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オクロの天然原子炉

（天然原子炉から転送）

オクロの天然原子炉（オクロのてんねんげんしろ）とは、ガボン共和国オートオゴウェ州オクロに存在する天然原子炉である。

オクロの天然原子炉の構造
1. 核反応ゾーン
2. 砂岩
3. ウラン鉱床
4. 花崗岩

天然原子炉とは、過去に自律的な核分裂反応が起こっていたことが同位体比からわかるウラン鉱床のことである。このような現象の実例は、フランスの物理学者のフランシス・ペラン（英語版）が1972年に発見した。天然原子炉が形成される可能性は、1956年にアーカンソー大学の助教授だった黒田和夫が予想している[1][2]。オクロで発見された条件は、予想された条件に極めて近かった。

天然原子炉の知られている唯一の場所はオクロに存在する3つの鉱床で、自律的な核分裂反応のあった場所が16か所見つかっている。20億年ほど前、数十万年にわたって平均で100 kW相当の出力の反応が起きていた[3][4]。

歴史

天然ウラン試料の定期分析で、ウラン235（235U）がわずかだが異常なほど不足していることが判明した9。通常、235Uの割合は0.7202％であるが、この試料には0.7171％しか含まれていなかった。核分裂性同位体の量は正確にカタログ化されているため、この違いを説明する必要があった。そこでCEAは、CEAがフランス、ガボン、ニジェールで操業しているすべての鉱山のサンプル、および鉱石処理とウラン精製のすべての段階のサンプルについて調査を開始した。

ウラン含有量と235U含有量の分析については、CEAの生産部門は、ピエールラット工場の分析室と、カダラッシュCEAセンターにあるCEAの中央分析・管理研究所（ミシェール・ノイイ氏が責任者、ジャン・フランソワ・ドゾル氏が質量分析担当）に依存している。

PierrelatteとCadaracheで行われた分析では、ガボン産のマグネシウムウラン酸塩の235U 欠損は変動はあるが一定であることが示された。1972年7月7日、CEAカダラッシュの研究者は、ガボンのオクロ産ウラン鉱石の異常を発見した。その235U含有量は、通常観測される量よりもはるかに低かった10。同位体分析により、235Uの枯渇の原因が特定された。枯渇ウランは、COMUFが採掘したオクロ鉱石由来であった。その後、CadaracheとPierrelatteの研究所で体系的な分析キャンペーンが実施された（ウラン含有量の測定、同位体含有量の測定）。カダラッシュの分析者は、オクロのサンプルについて、Mounana工場からのマグネサイトウラネートに235Uの欠乏（235U = 0.625%）、マグネサイトウラネート（オクロM）にさらに大きな欠乏（235U = 0.440%）を発見した：オクロ310と311鉱石のウラン含有率はそれぞれ12%と46%で、235U含有率は0.592%と0.625%である。

このような状況の中、J. F. Dozolは率先してAEI MS 702スパークソース質量分析計（SMSE）を用いて、ウラン酸マグネシウムとオクロ産鉱石のサンプルを分析した。

OKLO 311質量分析計プレート
ウラン鉱石（OKLO 311）のサンプルを火花点火型質量分析計で分析し、サンプルに含まれるすべての同位体を明らかにした写真プレート。





SMSEの利点は、電極に存在するすべての元素から大量のイオンを生成できることです。火花が発生する電極間は導電性でなければならない（これを実現するために、オクロ試料は高純度の銀と混合された）。リチウムからウランまで、サンプルに含まれるすべての同位体がフォトプレートにプロットされる（下のプレートの写真を参照）。J.F.ドーゾルは、この写真版を見て、特にウラン含有量が非常に高いオクロ311鉱石に注目した：

- 核分裂生成物の質量分布は、2つの極大を持つ "ラクダのこぶ "曲線に従う）；

- 最後のランタノイド（ホルミウムからルテチウム）は検出されない（166質量以上）。自然界では、14種類のランタノイドはすべて検出される。核燃料では、核分裂反応を経て、最後のランタノイドの同位体は検出されない。[5]

次のステップは、ネオジムとサマリウムを化学的に分離した後、熱イオン化質量分析計で特定の元素の同位体分析を行うことである。オクロMウラン酸塩とオクロ311鉱石の最初の分析から、ネオジムとサマリウムの同位体組成が天然元素のものよりも照射済み燃料に見られるものにはるかに近いことは明らかである。核分裂によって生成されない142Ndと144Smの同位体が検出されたことは、これらの元素が天然状態でも存在することを示しており、それらの寄与を差し引くことができる。

これらの結果はCEA Saclayの中性子科学者であるJean Claude Nimalに伝えられ，彼は235Uの欠損に基づいて分析試料が受けた中性子束を見積もった。これによって、同位体143Ndと145Ndによる中性子捕獲を見積もることが可能になり、それぞれ144Ndと146Ndの追加生成につながった。ウラン23513の核分裂収率を求めるにはこの過剰分を差し引かなければならない。核分裂収率(M)と天然ネオジムと中性子捕獲の存在で補正した結果(C)は一致していることがわかる：[6]

Nd 143 144 145 146 148 150
C/M 0,99 1,00 1,00 1,01 0,98 1,06

核分裂生成物の痕跡 編集

Nd 編集

 
U-235の熱中性子による核分裂生成物と、通常のネオジムの同位体比を比べた図。Ce-142（長寿命のベータ放射体）が崩壊してNd-142になるには、天然原子炉が停止してから十分な時間がたっていない。

鉱石中のネオジムの同位体比が、通常地球上でみられるものとは異なっていた。たとえば、通常のネオジムは142Ndを27%含むところが、オクロのネオジムは6%以下しか含んでおらず、代わりに143Ndの比率が高かった。通常のNdからオクロのNdを差し引いてみると、Ndの同位体の構成は235Uの核分裂反応で生成されるものと一致していた。



Ru 編集

 
U-235の熱中性子による核分裂生成物と、通常のルテニウムの同位体比を比べた図。Mo-100（二重ベータ崩壊を起こす長寿命の同位体）が崩壊してRu-100になるには、天然原子炉が停止してから十分な時間がたっていない。

同様の調査がルテニウムの同位体比についても行われた。オクロのルテニウムは99Ruを予想より多く含んでいた（12.7%に対して27-30%）。これは99Tcが99Ruにベータ崩壊したとすると説明できる。次のグラフでは、天然のルテニウムの同位体比と、235Uが熱中性子で核分裂した結果生成されたルテニウムとを比較している。核分裂生成物の同位体比が異なることがはっきりわかる。核分裂生成物の100Ruのレベルが低い理由は、モリブデンの長寿命の同位体100Mo（半減期 = 1019年）のためである。天然原子炉が稼働していた時間を考えると、100Ruの崩壊はほとんど起こらなかった。


微細構造定数との関係 編集

オクロの天然原子炉は、物理学の微細構造定数αが20億年の間に変化したかを確認することにも利用されている。これはαが核反応の速度に影響を与えることを応用している。たとえば、149Smは中性子を捕捉して150Smになるが、捕捉するレートはαに依存しているので、この2種類のサマリウム同位体の比率をオクロのサンプルで調べることで、20億年前のαの値を計算できるのである。

オクロの放射性同位体の相対濃度を調べたいくつかの研究があるが、ほとんどの研究が（全部ではない）、かつての核反応は今日と変わらなかったと結論づけている。αも変化していないと考えられる。

149Smの共鳴は、α以外に、陽子と電子の質量比μに対しても敏感である。αとμがお互いに打ち消しあう可能性があるので、否定的な結果はαとμが共に時間に対して不変であることを必ずしも意味しない[7][8]。

  1. ^ Kuroda, Paul Kazuo (1956). “On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals”. Journal of Chemical Physics 25: 781–782; 1295–1296. doi:10.1063/1.1743058. 
  2. ^ 黒田和夫『17億年前の原子炉―核宇宙化学の最前線』講談社〈ブルーバックス〉、1988年。ISBN 4061327208。 
  3. ^ Meshik, A. P. (November 2005). “The Workings of an Ancient Nuclear Reactor”. Scientific American. http://www.sciam.com/article.cfm?id=ancient-nuclear-reactor. 
  4. ^ Gauthier-Lafaye, F.; Holliger, P.; Blanc, P.-L. (1996). “Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical event" in a geologic system”. Geochimica et Cosmochimica Acta 60 (25): 4831–4852. doi:10.1016/S0016-7037(96)00245-1. 
  5. ^ Dozol Jean François (2023). “From routine sample measurements in CEA to the Oklo phenomenon”. Radiation Protection Dosimetry, Volume 199, Issue 18, November 2023, Pages 2258–2261,. 
  6. ^ Nimal Jean Claude (2023). “Oklo: historic and lessons learned”. Radiation Protection Dosimetry, Volume 199, Issue 18, November 2023, Pages 2262–2268. 
  7. ^ New Scientist: Oklo Reactor and fine-structure value. June 30, 2004.
  8. ^ Petrov, Yu. V.; Nazarov, A. I., Onegin, M. S., Sakhnovsky, E. G. (2006). “Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core”. Physical Review C 74 (6): 064610. doi:10.1103/PHYSREVC.74.064610. 

[1]

関連項目 編集

外部リンク 編集

座標: 南緯1度23分40秒 東経13度09分39秒 / 南緯1.39444度 東経13.16083度 / -1.39444; 13.16083

  1. ^ . 
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