに進化したシアノバクテリアが大気中に大量の酸素を放出し始めました。通常、ウランは水に溶けず、地殻全体に均一に分布していますが、酸素濃度の上昇により可溶性のウラン酸化物が形成され、雨や地下水によって溶解し、連鎖反応を維持できるほど密度の高い鉱体に濃縮されます。

しかし、オクロ原子炉の希少性と科学的価値にもかかわらず、その地域で進行中のウラン採掘により、16基すべてが破壊された。 1997年、フランスの科学者フランソワ・ゴーティエ・ラファイエはネイチャー誌に手紙を書き、ガボン政府にバゴンベに残る最後の原子炉を研究のために保存するよう求めた。 「この堆積物は、月や火星から採取された最も貴重なサンプルに劣らずユニークであり、置き換えるのが間違いなくより困難だ」と彼は主張した。

今日、この場所は、原子力産業が現在直面している最大の問題の一つである核廃棄物処理に対する答えが見つかるかもしれないという点で、特に重要である。オクロ原子炉から排出されるストロンチウム、セシウム、キセノン、テクネチウムなどの核分裂生成物は、使用済み核燃料に含まれるものと同一である。理論上、オクロ地域の地質（雨水や地下水が自由に浸透する多孔質の砂岩で構成されている）は、核廃棄物を処分するには最悪の場所となるだろう。このような状況下では、高放射性同位元素が環境中に放出されることになります。しかし、驚くべき分析により、20億年以上にわたってこれらの廃棄物は鉱床からわず​​か2メートルしか移動していないことが判明しました。

フィンランドで建設中のオンカロ深層貯蔵施設などの現代の使用済み燃料処分施設では、使用済み燃料は鉛入りの銅製容器に密封され、イオンを吸収するベントナイト粘土で包まれ、不浸透性の花崗岩のブロックの中に深さ500メートルに埋められます。もしオクロの天然原子炉と同様であれば、これらの対策は少なくとも10万年間は危険な核分裂生成物を封じ込めるのに十分以上であり、その後、それらは最終的に無害な状態に崩壊することになる。

したがって、遠い過去からの発見は、遠い将来における人類の安全を保証する可能性がある。