Double-differential neutron-induced cross sections on Fe-nat at GANIL-NFS
本論文は、GANILのNFS施設における2023年の実験キャンペーンからの初回の結果を報告するものであり、そこではMedleyセットアップを用いて、最大44 MeVまでの中性子照射下における天然鉄から放出される軽荷粒子（LCP）の二重微分断面積を測定した。
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鋼鉄の骨組みを持つ核反応炉の内部では、静かではあるが絶え間ない戦いが繰り広げられている。高速中性子が金属に衝突すると、単に跳ね返るだけでなく、原子核を粉砕し、水素やヘリウムガスの微小な破片を作り出す。長年の運転を経て、これらのガスは固体金属の中に蓄積し、まるで水を吸いすぎたスポンジのように、金属を膨張させ脆くさせる。この損傷は、核融合や核分裂の莫大なエネルギーを封じ込めるために設計された容器自体の構造的完全性を脅かす。原子炉がどれほど安全に稼働できるかを予測するために、科学者たちは、原子炉用鋼材の主成分である鉄に対して中性子がどのように相互作用するかを正確に知る必要がある。彼らは、どれだけの粒子が弾き飛ばされるかだけでなく、それらがどれだけのエネルギーを持ち、どの方向に飛んでいくのかを正確に測定しなければならないのである。
数十年にわたり、科学者たちは現代の原子炉で見られる高エネルギー中性子のこれらの測定を行うことに苦慮してきた。低エネルギーのデータは存在するものの、物理現象が複雑でモデル化が困難になる14メガ電子ボルトを超える領域では、全体像がぼやけ、不確実になる。この高エネルギー帯における精密なデータがなければ、安全な原子炉を設計するために使用されるコンピュータ・シミュレーションは推測に頼らざるを得ず、エンジニアは構造物の寿命について確信を持てなくなる。研究チームは最近、この空白を埋めるべく、天然の鉄に中性子が衝突した際の挙動を前例のない詳細さでマッピングするという新しい実験を実施した。
実験は2023年、フランスのカーンにある、研究用の中性子ビームを生成することに特化した施設「Neutrons For Science」で行われた。チームは、スウェーデンのウプサラ大学で開発され、原子核が崩壊した際に飛び出してくる光、すなわち荷電粒子を捉えるために特別に設計された「Medley」と呼ばれる専用の装置を使用した。セットアップは、本質的には大きな真空チャンバーであり、その中央に天然鉄のターゲットが置かれている。ターゲットの周囲には、車輪のスポークのように配置された8組の検出器があり、それぞれが異なる角度で飛び出す粒子を追跡することができる。鉄のターゲット自体は、ビームと相互作用するのに十分な厚みがありつつ、結果として生じる粒子がエネルギーを失うことなく脱出できるほど薄い箔状であった。
研究のために必要な条件を作り出すため、施設は鉄のターゲットに向けて中性子ビームを発射した。これらの中性子はすべて同じ速度ではなく、低レベルから44メガ電子ボルトまでのエネルギー範囲を含む幅広いスペクトルを持つ「ホワイト・ビーム」を形成していた。中性子が鉄に衝突すると、陽子、重水素、およびその他の軽い粒子を放出する核反応が引き起こされた。望遠鏡のような構成の検出器が、これらの脱出粒子を捉えた。シリコン層と最終的なシンチレータ結晶に各粒子がどれだけのエネルギーを沈着させたかを測定することで、研究者はそれがどのような種類の粒子であり、どの程度の速さで動いているのかを正確に特定することができた。
プロセスの重要な部分は、タイミングの計測であった。研究者たちは、粒子がターゲットから検出器まで移動するのに要した時間を測定し、中性子ビームが生成された正確な瞬間と比較した。この飛行時間（タイム・オブ・フライト）測定により、個々の事象における入射中性子のエネルギーを計算することが可能となった。粒子は鉄のターゲット自体を通過する際にわずかなエネルギーを失うため、チームは真のエネルギーを再構成するために数学的な補正を適用しなければならなかった。彼らは、粒子が金属内部でどのようにエネルギーを失うかをモデル化するためにコンピュータ・シミュレーションを用い、統計的手法を用いて元のデータを逆算することで、ターゲット材料による歪みを事実上取り除いた。
この入念な作業の結果、二重微分断面積（特定の角度で特定のエネルギーを持つ粒子が放出される確率を表す用語）の新しい一連の測定値が得られた。チームは、平均エネルギー14.5メガ電子ボルトの衝突を受けた鉄から放出される陽子の値を測定することに成功した。彼らは、陽子が20度から160度の角度でどのように飛び出すかをマッピングし、放出パターンの詳細な図を作成した。データは、実験セットアップが信頼性高く機能し、粒子を高精度に捉え、ターゲット内でのエネルギー損失の補正が可能であったことを示した。
収集された全データの完全な解析はまだ進行中であるが、14.5メガ電子ボルトの中性子に関する予備的な結果はすでに有望である。研究者たちは、測定値が標準的な数学的曲線で滑らかに適合できることを見出し、これはデータが一貫しており信頼できることを示唆している。この成功は、この施設におけるMedleyセットアップの使用を検証し、エネルギー損失や粒子識別に関する複雑な補正が正しく処理されたことを裏付けている。チームは現在、これらの測定を44メガ電子ボルトまでの全エネルギー範囲に拡張し、ヘリウム原子核などの他の種類の粒子についても分析を進めている。
この研究は、核エンジニアにとって極めて重要なパズルのピースを提供する。高エネルギーの爆撃下での鉄の挙動に関する確かなデータを提供することで、本研究は、将来の核融合炉を設計し、既存の原子炉の安全性を評価するために使用されるコンピュータ・モデルの強固な基礎となる。構造材料が時間の経過とともにどのように劣化するかを予測できることは、よりクリーンなエネルギー源への移行において不可欠であり、この実験は、その予測をより正確にするための重要な一歩を踏み出した。研究者たちは、これほど困難な相互作用を高精度で測定できることを証明し、いつの日か星の力を保持することになる材料の、より厳格なテストへの扉を開いたのである。
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