核データニュース，No.135 (2023)

私のノースカロライナ滞在記
高エネルギー加速器研究機構
共通基盤研究施設 放射線科学センター
李 恩智

eunji.lee@kek.jp

1. はじめに
私は、2020 年 2 月から 2022 年 4 月まで、ノースカロライナ州立大学にポスドク研究員として勤務しました。アメリカのノースカロライナ州へ出発する時、急速に広まる新型コロナウイルスのためマスクを着用していました。飛行機の中でも心配が尽きませんでした。それにもかかわらず、2 年間の生活を振り返ますと、大きな経験と日々の学びを得ることが出来ましたので、その時間が非常に貴重だったことを実感しています。今回は私のノースカロライナ州滞在記を紹介する機会を頂いたので、私の初めてのアメリカ生活及びポスドク研究員としての研究内容について書かせていただきます。

2. なぜアメリカへ
私の場合、日本で留学することになり、初めて日本語を学ぶことになりました。未だにも言語の壁は高く、さらに努力する必要がありますが、日本で生活するだけで日本語を聞いたり使ったりする機会が多かったです。そのため、比較的簡単に興味を持ち、日本語を習得することが出来ました。漠然と英語も上手になりたいと思い、英語を使う国に行きたいという考えがありました。就活の間に、ノースカロライナ州立大学の Hawari 教授について紹介を受けました。Hawari 先生は大学内の PULSTAR 原子炉を管理し、主に物質中の熱中性子散乱に関する研究を行っています1 。私は高エネルギー中性子を対象に学位を取得していたため2 、分野が少し変わることは新たな挑戦で心配もありましたが、ワクワクしました。Hawari 先生が私を採用することになりまして、指導教員の先生方に推薦状をお願いしました。ノースカ
ロライナ州立大学はあまり知られていないところだったので、初めて聞いたとおっしゃった記憶があります。推薦状を書いていただいた三人の先生方にこの場をお借りて改めて深く感謝申し上げます。
12https://www.ne.ncsu.edu/people/aihawari/
核データニュース No.126 (2020), http://www.aesj.or.jp/ ndd/ndnews/No126.html– 67 –3. 初めてのアメリカでの生活
アメリカに入国してから 1 か月後、新型コロナウイルスの感染者数が急激に増えたため、キャンパスは封鎖されました。当時の私はリモートワークを始めるしかありませんでした。
海外生活に慣れていた私でしたが、コロナ時代の初期は本当に大変でした。1 か月ほどの時間がありましたが、人間関係、生活環境、仕事内容も含めて業務環境が揃っていなかった状
態で孤立されたので、その時期は真っ暗の時間でした。しかし、幸いにもアメリカはマスク着用や外出禁止などに少し緩かったため、比較的早く日常生活に戻ることができました。
私が所属した研究室は Hawari 先生と数人の研究員を含めて約 15 人程度で構成されていて、研究テーマ毎に研究打ち合わせを行っていました。通常、週に 1 回の打ち合わせがありましたが、3 分の 1 の時間は雑談に費やされました。おしゃべりが非常に速かったので、話を聞き逃すことも多かったですが、様々な表現を聞くことができ、その時間がとても楽しかったです。全体の集まりは主に Hawari 先生が奢ってくださる月 1 回程度あるランチの時で、いつも中東料理のお店に行きました。個人的にはあまり経験したことのなかった料理でしたが、口に合ってよかったです。アメリカでの食事を思い出すと、一番思い浮かぶ料理は中東料理とメキシコ料理（特に、チポトレ・メキシカン・グリル）です。
また、大学で働くメリットの 1 つは休日が多いことです。学生のお休みに合わせて大学も閉まるため、その時期に積極的に旅行しました。お陰で、ニューヨーク・ワシントン D.C.・テキサス・テネシー・バージニア・ジョージア・サウスカロライナ・フロリダなどを、私がアメリカにいる間に旅行することができました。旅行した場所を列挙してみると私はあまり研究する時間がなかったように思われますね・・・。この 2 年間は遠くてもテキサスまでしか行けませんでしたので、今度は是非西部アメリカも行ってみたいです。

図 1 テキサス州オースティンのコロラド川と私– 68 –

4. ノースカロライナ州立大学の原子炉プログラム (Nuclear Reactor Program)ノースカロライナ州立大学の原子力工学科は米国内で 3 位程度の順位を維持しています。
世界初の研究用原子炉を設立したところであり、今までも大学内原子炉を運営しています。
したがって、原子炉に関する研究が盛んに行われています。私はノースカロライナ州立大学の原子炉プログラムから研究資金を頂きました。そこで、ノースカロライナ州立大学の原子炉について少し説明したいと思います。
ノースカロライナ州立大学における研究用原子炉の歴史は長いです。1949 年、物理学科長のクリフォード・ベック教授は、世界で初めての大学による研究用原子炉を設立する提案を行いました。この原子炉のための一部資金は、ノースカロライナ州のバーリントン・ミルズ財団から獲得し、1951 年に現在のバーリントン建物3 の着工が行われました。その後、1970年代初頭まで 3 つの研究炉が運営されました。その内、PULSTAR「図 24 」は現在まで 47 年間運営されています。PULSTAR は最大 1 MW の出力を持ち、1972 年に初臨界を達成しました。この施設は、実験施設用のビーム管を含む、現代の教育と研究に適した設備を備えた主要な施設であります。1978 年、PULSTAR 研究炉の所在する原子炉プログラムは、正式に大学のセンターとして設立されました。PULSTAR は毎年、数百人の学部生・大学院生・教員の教育と研究に必要な機会を提供し、様々な産業や政府機関の技術的な要求をサポートします。加えて、現在は米国原子力規制委員会によるライセンス延長審査を受けています。この審査の一環として、PULSTAR の出力は 2 MW にアップグレードされる予定です。そのため、コア反射の向上、RI 取扱設備 (ホットセル) の構築、新しい燃料のライセンス取得、制御コンソールと計器のデジタル化アップグレードなどを行っており、さらに、非破壊材料試験と基礎科学のためのいくつかの施設が設立されました。この施設の中には、陽電子ビーム施設、中性子イメージング施設、中性子粉末回折計、超低温中性子源などがあります。

図 2 PULSTAR 研究用原子炉 (左) と炉心部のチェレンコフ光 (右)34https://facilities.ofa.ncsu.edu/building/bu/
https://nrp.ne.ncsu.edu/about/pulstar-reactor/– 69 –

5. 熱中性子散乱則を用いた中性子熱化のベンチマーク結晶構造の黒鉛 (密度 = 2.25 g/cm3 ) は、様々な種類の原子炉システムで減速材及び反射材として使用されており、将来にわたる多くの設計においても主な減速材と見なされています。原子炉の中で、黒鉛の材質に最も大きな影響を与えるのは電荷の無い高速の中性子であります。一個の 235 U の原子核が分裂すると、平均 2.5 個の割合で新しく中性子が生成するために、235 U の核分裂反応が持続するが、その一個の中性子の平均運動エネルギーは 1.5 ∼ 2MeV であります。このような高速の中性子は、減速材の炭素原子核と平均 110 回程度の衝突を繰り返しながら、黒鉛中を飛び回っている間にそのエネルギーを失い、黒鉛と熱平衡になるまで減速されます。しかしながら、この衝突が原因となって黒鉛の結晶格子点から炭素原子が弾き出され、結晶格子間原子や空格子点ができて黒鉛結晶の構造が乱れます。一般黒鉛に代る材料を他に求めることにより、新しい材質の原子炉級黒鉛 (密度 = 1.5 ∼ 1.8 g/cm3 ) が開発されました [1]。原子炉級黒鉛は、黒鉛結晶の非晶化が進み黒鉛の物性を持ち、照射に対して安定であります。原子炉を建設する時に炉心構造体の安全性を確保するためには、原子炉級黒鉛に関する研究のうち時間当たりの中性子挙動についての研究が極めて重要な問題であります。
中性子はエネルギー領域によって異なる特性が現れます。したがって、低いエネルギーでは原子核と相互作用を通した結晶や分子の構造やダイナミックスを反映した相互作用断面積を考慮します。原子の振動エネルギーは 1 eV 以下であることから、結晶などの構造が影響してくるのは、概ね 1 eV と考えられます。1 eV 以上では原子・分子の結晶などの構造に鈍感で、原子・分子の運動にあまり影響されません。しかし、1 eV の以下では原子・分子励起(例: 回折・振動) 及び集合的励起 (フォノン) などの原子・分子の運動や結晶構造に依存します。これらを記述した理論データでの熱中性子減速過程は、熱散乱二重微分断面積により定量化されます。熱散乱二重微分断面積は、散乱後の中性子エネルギーや角度を記述すること
で、ボルン近似とフェルミ擬ポテンシャルの組み合わせから定義されます。その方程式は式(1) となります。

1d2 σ=′dΩdE
4πkB T√E′[σincoh S(α, β) + σcoh SS (α, β)]E(1)σcoh は干渉性散乱、σincoh は非干渉性散乱、α は運動量変化量、β はエネルギー変化量です。
ここで、S(α, β) は、媒質のダイナミックス (運動量やエネルギー状態) 及び結晶構造の情報を持つ熱中性子散乱則 (Thermal neutron scattering law, TSL) と定義されています。S(α, β) は、S(α, β) = SS (α, β) + Sd (α, β)(2)であります。SS は Self term といい、個々の原子核からの非干渉性散乱則、Sd は Distinct termといい、原子核集団からの干渉性散乱則であります。これにより、物質内での中性子の熱化過程を定義するためには、散乱物質ごとに熱中性子散乱則が必要となります。
最近までの黒鉛 TSL は結晶構造の黒鉛に基づいていたため、ノースカロライナ州立大学では、新たに原子炉級黒鉛の多孔性を現れる TSL の開発研究が進められてきました。しかしな– 70 –がら、TSL は理論計算に基づいているため、測定による検証が重要です。本研究では、OakRidge National Laboratory (ORNL) においてパルス中性子ビームを用いて中性子減速時間法(Neutron slowing down time technique)[2] により、パルス中性子が熱化するまでの時間の分布を測定しました [3][4]。本研究では、パルス後から減速をはじめ、熱化される中性子のエネルギーと時間の関係から熱エネルギー領域に達する時間を特定できます。計算コードは MCNP6.1 を、核データは ENDF/B-VIII.0 を使用し、TSL の影響を確認しました。図 3 に ORELA
実験値と結晶構造黒鉛及び原子炉級黒鉛の TSL を適用したそれぞれの計算値を示します。この結果により、TSL により計算値が大きく異なることわかります。加えて、気孔率 30%の原子炉級黒鉛 TSL は、ORELA 黒鉛の密度に基づいて (気孔率 26%) 最もよく再現することがわかります。本研究を通じて、原子炉級黒鉛における中性子の熱平衡状態に到達する減速時間を正確に求め、その実験結果と新しく記述された原子炉級黒鉛の TSL を適用した計算結果を比較することより、それらの整合性を確認しました [5][6]。

図 3 ORELA 実験値と計算値の比較

6. おわりにアメリカから日本に帰ってきてもう 1 年という時間が経ちました。新しい環境で、新しい仕事を頑張っていますが、慣れるまでは時間が必要でしょう。久しぶりにアメリカでの生活を振り返りながら、研究者として大切な事柄を多く学ばせて頂いたことに改めて気づきました。これらのことを今後の研究生活にも活かしていきたいと思います。アメリカでも、日本でも、私がここまで一歩ずつ成長して行けることは、周囲の大勢の方達の存在や良縁に恵まれたからに他なりません。今まで支えてくださった大勢の先生方やお世話になった研究室のメンバーに恩返しをするためにも今後も精進を続けたいと決意を新たにしました。

– 71 –参考文献
[1] A. I. HAWARI and V. H. GILLETTE,
for Reactor-Grade Graphite,[2] A. A. BERGMAN et al.,Inelastic Thermal Neutron Scattering Cross Sections

Nucl. Data Sheets, 118, 176 (2014).
A Neutron Spectrometer Based on Measuring the Slowing Down

Time of Neutrons in Lead, Proc. Int. Conf. Peaceful Uses of Atomic Energy, Geneva, Switzerland, August 8–20, 1955 (1956).
[3] A. I. HAWARI and B. W. WEHRING,

Observation of Neutron Thermalization in Graphite

Using the Slowing-Down-Time Technique,Proc. PHYSOR 2014―The Role of Reactor

Physics Toward a Sustainable Future, Kyoto, Japan (2014).
[4] A. I. HAWARI, J. L. WORMALD, and C. A. MANRING,

Testing of Graphite Thermal

Neutron Scattering Law Data in Support of Treat Neutronic Analysis,

Trans. Am. Nucl. Soc.,

115, 1401 (2016).
[5] E. LEE, N. C. FLEMING, and A. I. HAWARI,

Benchmark of Neutron Thermalization inGraphite Using the Slowing- Down-Time ORELA Experiment, FUND-ORELA-ACC-GRAPHPNSDT-001, International Handbook of Evaluated Criticality Safety Benchmark Experiments,
Organisation for Economic Co-operation and Development / Nuclear Energy Agency (2023).
[6] E. LEE, N. C. FLEMING, and A. I. HAWARI,

Benchmark of Neutron Thermalization inGraphite Using a Pulsed Slowing-Down-Time Experiment”, Nucl. Sci. Eng. 1-10 (2023).

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