日本人の独創性（黒田和夫先生とオクロ天然原子炉）
さて、日本物理学会誌２０００年9月号、「素粒子の結合定数の時間変化とOklo現象」ペーパーに、さっと目を通したのですが、オクロ原子炉と物理の定数を結び付けて、時間変化を見るという発想の素晴らしさ、驚きました。
１９７６年にオクロに目をつけた、ロシア人学者がすごいもので、やっぱり、昔のロシアは時間があったのか、閑だったのか、そういうところから独創的なアイデアがでたのかもです。
もっと、すごいのは、１９５６年に天然原子炉の存在を予言した黒田和夫先生、これを独創といわずなにを独創というかです。
日本物理学会誌Vol.55, No.9, 2000
一交流一
素粒子の結合定数の時間変化とOklo現象
藤井保憲/日本福祉大学情報社会科学部
岩本昭/日本原子力研究所物質科学研究部
日高洋/広島大学大学院理学研究科地球惑星システム学専攻
＜サマリー＞
60年以上も前だがDiracが,万有引力定数は定数ではなく,宇宙の時間とともに変化しているのだと言って人々を驚かせた.実験的に確実な証拠は未だにないが,以来,物理定数に対する素朴な観念はゆらぎ,それは今の統一理論の試みの中にも受け継がれている.特に素粒子の結合定数といわれるもの,たとえば電子の素電荷が本当に変化しているかどうか,興味ある研究が続いている.これについても変化の証拠は未発見だが,観測的,実験的な上限値自身,重要な示唆を含む.その上限値として最も厳しい結果が,20億年前,地球のある場所(0klo)で,ウランが自然に臨界に達していたという,やはり驚くべき事実(自然原子炉)の探求から得られている.最近の研究を紹介する.
1.はじめに
まず最初に表題の中の語の意味するところについて,用語辞典風に解説することから始めたい. 素粒手の結合定数詳しく言えば「相互作用の」結合定数と言うべきだろうが,代表的なのは荷電素粒子(電子,陽子など)の素電荷で,?=1.60×10-19Cとされているもの.それぞれの素粒子の属性だが,普遍性があり,電磁場との結合の強さを表す. eそのものでもよいが,それから作られる無次元量
は微細構造定数と呼ばれ,実際上重要な量である.強い相互作用にもこれに相当する結合定数があり,その2乗をｘｘと記す.物質と重力との相互作用の結合定数は,ニュートンの万有引力定数Gで,これから作られる無次元量として,たとえば
を考えることができる.ただしNは核子の質量である.
（略）
＜Oklo現象＞西アフリカ赤道直下のガボン共和国に0kloというウラン鉱山がある.1972年,ここから採取されたウラン鉱物中に,核分裂生成物の混入を示唆する元素安定同位体比異常が検出された.その解析から,この地には持続的核分裂反応が自然に起こっていたものと結論され,天然原子炉あるいはOk1o現象と呼ばれるようになった.2)地質学的調査によれば,約20億年前のことである.
1976年,A1ex Shlyakhter(当時Leningrad大学)は,結合定数に特に敏感な核過程に注目し,0k1oで測定された149Smの存在比から?,?sの時間変化に関する上限値を得た.
これは他の方法から得られた上限値より特に厳しく,注目されたが,解析の詳細については不明な点が多かった.当時のソ連の事情によるのだろうが,Natureに発表された論文3)は1ぺ一ジに満たなかったし,また国外に出向いて議論を重ねる機会もなかったようである.
彼の議論の再評価が本稿の主題であり,大筋で正しかったというのが結論である.特に∂/?に関しては,依然として他のどの方法から得られた上限よりも厳しく,あるべき統一理論について重要な示唆を与えるものと考えられる.
我々の議論の詳細については,最近の論文4〕を参照されたい.
＜略＞
3.0kloの鉱床
0k1oにおいて持続的核分裂反応は,どのようにして自然に起こったのだろうか.第1の要因は,昔は235Uが多量に存在したことである.実際,235Uの?崩壊による半減期は7億年であり(238Uのそれは45億年),現在0.72%しか存在しない235Uも20億年前には3.7%あったことになる.ちなみに,現在核燃料として用いられる濃縮ウランでは,この比が約3%である.
しかし,それならば,天然原子炉は地球上のほかの場所のウラン鉱床にもあっただろうか.実際には0kloとその周辺(隣接した0kelobond,および30kmくらい離れたBagombe)にしか発見されていない.これから,天然原子炉が存在し得た条件はかなり厳しかったと推定される.
0klo周辺は特に有利な条件にあったのだろうか.これにっいてはまず,0kloのウラン鉱床が高品位の(ウラン濃度の高い)大規模な堆積性ウラン鉱床であることが指摘される.このため,天然水があり,それが中性子の減速材として有効に働いたと考えられる.しかし,この条件を備えたウラン鉱床はほかにも存在する.たとえばオ-ストラリア北部Aligator River Uranium Fie1dにあるウラン鉱床がそうであるが,大規模な核分裂連鎖反応を起こした形跡は認められない.そこで,もう一つの特徴が浮かび上がる.ウラン鉱物の化学組成である.
Okloではウラン鉱物内に不純物として含まれる希土類元素の存在量が,他の鉱床に比べてはるかに少ない.希土類元素は化学的性質においてウランと似ている点が多く,したがってウラン鉱物中には非常に多くの希土類元素が含まれているのが普通である.しかも,それらの中には中性子吸収断面積の大きいものが多く,それらが中性子を吸収してしまい,ウランの核分裂連鎖反応を阻害することになる.Okloの鉱床の形成にあたっては,何回も溶解・沈殿が繰り返され,その問にウランと希土類元素が少しずつ化学的に分離していったのであろう.これが235Uの濃度を高め,臨界に達するのを助けたと考えられる.0kloはこのような意味で好条件に恵まれたのである.
なお特筆すべきは,こうした天然原子炉の可能性は1956年,地球化学者黒田和夫(当時Arkansas大学)によって理論的に予言されていたのであった.12)
0klo鉱床内には臨界に達したと考えられる原子炉ゾーン(RZ.それぞれのサイズは大きくても数10mの程度)が現在までに16カ所確認されている.このうち9つは鉱床の表面近傍に位置していて,初期に鉱床の露天掘りを行っていた際に発見されている(図1参照).以来,Oklo現象を解明するために精力的に同位体の分析・データ解析がなされたのは,これらのRZから得られた試料についてであったが,鉱床表面近傍に位置しているため,部分的に地質学的な風化を受けている.これに対して1984年以降,鉱床内のボーリング調査によって発見され始めたRZは,表面から200-300mの深度にあり,風化の影響ははるかに少ない.
ウランは,その化学的性質として+4,+6の原子価をとりやすい.酸化的雰囲気下では+6をとって水溶性を,逆に還元的雰囲気下では+4をとって不溶性を呈する.つまり,大気に近い場所のRZではウラン鉱物が部分的に溶解・再固化を経験し,そのため原子炉停止後現在に至るまでの間,閉じた系とはなっていなかった可能性が高い.それに対し,深部に位置しているRZでは閉じた系に近い状態が保たれていたと考えられる.
＜以下、略＞