Study of the properties of sustainable materials for shielding against ionizing radiations

高エネルギー物理学の世界では、科学者たちは宇宙の基本構成要素を研究するために、粒子を衝突させる巨大な装置を建設しています。これらの実験は、生命組織や電子機器に損傷を与えるほど強力なエネルギーの一形態である、電離放射線の激しいバーストを生み出します。人々や機械の安全を守るため、研究者たちはこれらの実験を、放射線を遮断するように設計された厚い壁で囲まなければなりません。数十年にわたり、これらの壁の標準的な材料はコンクリートでした。それは強固で安価、かつ効果的ですが、地球に対しては重い代償を伴います。コンクリートの製造は膨大な量の温室効果ガスを放出し、莫大な量の廃棄物を発生させます。科学界がより持続可能な施設を構築しようとする中で、ある重要な問いが生じています。それは、安全性を損なうことなく、環境に優しい材料でコンクリートブロックを置き換えることができるのか、という問いです。

この問いは、フランスのグルノーブル・アルプ大学の物理学者ジュリアン・ファイヴル氏が率いる研究プロジェクト「SUSHI」の中核をなしています。このプロジェクトは、持続可能な材料、具体的には「版築（はんちく）による未加工の土」が、電離放射線に対する効果的な遮蔽体として機能するかどうかを調査しています。版築による未加工の土とは、土を圧縮して固いブロックにする古代の建築技法です。これは豊富に存在し、製造に要するエネルギーが極めて少なく、リサイクルも可能であるため、建設において広く用いられています。研究者たちは、この控えめな素材が、現代のコンクートと同じ放射線の脅威に耐えうるかどうかを知りたいと考えました。そのために、彼らは光子（これらの実験における放射線の大部分を構成する光エネルギーの塊）が、コンクリートのブロックと未加工の土のブロックをどのように通過するかを比較しました。彼らは、低エネルギーの光子から極めて高いエネルギーを持つものまで、放射線を阻止する能力に対して、厚さ、密度、および化学的組成がどのように影響するかを調査しました。

研究者たちはまず、両方の材料のデジタルモデルを作成することから始めました。コンクリートについては、セメントに砂と砂利を混ぜた標準的なレシピを使用しました。未加工の土については、砂、砂利、そして自然の結合材として機能する粘土の混合物をモデル化しました。彼らは、未加工の土が多孔質であり、空気中から水分を吸収することを考慮し、現実世界の条件を反映させるために、計算の中に少量の水を含めました。次に、異なるエネルギーを持つ光子がこれらの材料とどのように相互作用するかをシミュレーションしました。目標は、未加工の土が、同等のレベルの保護を提供するために、コンクートよりも大幅に厚くする必要があるかどうかを確認することでした。

研究の結果、これらの実験で見られる最も一般的なエネルギーレベルにおいては、材料の化学組成はほとんど重要ではないことが明らかになりました。光子のエネルギーが約100万電子ボルト付近にあるとき、それらは主に「コンプトン散乱」と呼ばれるプロセスを通じて物質と相互作用します。この相互作用では、光子は電子に跳ね返り、エネルギーを少し失いますが、その経路を続けます。研究者たちは、このエネルギー範囲において、材料が放射線を阻止する能力は、特定の原子の種類ではなく、その密度とどれだけの水素を含んでいるかにほぼ完全に依存していることを見出しました。未加工の土はコンクリートよりも密度が低いため、同じ役割を果たすには単に厚くする必要があります。計算によれば、未加工の土のブロックは、放射線の低減においてコンクリートのブロックと全く同じ効果を得るために、約20パーセント厚くする必要があります。この差は、光子が「電磁シャワー」として知られる二次粒子の連鎖を引き起こす、より高いエネルギーの広い範囲においても一貫しています。

状況は、10万電子ボルト未満のより低いエネルギーにおいては、わずかに変化します。ここでは、「光電効果」と呼ばれる別の相互作用が支配的になります。これは、光子が原子によって完全に吸収される現象です。この範囲では、材料に含まれる特定の種類の原子が重要となり、未加工の土に含まれる水分の存在がより重要になります。未加工の土は水を吸収するため、ブロック内の水量は季節によって変動する可能性があります。研究者たちは、この水分が高エネルギー放射線には無視できる影響しか与えない一方で、低エネルギーの光子に対しては遮蔽効果を最大10パーセント変化させ得ることを発見しました。しかし、こうした変動があったとしても、未加工の土は低エネルギー放射線を阻止することにおいて非常に効果的であり、高エネルギーの放射線を阻止するよりも、しばしばより完全にそれを遮断します。

デジタルモデルの正確性を確保するために、チームは放射性線源と特殊な検出器を用いた物理的な実験を行いました。彼らは、異なる密度を持つリサイクルされた版築の土のブロックを通過する放射量を測定しました。これらの実世界のテストによる結果は、コンピュータ・シミュレーションと密接に一致しており、彼らのモデルが信頼できるものであることを裏付けました。研究は、コンクリートと未加工の土を遮蔽材として比較する際の主要な決定要因は密度であると結論付けました。未加工の土には、コンクリートよりも20パーセントの厚みが必要となりますが、それは排出量を大幅に削減し、製造エネルギーを節約できるという環境面での大きな利点を得るための、納得のいく代替案となります。

これらの知見は、版築による未加工の土のような持続可能な材料が、高エネルギー物理学施設における電離放射線の遮蔽として実行可能な選択肢であることを示唆しています。研究は、トレードオフが明快であることを示しています。それは、コンクリートの代わりに土を用いた、わずかに厚い壁を作るということです。このサイズのわずかな増加は、得られる多大な環境上の利益を考えれば、管理可能な妥協と言えます。著者は、これらの結果は心強いものであるものの、他の種類の放射線をテストし、これらの材料が時間の経過とともにどのように振る舞うかについての理解を深めるためのさらなる研究が必要であると述べています。現時点では、この研究は、地球への足跡をより軽くして次世代の物理実験を構築するための、明確な道筋を示しています。