約20億年前のアフリカ・ガボンの地下では、天然の原子炉が動いていた

1972年6月、フランスのピエールラットにある工場で、いつもの検査が行われていました。この工場は、ウランの中のウラン235という成分を濃くする工場でした。届いたウランの成分を、毎回きちんと測っていたのです。

そのウランは、ほんの少しおかしな値を示しました。核分裂を起こしやすい「ウラン235」の割合が、0.7202%のはずなのに、0.7171%しかなかったのです。0.7202%と0.7171%の差は、わずか0.0031%です。ウランの原子10万個で比べてみます。ウラン235は約720個あるはずなのに、約717個しかなかったのです。

調べていくと、ウランはアフリカのガボンにあるオクロ鉱山から来ていました。そして、その地下で約20億年前に、ウランの核分裂が自然に続いていたことが分かりました。人がまだいない時代に、地球の地下で「天然の原子炉」が動いていたのです。

この記事では、まず小さな数字のずれがどう発見につながったかを紹介します。次に、20億年前に原子炉が自然にできた理由を説明します。最後に、その原子炉が「30分動いて2時間半休む」をくり返していたことが、どうやって分かったかを紹介します。

011972年、フランスの工場が、ウラン235がわずかに少ないことに気づいた

ウランには、重さの違う何種類かの原子があります。そのうち、ウラン235は核分裂を起こしやすい種類です。核分裂とは、原子が2つに割れて、大きなエネルギーを出すことです。今の原子力発電は、ウラン235の核分裂を使っています。

天然のウランの中のウラン235の割合は、0.7202%です。国際原子力機関（IAEA）が1975年に出した記事によると、1972年6月まで、この割合はどこで見つかったウランでも同じでした。月で見つかったわずかなウランでも、同じ割合でした。

ピエールラットの工場がこの割合を測っていたのには、理由がありました。届いたウランが本当に天然のもので、どこかの施設ですでにウラン235を使ったものではないことを、確かめるためです。そこで0.7171%という値が出ました。

IAEAの記事は、工場の人たちが注意深くなければ見落としたかもしれない、と書いています。工場の人たちは何度も確かめて、測りまちがいではないことを確認しました。試料によって割合が違うことも分かりました。ウランの産地をたどると、ガボン南東部の町フランスビルの近くにある、オクロ鉱山にたどり着きました。

02ウラン235が減っていたのは、地下で核分裂が起きて使われたからだった

1972年8月の初めには、「昔ここで連鎖反応が起きて、ウラン235が使われたのではないか」という考えが出ました。連鎖反応とは、核分裂で飛び出した中性子という粒が、次のウラン235を割り、それがまた次を割る、という反応です。原子炉の中で起きている反応です。

1972年9月25日、フランス原子力庁の長官アンドレ・ジロー（André Giraud）が、20億年前の原子炉が見つかったと発表しました。

調べるほど、証拠は増えました。IAEAの記事によると、ウラン235が少ないウランは合わせて約500トンあり、平均の割合は0.62%でした。いちばん少ない試料では、0.296%しかありませんでした。天然の値の半分以下です。

ウランのまわりには、核分裂でできる物質も残っていました。たとえば、ネオジムという金属です。天然のネオジムでは、全体の約27%を「ネオジム142」という種類が占めます。核分裂では、ネオジム142はできません。オクロのある試料では、ネオジム142は1.38%しかありませんでした。そこにあったネオジムの大部分は、核分裂でできたものだったのです。

0320億年前のウランは、ウラン235の割合が今の原子力発電の燃料と同じくらいだった

では、なぜ20億年前には原子炉が自然にできたのでしょう。理由は、ウラン235が時間とともに減っていくことにあります。

ウラン235も、ウラン238も、放射線を出しながら少しずつ別の物質に変わります。量が半分になるまでの時間（半減期）は、ウラン235が約7億1000万年、ウラン238が約45億1000万年です。ウラン235のほうが、ずっと速く減っていきます。

ということは、昔にさかのぼるほど、ウランの中のウラン235の割合は高くなります。2014年の論文によると、7億年前は1.3%、14億年前は2.3%、21億年前は4.0%でした。今の軽水炉（ふつうの水を使う型の原子力発電所）は、ウラン235を約3.5%に濃くした燃料を使います。20億年前の天然のウランは、それに近い濃さだったのです。

オクロでは、そこにいくつかの条件がそろいました。

• ウランがとても濃く集まった場所があった
• 岩のすき間や割れ目に、たくさんの水があった
• 中性子を吸いこんで反応を止めてしまう物質が、ほとんどなかった

2014年の論文によると、原子炉が動いたのは約19億5000万年前です。1975年のIAEAの記事は約18億年前としていました。後の研究で、数字が少し変わりました。原子炉の場所（炉の区画）は、オクロ・オケロボンド地区で14か所、そこから30km離れたバンゴンベで1か所見つかっています。17か所とする研究者もいます。1つの区画は、だいたい縦横10m、厚さは最大80cmほどの平たい形でした。調べられた区画では、10万〜30万年ほど動いたと見積もられています。

04原子炉は、地下水が湯気になると止まり、水がもどるとまた動いた

20億年前の原子炉には、止める人も、温度を見張る人もいません。それなのに、反応はどうやって自然に調整されていたのでしょう。

1977年、ペトロフ（Yu. Petrov）は、地下水がブレーキの役目をしたという考えを出しました。核分裂が進んで温度が上がると、水が湯気になって出ていきます。水がないと連鎖反応は続かないので、原子炉は止まります。冷えるとまた水がしみこみ、原子炉は動き始めます。

このくり返しの時間を、2004年に測った研究者がいます。アメリカのワシントン大学（セントルイス）のA・P・メシク（A. P. Meshik）らです。メシクらは、オクロの13番目の区画から取った鉱物を調べました。熱い水の働きでできた、ウランをふくまない鉱物（アルミニウムのリン酸塩）です。

その鉱物の中には、核分裂でできたキセノンなどのガスが閉じこめられていました。その濃さは、天然の物質で見つかった中でいちばん高いものでした。キセノンには重さの違う種類がいくつかあり、その混ざり方から、原子炉の動き方が分かりました。原子炉は、約30分動いては、約2時間半止まる、というくり返しをしていたのです。

05まとめ

1972年、フランスの工場が、ウラン235の割合が0.7202%ではなく0.7171%だと気づきました。そのわずかな差をたどった先に、約20億年前のガボンの地下で動いていた天然の原子炉がありました。

20億年前のウランは、今の原子力発電の燃料に近い濃さでした。そこに地下水がしみこみ、連鎖反応が自然に始まりました。水が湯気になると止まり、冷えるとまた動く。13番目の区画には、30分動いて2時間半休むくり返しが記録されていました。原子炉はこうして、10万〜30万年ほど働いたと見積もられています。

1972年まで、どこのウランも、月で見つかったウランまで0.7202%でした。その決まった値と比べたから、ガボンのウランのわずか0.0031%の差に気づけたのです。