特別講演

特別講演 1永嶺謙忠

特別講演 2

G.R. CHOPPIN(PLENARYLECTURE2)

ミュオン触媒核融合と周辺科学の現状(東大・理、理研)永嶺謙忠

1.はじめに数多く発見された素粒子の内で、電子や陽子などの安定なものを除くと、中性子
000秒)の次に寿命の長いものがミュオン(寿命: 2.2マイクロ秒)であり、(寿命:約 16ナノ秒)がこれに続く。加速様技術の進歩によって、 15年パイオン(パイ中間子、 2桂前から、このミュオンを大量に作り出して、様々な研究が行われるようになってきている。このミュオンは正と負の〆、 μ と呼ばれる 2種類があり、それぞれ軽い陽子19倍)、重い電子(質量 207倍)と考えて基本的な性質の大半を理解するととが(質量 1出米て、ここでは〆を対象とする。ミュオンは、バイオンが死ぬことによって生まれる。ミュオンは次のようにして発生する。まず良質にして高強度の陽子や重イオンを300MeV以上のエネルギーで Beや Liのj京子械にあてる。その結果、パイオンを生じ、109電子ボルト)の退陣子それが崩壊してミュオンが生まれる。 原理的には 1GeV (.20~0. 25個の μが生まれ、それを利則することが出米る。即ち i他iの μ を生むから oのに 4~5GeV のエネルギーが必要となる。

2. ミュオン触媒核融合 (Muon Catalyzed Fusion，μ CF) 現象とは何か

平成元年春から大きな話題を呼んでいる電解などによる物質内核融合(別名、常温核融合)は、高温を必要としないで核融合反応を起こす現象のーっとしてとらえるこ
0日 cmの距離まで近づとが出米る。そもそも核融合反応とは、二つの水素同位体核を 1司位体様が lil
Jじけると核力(引力)が働き起こる現象である。この際に、二つの水素 ii五の電荷をもっているために、電気的な反発力を及ぼし合いクーロン障壁が生じ、なかなか近づくことが出米ない。いわゆる高温(熱)核融合では、二つの水素同位体核(重水素 Dや三重水素 T) を l億度を越える高い温度に熱することによって、熱エネルギーの助けでこの障壁を乗り越え、核カの到達距離まで二つの械を近づけるととを狙う。

μ C Fなどの低温核融合(広義の志)では、クーロン障壁に対して上とは異なったアプローチをする。いま電子よりも質量の大きい負の電荷を持つ粒子を導入して、二つの水素同位体械の一つにまきついたとしよう。このときできる大きさ Roの中性の状態では、電気的反発力が中和され、二つの械が近づくことが出米る。この際に、粒子の質量が重いほど R。は小さく、融合反泌が起こり易い。この目的にかなった負の電荷を持った粒子(素粒子)が、ミュオンである。
ながみねかねただ‑ 2‑

ミュオンを液体水素の総度 (4.25X10z2原子核 /cnI)に近い高密度の D と三重水素 Tの混合加正気体または液体中に入れた場合のミュオン核融合を考えよう。打ち込まれた μ は減速され熱エネルギーとなり、電子・と入れ代わり水素原子の 1/207のサイズを持 つ ミ ュ オ ン 原 子 (tμ)、 (dμ) をっくり、その基底状態に宝る。この i閣の時間は約10‑1口 sである。生成した (tμ)、 (dμ) 原子は、小さな闘い J扇子と五うことが出米る。

(tμ) は (dμ) に比べ基底状態のエネルギーが48eVだけ深いので、 (dμ)

は周囲のひ T、 Tz中の七と衝突して、 (dμ) +t→ (tμ) +dの様な (dμ) から (tμ) へのミュオン移行反応が 10‑6 S で起こるととが知られている。
電気的に中性な (tμ) は周囲の Dzあるいは D Tと衝突する際に電子雲をくぐり抜
け、 d核に近付き、 μーが tと dの周りをまわる (dtμ) というかたちの分子状態をつくることが期待される。幸い (dtμ) の分子状態に 0.6 eVもの設い準位があり、その準位からのミュオン分子生成と Dz、 D T分子の電子状態の励起とが共鳴するかたちで、
10‑10 S の 速 さ で 擾 合 分 子 [(dtμ)d 2eJ などの j
酪でミュオン分子 (dtμ) が生成される。
mであり、分子の振動運動の助けをかりミュオン分子 (dtμ) の大きさは 5X10‑" c4Heの原子核)とがて分子内で核融合が急、速に起こる。その結果、中性子と α粒子 (発生する。分子内核融合の速さは 10‑‑12 S のオーダーであることが知られている。ごのとき自由になったミュオンはまた次の反応へと向かう。かくして、ミュオンは次々と述鎖的に核融合を起こしてゆく(図 1)。ミュオンの寿命 2.2μsの聞に、何回核融合が起こるかについては、融合反応後に生まれる α粒子にミュオンが付着する割合、即ちアルファ付着率 (ωs) で決る。 α 粒子にミュオンがとらえられると、核融合の連鎖反応はとまる。したがってミュオン核融合では、アルファ付着率をいかに低く抑えるかがカギとなる。エネ jレギ一生産の原理的な限界は ωS‑1X17.6MeVとなる。
このアルファ付着現象を直接とらえて、 ωsを求める実験が東大一理研一原研のグループにより、高エネ jレギー物理学研究所 (KEK) 内東京大学中間子科学研究センタ)でー (UT‑MSL/KEK) において成功をみた。との実験では、極低温 (20 K1ccの液体 D‑T (トリチウム混合比::10%) に対し、パルス状ミュオンビームを打ち込む。融合中性子〆 1個当り 100個程度をとらえたうえで、アルファ付着現象の結果生ずる (μα) 原子からの X線をとらえた(図 2)。この X線について、エネ l
レギーの中心値、ドップラー帽、強度の時間変化等を慎重に調べ、アルファ付着現象からの信号であることが確認された。との X 棋の強度から ωsが0.3%程度と結論された。

ωsが決まるとミュオン核融合によるエネルギ一生産の上限が決まる。 ωsが0.3%住度では、上限は 5.8GeV/μ となりブレークイーブン条件(ミュオン L個がミュオン核融合で作り出すエネ jレギーがミュオン i個を作り出すのに必要なエネルギーと同じになる)までゆける。我々の X線測定の結果は、その条件に達する可能性がある事を示している。但し、この議論には加速器やエネルギ一変換機器でのエネ jレギー消費が考えられておらず、吏に 2~3 倍の効ギ向上が必要となる。

‑ 3‑

3 . μ C F現象で何が判っていないか
国 1の高密度高トリチウム濃度 D‑T混合系に対する μ C F
噌サイク jレにおいて次のような点が明らかになっていない。
a) μ C Fにおける原子・分子反出過程は熱エネルギー反応か(dμ) や (tμ) の生成や移行反応、さらには (dtμ) 分子の生成反応は、 0.
1eV以上もの高エネ lレギ一反応である可能性がある。
原子状態は何かb) )京子・分子反応は (dμ) や (tμ) のどの j(dμ) や (tμ) がミュオン原子の基底状態に遣する以前に移行反応などが起こっている可能性がある (q1Sの問題)。
c) 残留 3Heの効果は何か

Tの崩壊による宿命的な 3Heの累積に対して、(dμ) や (tμ) からの移行反応が急速に進む。この効呆をとり￨扶かないと μ C F現象の真の姿は判らない。
d) (dtμ) 分子生成卒、アルファ付着率は理論的にはどう理解するか(dtμ) 生成のゆるやかな温度依存性や、多体効果を忠、わせる密度依容性は理解されていない。また、 0.3%という低いアルファ付着率もごく最近の発展を除くと全ての理論予測と異なっている。
4 . μ C F現象の発展性
μ C F現象は、エネルギー生産の目的だけでなく、色々な応用性・発展性を秘めている。まず μ C Fは、強力な単色の 14MeV中性子の発生源と考えるごとが出来る。適切な実験ファシリティをつくるととによって材料照射による放射損傷、核融合炉に;f:)
けるブランケット、原子炉からの長寿命 RIの消滅処理、等々の研究に利用されることが期待される。
最近、筆者等は、ミュオン核融合現象が 10keV領域の低エネルギーミュオン掘として利用できる事に気が付いた。図 1に怠ける分子内核融合反応の後、ミュオンは10keV程のエネルギーで自由になる。更に、この自由化がミュオン当り 100回以上も繰り返される。従って、

l~3 のような状況を考えると、数 MeV から 10keV への効率のよい速度変換器がつくれる。この方式は、昔から知られている、 T を含む液体 Hz:
rtに高エネルギーミュオンを止めると (tμ) ).京子が長い飛程を持つ事実と組み合わせると、 100%近い効率で数 MeVのミュオン 10keV程に変換出来る。との強力低迷ミュオン源を使うことにより、コンパクトで密度の高い核融合炉が実現される可能性がある。
5 .常温核融合と μ C F現象

昨年末から研究されてきた、物質内低温核融合の研究の現状に関する私見を述べると、次のようになる。

~

4‑

1.中性子放出を伴う物質内核融合はある条件下では起こる。

2. 条件がなんであるかについて理解に近づいているグループは与在する。
3.然し、いかなるグループも物質内核融合が起こる瞬間を予測するととは出米ない。
すなわち、核融合反応のトリガーが判らない。
これらの物質内低温核融合に闘して、これまでに提案されてきた説明として、次のようなものがある。
(イ)低温核融合による中性子発生は Pd、 Ti金属の伝導電子の性質による(ロ)低温核融合による中性子発生は宇宙棋のミュオンによる核融合反出である(ハ)低温核融合による中性子発生は物質内結晶の不整合によって生じた電場による核融合反応である
必である(ニ)低温核融合による熱発生は新しい化学反 j
どれも決定的なものとされていないが、筆者としては次の現象をとらえることをkey pointとして考えている。

1. Dがクラスター的に金属中に高密度で与在することがあるか。
2. Dが金属中で加速されることがあるか。
特に、 2. があり得ないとすれば、1.の可能性が重要であり、筆者等は、中性子発生に成功したグループと協力し、その試料について負ミュオンによる検証を進めている。すなわち、 D クラスターが金属内 Lこ容在すれば、 (ddμ) 系の μ C Fが大きな確率で起こるはずである。

6.周辺のミュオン科学の話題
ミュオンの作るd、さく固い" 1扇子は、通常の電子原子に比べると 207倍高いエネル

ギーの透過カの強い X線を出す。しかも、水素原子状"の軌道をとるので、 X線のエネルギーから原子の閤定が容易である。とのようなミュオン原子からの信号を使って、次のような手順で、ミュオンによる非破壊元素分析が可能である(図 4)。
(1)ミュオンビームのエネルギーを出来るだけそろえ、外観.iJにおかれた減速材(飛程調節器)の厚さを変え、ミュオンの止まる深さを予め知っておく。
(2)ミュオンビームが物質にあたる際に、ビーム方向と垂直な面上の位置をビームを細分化(コリメーション)することによって知っておく。
(3)ミュオンが止まる深さと位置を色々と変え、各々の場所についてミュオン原子X線を測り、元素分析を行う。

負ミュオンの止まる場所はミュオンビームのコリメーションと試料の直前に置かれた飛程調節器によって 5ミリメートル以上の精度で決めることが出米る。さらに、ミュオンが X線を出した後に、ミュオン原子の基底状態から死滅する際に出す電子の方向を逆に辿ることにより、もっと精度よく決定できる。かくして非常に貴重な物質試料、さらには生体内の各機官の非破壊的元素分析が可能となる。医学診断において重要な応用例として次のようなものがある。
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(a)生体内の脳や臓器などの局部的な場所での、水の分布と脂肪の分布とを分ける。
(b)骨ソショウ症(背骨中の Ca) や老人性痴呆症(脳中の Al) 等、生体各器官での元素の定量化によって診断を行うことが出来る。(b)の点について筆者らは、坂本澄彦教授(東北大)との共同研究を行っている。
一般に、非破壊元素分析には、他にいくつかの方法が実用化されている。中性子放射化法は古くから行われてきたが、ミュオン法に比べ位置分解の能力が劣る他、物質を放射化して残すという欠点がある。また、 PIXEという、暢子ビームなどの照射に伴う X繰を測る方法は、ミュオンに比べて物質の表皮部分のみの分析に隙られてしまう欠点がある。

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‑~GLμ 叫)凶 2 アルファ付着現象による (D‑T系 μ C Fの原理図

原子からの X線o凸@μ:lE

仁:>・._~~~eV‑ーー・ーーーー・・MeVμc〉
ゴn.

1玉川μ同¥i;i;同ハハ凶3oμ C Fより低速 μ を得る原理凶凶4

ミュオン原子 X線による非破壊
元素分析

PRESENT STATUS OF MUON CATALYZED FUSION AND RELATED MUON SCIENCES
f Tokyo (UT‑MSL)
Kanetada NAGAMINE，Faculty of Science，University oand Institute of Physical and Chemical Research (R1K E N)

6

FUTURE TRENDS IN RESEARCH IN TRANSACTINIUM ELEMENTS
G. R. Choppin， Department of Chemistry， The Florida
State University， Tallahassee， Florida 32306， USA
Fifty years ago this irradiation of U308 by deuterons in acyclotron produced the first atoms of a new synthetic element
plutonium.

Within a few months， further 工rradiations led toisolation of plutonium and within 2 years， enough of this newelement had been made that it could be isolated as a purecompound ‑ the first synthetic element to be made in sufficientquantity to be seen.

Since that first observation， plutonium

has been produced in kiloton amounts.
The production of new transuranium synthetic elements has
continued and there are now 17 known ‑ from Z=93 to Z=109.

Theisotopes of the transactinide (Z>103) elements are characterized
by very short lifetimes and small formation cross sections.

Asa result， only a few atoms are produced in an experiment andchemical investigations must be designed on a "one‑atom‑at‑a‑time" basis.
These chemical studies represent frontier achievements.
For example， with fast liquid extraction chromatography， 104 has
been shown to have behavior similar to Hf in forming strong
anionic chloro complexes.

Studies with 105 (26 atoms made innearly 1000 bombardments) confirmed its similarity to Nb and Ta.
Large international collaborations continue to seek to make newelements and to study the nuclear and chemical properties of
those already known.
While the extension of the Periodic Table continues to be afascinating and fruitful research area， much greater attention is‑ 8‑being given to the chemica1 behavior of the 1ighter actinides ofimportance in nuc1ear power.

P1utonium， in particu1ar， is not

on1y， of great importance for its va1ue as a power source but
a1so because of its potentia1 as a 10ng term hazard in nuc1ear
waste disposa1.

There are opportunities

for va1uab1e andinteresting research in many areas ‑ solid state， meta11urgy，
spectroscopy ‑ but in this 1ecture， on1y chemica1 research isdiscussed.
In June， 1990， a workshop on research on transactium
e1ementswas he1d in Berke1ey， Ca1ifornia， by the University of
Ca1ifornia and the Lawrence Livermore Nationa1 Laboratory.

TheChemistry Pane1 deve10ped the fo11owing 1ist to indicate some of
the more exciting areas for future research:1.

Study of the thermodynamics and kinetics of actinide
reactions in aqueous and nonaqueous solution at
e1evated temperatures and pressures.

2.

Deve10pment of improved preparation techniques with aspecia1 emphasis on high purity and miniaturization.

3.

Redox， comp1ex and structura1 speciation in wide1yvarying aqueous media (i.e.， 1，pH，Eh， temperature).

4.

Deve10pment of chemica1 and physica1 studies oforganometa11ic compounds as a function of oxidation
state and position in the periodic tab1e to makec1ear the connection between 5‑f and the d transition
meta1s.

5.

E1ucidation of actinide bonding andtransformation in bioinorganic systems.

6.

Deve10pment of se1ective sequestering agents foractinides.

7.

Use of actinide ions as probes of chemica1 andphysica1 systems.

chemica1

These topics are brief1y reviewed in the 1ecture to ref1ect
the nature of research within each area.

‑ 9‑