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ギリェルモ･ゴンザレス
2020/1/16 12:49
2020/1/16 12:49
1972年にフランスの物理学者が、アフリカのガボンにあるオクロで約20億年前に天然の核分裂炉が稼働していたことを発見しました。現代の核分裂発電所は複雑な機械です。濃縮ウランの核分裂で発生する熱を制御し、封じ込めなければなりません。そのためには、炉心から熱を奪うための冷却材が必要です。また、核分裂で発生した高速中性子を減速させて、他のウラン原子の核分裂を誘発します。このようなプロセスが自然に起こるのでしょうか？天然原子炉はデザインを必要としたでしょうか？
ノーフリーランチ
ウィリアム・デムスキーは、2001年に出版した『No Free Lunch: Why Specified Complexity Can't be Purchased without Intelligence』の中で、このような疑問を投げかけました。デムスキーは、彼の説明フィルターと、それがデザインされた事象を検出するための複雑特定基準を理解するのにどのように役立つかを説明しています。この基準には、宇宙における特定の自然現象の数の最大値である、普遍的確率限界を知ることが含まれます。彼はこれを大いに寛大に見積もって、10150としています。確率が10150分の1以下の特定の事象や構造は、宇宙の確率的資源を使い果たしてしまい、偶然に帰すことはできません。
デムスキーは、オクロの天然原子炉が複雑性特定基準を満たしているかどうかを検討しました。その結果、いくつかの非常に特殊な条件を満たさなければならないことを認めました。しかし、確率がまだ分かっていないという単純な理由により、実際に確率を与えることはしませんでした。彼は、天然原子炉はとてもありそうにないというわけではないことを示唆しました。
地質学者や物理学者は、オクロの原子炉がどのように動作したかをかなりよく理解しており、モデル化もできていました。1956年には、天然原子炉が実現するための条件を予測することさえできていました。まず、核分裂反応を自己持続させるために、ウラン鉱石を十分に濃縮する必要があります。しかし、20億年以上前に大気中に酸素が出現する前には、それは不可能でした。ウランが水に溶けるのは酸素があるときだけだからです。地下水に溶けたウランは、地殻内の帯水層に濃縮され、そこで閃ウラン鉱に還元され、溶液から析出して鉱石となります。
閃ウラン鉱石の形成に生命が重要な役割を果たしていたらしいのは興味深いことです。有機体は、死骸であれ、藻類マットであれ、生きた細菌であれ、ウラナイト鉱石の形成速度を大きく加速します。そして、光合成をする生命が酸素の上昇を引き起こしました。このように、私たちが採掘しているウラン鉱床は、最大でも20億年前のもので、生命が大きく関与しています。
核反応の第二の条件は、短寿命の核分裂性同位体であるU-235が、より豊富な同位体であるU-238に比べて十分に豊富に存在することです。現在の自然界では、利用可能なU-235が (半減期がより短いため) 少なすぎて、これは不可能です。しかし、20億年前であれば、人工の原子炉で濃縮ウランが占める割合と同じくらいの割合 (約3％) を占めていたはずです。この条件は、U-235とU-238の比率が時間とともに着実に減少することから、地球の歴史のどこかで満たされることになります。ですから、オクロ鉱石でこれらの同位体の必要とされる比率が満たされていたという事実は、それほど驚くべきことではありません。
酸素の出現
驚くべきなのは、酸素の出現時期と核分裂を自己持続させるために必要なウラン同位体比が最小となった時期が著しく一致していることです。もし、酸素の出現が少しでも遅れていたら、天然原子炉が可能になることはなかったでしょう。もし酸素の出現がもっと早ければ、天然原子炉はより広く存在し、おそらく激しいエネルギーを持ち、より多くのU-235を消耗していたでしょう。
もう一つの条件は、ウランを含む鉱脈の形状です。厚さは最低でも3分の2メートルは必要です。これ以上薄いと、放出された中性子がウランに吸収されなくなってしまうからです。また、「中性子毒」と呼ばれる、ウラン原子が吸収するはずの中性子を吸収する元素が多すぎてもいけません。中性子毒は、ホウ素や銀など自然界に存在するものもあれば、核分裂の過程で生成されるものもあります。中性子毒として最も強力なのはキセノン135ですが、キセノン135は気体なので、作られた後に比較的早くウラン鉱石の外に拡散してしまいます (都合がいいですね!)。
最後に、自由中性子がU-235原子に吸収されやすくするための中性子減速材が必要です。人工的に作られた多くの原子炉と同様に、オクロの原子炉でも水が減速材となりました。周囲の多孔質の堆積岩が、水とウラン鉱石の相互作用を可能にしていました。天然原子炉は、核熱が発生して水が沸騰すると数時間停止し、冷却されて水がウラン鉱石に戻ると再び起動するというサイクルで動作していたと思われます。これは、イエローストーンのオールドフェイスフルのような間欠泉の自然のサイクルと比較できます。
オクロの原子炉は、100万年もの間、メルトダウンも爆発もせずに動作し続けました。それ以降は、比較的平静な状態を保っています。これは、天然原子炉が私たちに教えている最後の教訓、すなわち核廃棄物の処理方法です。原子炉が長期にわたって保存されていることは、この問題についての地質学的な解決策が存在することの証拠です。
興味深いのは、物理学者が最初の原子炉を作ってから20年も経たないうちに、天然原子炉の存在が予測されたことです。もし1930年代に発見されていたら、バイオミメティクスに相当する地質学と核の「ジオヌクレオミメティクス」の一例となっていたかもしれません。
デザインと目的の証拠？
オクロの原子炉のデザイン事情についてのデムスキーの質問に戻りましょう。デムスキーは、説明フィルタと普遍的確率限界を適用した結果、原子炉がデザインされたとするには懐疑的でした。既知の物理法則によってその動作は説明できますし、原子炉はそれほどありそうにないものではありませんでした。この原子炉は、彼のフィルターの「物理的必然性」ノードの引き金になるでしょう。しかし、デムスキーのフィルターは、宇宙の歴史の中のパターンや出来事に適用されることを忘れてはなりません。そのため、彼のフィルターを物理法則に適用することはできません。物理法則は宇宙の偶発的な出来事を比較するために必要な背景を形成しているからです。
オクロの原子炉が「天然」であると、あるレベルでは結論できるでしょう。しかし、もっと上のレベルの説明ではどうでしょうか？この場合、「天然原子炉がある惑星に私たちが住んでいることは、論理的な必然か？」と問うことができます。この質問に対する答えがイエスであれば、オクロの原子炉はデザインされていません。これは、「宇宙に天然の原子炉が存在することは論理的な必然か？」よりも具体的な質問であることに注意してください。この質問に対する答えがイエスであったとしても、デザインされている可能性はあります。
天然原子炉は論理的な必然ではありません。これは偶然で説明できるのでしょうか？ここで追加の情報を採り入れることができます。原子炉は、地球上でとてもありそうにないとは思えませんが、その出現のタイミングはファインチューニングされています。地球の歴史の中で、可能な限り遅くに出現したのです。
確実ではありませんが、太陽系という文脈においては、天然原子炉は地球にしか存在しないかもしれません。これが事実であることが示されれば、生命と原子炉の関係がより強固なものになります。酸素の豊富な大気とウランを含む岩石を包含する水循環を持たない惑星や月は除外されると結論するには十分です。
今日のバイオミメティクスは、生物学者やエンジニアに啓発を与え、自然界の既存の技術を人間の利益のために再発明するように動かしています。天然原子炉は物理学者や技術者に最初の原子炉を発明させることにはなりませんでしたが、そうなる可能性は十分にありました。原子力発電所は現代の文明にとって有益です。概して、地球はエネルギー生成のための特別な設定をされているようです。化石燃料が豊富で利用しやすい状態になるには、多くのことが必要でした。地球の表面には豊富な太陽エネルギーが降り注いでいます (これ以上の太陽エネルギーが降り注いでいるのは月と水星だけです)。また、地球では風力や水力による実用的なエネルギー生成も可能です。太陽系のすべての惑星と月の中で、地球は最も多様なエネルギー資源を提供しているのです。
考古学者と岩石
あるものがデザインされていると決定することはできても、その目的を識別できない場合があります。そのような場合に目的が識別できたなら、実際にデザインされたものであるという確信はより強くなります。例えば、考古学者が発掘した石の中に、自然ではない形をしたものがあったとします。彼は自然ではないという理由でその岩を掘り出して保存しようとするかもしれません。よく精査し、発見時の状況を考慮し、出所や目的がわかっている似たような遺物と比較して、ついにそれは手斧として作られ、使用されたものだと結論づけます。このように岩石の目的が指定されると、その岩石が古代の知性の遺物であることがより強く確信できるようになります。
天然原子炉は、それ自体が興味深い岩石のようなものです。それは恐らくデザインされていますが、もっと情報が必要です。地球の歴史という文脈では、天然原子炉のタイミングはファインチューニングされています。太陽系というより大きな文脈では、天然原子炉は地球にしか存在しないように思えます。天然原子炉の存在と生命との間には密接な関係がありますが、生命が生存するために天然原子炉を必要とするという意味ではありません。そして最後に、天然原子炉は、現代文明にとって重要な、地球にしかない多様なエネルギー資源という大きな文脈に適合しています。
それで、天然原子炉に注目した私は、多様なエネルギー資源を提供するという大きな目的の一部としてそれらはデザインされていると確信するようになっています。これには大きな政策的含意があります。おそらく私たちは地球上のエネルギー資源を利用するように意図されています。安全で経済的に道理にかなった利用方法が存在します。しかしながらそもそも、それをどのように開発し、利用するかは、様々な分野の専門家が考えなければならないことであり、知識のある人でも意見が分かれるところです。
間欠泉はどうでしょうか？天然原子炉と比較してみるのは教訓的です。まず、大まかなパターンや目的に適合していないようです。あまりありそうにないことではありません。地球に特有のものでもありません。最後に、ファインチューニングを必要としません。以上の理由から、私は間欠泉を天然のものと分類しても問題ないと考えています。
