独立行政法人日本原子力研究開発機構：JAEAメールマガジン　No.322

JAEAのメルマガを読んでいただいてありがとうございます。皆さんご存じのように、原子力発電所の中でエネルギーを作りだす最も大事な装置は原子炉と呼ばれています。その原子炉では、中性子という小さい粒子が核分裂反応を引き起こし、その反応により生じる核反応エネルギーが高温の蒸気という熱エネルギーに変えられ、それがタービンを回して電気が作られます。こうして、原子炉を作っている材料では、多かれ少なかれ中性子という放射線に常にさらされています。今日はその中性子と材料に関する話題です。

金属材料は、特殊なものを除けば、規則的な原子の配列、すなわち結晶によって構成されています。そこに中性子がかなりの速さで飛んできたらどうなるでしょうか？原子炉で使われている材料の大半は鉄鋼材料で、鉄の原子が多く含まれています。中性子がその鉄の原子の一つに衝突すると、原子は今までの位置から弾き出されてしまいます。その鉄原子はまた別の鉄原子を弾き出します。そしてその鉄原子も同じ事をします。このように、１つの速い中性子のせいでたくさんの鉄原子が元の場所から弾き出されて、材料にミクロな穴がたくさんできます。中に穴ができれば当然材料は膨らんできます。また、弾き出された原子が集まって塊を作ると、材料製造時にあった柔軟さ（難しい言葉で延性といいます）がなくなって、脆くなってしまいます。中性子が材料に及ぼす影響はこれだけではありませんが、ほとんどの場合材料の寿命を短くするように働きます。

さて、これを書いている私も含めて、実は中性子が原子を弾き出す様子を実際に目撃した人はいません。それは反応の長さが100ピコ秒以下で（１ピコ秒は1兆分の1秒）、こんな速さで可視化できる電子顕微鏡は存在しないからです。しかし、計算機シミュレーションを使えば弾き出しの様子を「見る」ことができます。そのためには中性子と鉄原子の衝突そして鉄原子同士の衝突という素課程をモデル化する必要があります。そしてそれらのモデルを基に分子動力学という方法を使って原子１個１個の動きをスーパーコンピュータで追跡します。得られた結果は、実験で観察される中性子照射の影響をおおよそ再現することがわかっています。このように、実験の代替手段として計算科学は有用であり、そのうえ費用削減や研究時間の短縮などのメリットも期待できます。

私たちは大学や海外の研究機関などと協力しながら、放射線が材料に及ぼす影響の計算機シミュレーション研究を推進しています。そして将来、原子炉材料の寿命を計算機で予測できるようにしたいと思っています。

（システム計算科学センター　）
http://ccse.jaea.go.jp/ja/index.html