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日本惑星科学会誌Vol. 29, No. 3, 2020

特集
「古今未曽有の日本の月/火星地下世界探査 (UZUME)計画」

⽉縦孔地形による放射線防護効果

内藤 雅之1，⻑⾕部 信⾏ 2，天野 嘉春 3，⼩平 聡1
2020年6月26日受領，査読を経て2020年7月25日受理（要旨） 本 研究では月面と縦孔周辺における放射線環境について考察した．月面は大気や磁場がなく，銀河宇宙線や太陽粒子線といった高エネルギー粒子に直接さらされる過酷な放射線環境である．月面における放射線被ばく量は実効線量当量で約420 m Sv/y ( 太陽活動極小期)であり，こうした放射線環境に長期間人類が滞在するためには放射線防護と被ばく量の管理が不可欠である．見積の結果，縦孔内の被ばく量は概ね一次 粒子の立体角と共に減少した．マリウス丘で観測された縦孔を仮定した場合，孔の底の被ばく量は最大で約25 m Sv/yとなり，A lの防護壁に換算すると約1 mに相当する防護効果が得られることが明らかになった．縦孔環境は放射線防護の観点から有望であり，将来の長期間の有人探査において重要であるといえる．本研究は，これから⾏われようとしているUZ U M E 計画に重要な科学的知⾒を与えるものである．

1. 宇宙の放射線環境
月面をはじめとする宇宙空間は銀河宇宙線(G CR :Ga lact ic C o sm ic R ay) や太 陽 粒子 線に直接さら考えたとき，宇宙放射線による被ばくは探査期間を制限する要素の一つである．従って，長期間の宇宙滞在には，乗組員の放射線防護と被ばく量の管理が不可欠である．

される放 射線環 境である．これらの宇宙 放 射線は銀河宇宙線は太陽系外から定常的に飛来する粒

地球上では厚い大気と磁場によって遮蔽されている子群で，そのほとんどが 高エネルギーの荷 電 粒子ので，地表における宇宙放射線由来の年間被ばく量によって構成される．構成粒子の約87%が陽子，約は約 0. 39 m Sv/yである．国際宇宙ステーションが12%がヘリウム核，残りの約1%がリチウム以上の重周回する地 球低 軌 道は地 球 磁 場によってこれらの粒子成分である[2]．銀河宇宙線 粒子は太陽風が引粒子の一部は遮蔽されているが，月や深宇宙ではこき延ばした惑星間磁場と相互作用して変調されるたれらによる遮蔽効果は得られない．M a rs S cience

め，太陽活動に依存してその強度が変化する．太陽L aborator y ( M S L)の航行期間中の観測によれば，活動は約11年を周期として極大と極小を繰り返して深宇宙における定常被ばくの線量率は約660 m Sv/おり，銀河宇宙線の強度は太陽活動極大期に極小yである[ 1]．重篤な放射線被ばくは深刻な健康被害となり，極小期に極大となる．太陽活動極小期と極を及ぼす可能性があるため，将来の有人宇宙滞在を大 期における銀 河宇 宙 線のフラックスはそれぞれ
2

25 pa r t icles /cm /s と2 pa r t icles /cm /s 程 度 で1.量⼦科学技術研究開発機構，
2.早稲⽥⼤学先進理⼯学部物理学科，
3.早稲⽥⼤学基幹理⼯学部機械科学・航空宇宙学科

ある[ 3]．銀河宇宙線 粒子のエネルギースペクトルは複数のモデルが構築されており，数百 MeV/nにピークをもち，10 G eV/n 以上の高エネルギーでは冪型

⽉縦孔地形による放射線防護効果／内藤 他

スペクトルである[ 3, 4]．
太陽粒子線は爆発的な太陽活動によって太陽表面から宇 宙空間へ放出される粒子群である．ほとんどの太陽粒子は10 MeV/n以下であり，固体や液133

2. 放射線線量率の見積もり
月面の放射線はその成因によって以下の３つに大別される．

体中の飛程 * がμm程度と短い．そのため防護が容易であり，放 射線被ばくとして問題になることはあ① 月外部由来の放射線まりない．しかしながら，大 規 模な太 陽フレアやコ② 外部由来の放射線が月物質と相互作用すること

ロナ質量放出などの太陽イベントに伴い，G eV/nを超 える高エネルギー粒子 ( S EP : S ola r Energet ic

によって生じる二次放射線③ 月面の天然放射性核種の崩壊によって生じる放射線Pa r t icle) が大 量に放出される．一部の大規模イベ
ントではS EPのフラックスが極めて大きく，二次粒子①は銀河宇宙 線と太 陽 粒子 線 が 代 表 的であり，(中性子)の線量率が短時間で上昇するイベントとして②にはこれらの高エネルギー粒子が月物質の原子核地 上で観測される．これらをGL E (Grou nd L evelと核破砕反応を起こすことで生成する軽い原子核のEn ha ncement)イベントと呼んでいる．GL Eイベン

他，中性子，電子，ガンマ線，π粒子，μ粒子などがトは1951年に中性子モニターが導入されて以来，約含まれる．二次粒子の中で最も影響の大きいのは中70 年間で 70以上が観測されている[ 5]．こうしたイベ性子である．これらは一連の数値シミュレーションにントは地表で観測されるものだが，地球周回の月表よってその被ばく量を見積もることが可能である．

面でも同様に大規模な粒子イベントとして観測され核破砕反応による高速中性子の生成率は一般にるだろう．これまでの地球周回衛星による観測では標的となる物質の平均原子量が大きいほど大きくな

1イベントで最大 1010 pa r t icles/cm 2 近いフラックス

る．実際，月面ではFeやTiに富む玄武岩質の海の方のGL Eイベントが報告されており[6]，大規模イベンがA lやCaに富む斜長石質の高地よりも高速中性子

トでは被ばく量も大きくなることが懸念される．の存在量が大きくなることが観測によって示されていこれらの放 射線から身を守るための手段として，る[e.g. , 12]．本研究では線量率のワーストケースとし

放 射線 遮蔽材による受動的な防護や電場・磁場をての見積もりを得るため，海の月面組成としてアポロ用いた能動的な防護が 検 討されてきた [ 7, 8]．特に12 号のリターンサンプルの元素組成 [13]を採用した．

月面に関しては，月面物質や月の溶岩洞を放 射線

一方で，Slaba et a l. [14]は様々な月面の元素組成に防 護に 利用することが 有 望である[ 9, 10]．かぐや

対して線量率を計算し，元素組成の二次粒子線量率( S E L E N E)の観測によって発見された縦孔地形は，への寄与は最大で銀河宇宙線に対しては9%，GLEその成因から地下の溶岩洞へと続いていると考えらイベントに対しては6%と見積もっている．このことかれている[ 11]．溶岩洞の内部は低線量率な放射線環ら，月面元素組成について二次粒子が線量率に与え境に加え，安定した温度環境と微小隕石から身を守る影響は大きくないことが明らかになっている．

ることが可能であり，過酷な宇宙環境で人類が滞在するための候補地として有望視されている[ 9]．

銀河宇宙線と代表 的な GL Eイベントを一次 粒子として月面と縦孔地形周辺に照射し，一次粒子と二これまでに月の溶岩洞を利用した放 射線 防 護が次 粒子による月面線 量率と縦 孔内の線 量空間分布検討されている一方，その入り口としての縦孔とそのを数値シミュレーションによって見積もった．粒子の周辺領域の放 射線環 境は十分な検 討がなされてい輸送と生成の計算には粒子・重粒子輸送計算コードない．そこで本研究では，月面と縦孔周辺領域の放PH I T S ver. 3.17[ 15]を用いた．図1に計算に用いた

射線 線 量率を数値シミュレーションによって見積もジオメトリの概念図を示す．縦孔の大きさはφ50 m

り，それらを比較することで縦孔地形による放射線× 43 m (マリウス丘の縦孔 )とし，孔の底から水平に防護効果を評価した．

高さ17 mの溶岩洞へつながると仮定した[ 16]．月面の線量計算は縦孔領域外の月面上φ1 m × 1 mを

* 物質中を粒子が走る平均の距離観測領域として実効線量当量を得た．

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図2に本研究で使用した一次粒子のエネルギースペクトルを示 す．銀河宇 宙 線のスペクトルは DL Rモ

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3. 月面の放射線線量率

デル [ 3]を使 用した．太 陽活動極大 期 ( 2001年 )と極銀河宇宙線とGL E 粒子照射時の一次 粒子・二次小期 ( 2010 年) のスペクトルについて，水素から鉄ま粒子による月面の縦 孔領域 外での線 量率をそれぞでの原子核を一次 粒子として照射した．GL Eイベン

れ表１に示す．定常被ばくである銀河宇宙線によるトとして，定量的なスペクトルが得られている近年の線量率は太陽活動極小期で416 m Sv/y，極大期でイベントから比較的強度の大きい2000 年7月，20 0 3も161 m Sv/yとなった．極小期の一次粒子による被年 10 月， 2 0 0 5 年 1 月 の G L E を 選 択 し た [ 6 ] ．エ

ばく量は356 mSv/yであり，Z eit l i n et a l . [ 1]によっ

ネルギー領 域は銀 河宇 宙 線・G L E イベントともにて見 積もられた深 宇宙での被ばく量の約半分であ10 MeV/nから10 G eV/nまでとした．

る．月によって銀河宇宙線の半分は遮蔽されている③はK , Th , U系列の放射性核種由来のガンマ線ため，実測値と比較して矛盾しない結果が計算で得が主である．これらの元素存在量はこれまで複数のられている．JA X Aの規定する宇宙飛 行 士の生涯

ガンマ線観測によって月面の存在量分布が求められ被ばく量の制限は表 2の通りである[20]．これらのており[e .g . , 17, 18]，その存在量から線量率を推定

比較からも，月面での長期間の滞在を考えた場合，可能である．これらの不適合元素は共通してコペル

戦略的な放 射線防護と被ばく量管理の必要性は明ニクスの南東部周辺 (フラマウロ地域 )で最大濃度がらかである．

観測されている．今回は線量率が最大になる場合をGL Eイベントによる被ばく量は銀河宇宙線による仮定するため，K , Th , Uについてそれぞれ観測値線量率と比較して大きく，1 Svを超えるイベントもみの最大となる4, 300 ppm，13 ppm，7. 3 ppmを採られる．一方で，GL Eイベントによる被ばくはほとん用し，線量率を求めた．

どが一次粒子によるものであり，二次粒子の寄与はそれぞれの放射線の存在量から線量への換算に小さい．それに対して，銀河宇宙線は二次粒子の線は国際放射線防護委員会の2013 年勧告 [ 19]によっ量率が 全 体の20%前後を占める．この違いは銀河て得られた，人体モデルへ等方照射したときの実効宇宙線とGL E 粒子のエネルギー分布の違いに起因線量当量への変換係数を用いた．

するものである．図2からもわかるように，GL E 粒子はいずれも100 MeV以下の低エネルギー領域の粒子の占める割合 が大きい．100 MeV以下の陽 子の核破砕反応断面積は小さいため，GL Eの線量への二次 粒子の寄与が小さくなったと考えられる．太陽活動極小期と極大期の銀河宇宙線で比較しても，極大期の方が二次 粒子線 量率の占める割合が大きく

図1： 数値シミュレーションのジオメトリ．

なっている．図2から，極大期の方が極小期よりも高エネルギー粒子の占める割合が大きいことがわかる
ため，合理的である．
一次 粒子のエネルギー分布の違いは遮蔽材を用いた際 の防 護 効 果にも表 れる．図3はアルミニウムとポリエチレンを遮蔽材として用いた場合の太陽活動極小期の銀河宇宙線と３つのGL Eの線量率の変化 である．エネルギーの 低い粒子の割 合 が 大きい
20 0 0 年7月と20 03 年10月 の GL E イベント は10 g /2cm 以下の遮蔽で被ばく量を10% 以下まで低減可能
図2： 銀河宇宙線 (太陽活動極小期: GCR min, 極大期: GCRmax)とGLEの陽子スペクトル[3, 6]．

だが，銀河宇宙線や2005 年1月のGL Eイベントのような高エネルギー成分が大きいイベントでは遮蔽効

⽉縦孔地形による放射線防護効果／内藤 他果が小さいことが分かる．これらの遮蔽効果の差は入射粒子の飛程の長さの違いに起因する．

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4. 縦孔とその周辺の線量分布

表 1と図3から分かる通り，GL Eイベントによる線ここまでの 結果から分 かるように， 一次 粒子が量は非常に大きいが，遮蔽材を用いた GL E 粒子のGL E 粒子の場合には二次 粒子はほとんど発生しな防護は十分現実的である．従って，有人宇宙滞在にい．縦孔内部の一次粒子による線量空間分布は，イ際しては太陽活動を定常的に観測し，大規模イベンベントが 変わっても線 量率の絶 対値が 変わるのみ

ト時には一時的に防護壁内に退避することで重篤なで，ほとんど同様の分布を示すと考えられる．従っ被ばくを避けることができる．て，縦 孔領域の線 量分布については銀河宇宙線の天然放 射性元素由来のガンマ線による線 量率は太陽活動極小期のみを扱い，その結果を一次 粒子

計 算によって0. 32 m Sv/yと求 められた．表 1の 値と二次粒子に分けて記載する．それぞれについて別との比較から分かる通り，天然放 射 性元 素由来のの粒子イベントの月面線 量率で 規 格 化 することで，線 量 率は銀 河宇 宙 線や GL E 粒子による線 量 率と縦孔領域のそのイベントの線量分布を概ね推定は可

比較して3 桁から4 桁小さい．従って，月面における能である．

被ばく量の位置による変 動は元 素組 成の違いによ

図 4に縦孔中央φ10 m の線量率の深さ依存性をる二次 粒子の線 量率にのみ依存すると考えてよい．

示す．線 量率は一次 粒子・二次 粒子ともに深さと共Slaba et a l . [ 14]から，月面線量の変動は全体としに減少し，全線量率は孔の底で約25 m Sv/yと，月ては数 % のオーダーであると推定されるため，月全面縦孔領域外の10% 以下になった．遮蔽材によって球の線量率は概ね一様であるといえる．ただし，本線 量率を10%まで低減するには，アルミニウムなら研究で対象としている縦孔地形など，月面に存在す約250 g /cm 2 ，ポリエチレンなら約150 g /cm 2 が必る地形が一次 粒子の一部を遮蔽することによって局要である(図3)．この厚さの遮蔽材を月面に直接持ち所的に低線量領域を形成することは考えられる．

込むことは輸送コストが大きく，現実的ではない．こ

表1： 月面での銀河宇宙線とGLEイベントによる実効線量当量．

表2.：宇宙飛行士の生涯被ばく制限[20]．

図3： 銀河宇宙線とGLEイベントにアルミニウム(Al, 実線)とポリエチレン(PE, 点線)を遮蔽材として用いた場合の線量率の遮蔽厚さ依存性．0 g /cm 2 でそれぞれ値を規格化している．

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日本惑星科学会誌Vol. 29, No. 3, 2020のことから，縦孔を利用することによる遮蔽は遮蔽いる[23]．したがって，溶岩洞を利用して銀河宇宙材を使用するよりも効果的であり，低線量率を月面線による被ばく量を1. 0 m Sv/y以下に抑えることはで実現するための手段として有望であるといえる．

十分 現実的であると考えられる．ただしこの場 合，縦孔内の線量率の変化は概ね立体角の変化によ天然 放 射 性 元 素由来のガンマ線による被ばく量がるものである．一次粒子の線量率は線源の立体角の同程度存在する可能性がある．そのため，本研究で変化 ( 図 4 緑 太 線 )とほとんど 線 形に変化している．

示す1 m Sv/y前後の低線量環境についての計算精

一方で，二次 粒子の寄与は孔の底で50% 程度まで度は十分でないことは留意すべきである．

増加している．二次粒子の寄与の増加は二次粒子源

なお，本研究では溶岩洞を縦孔の底からつながるとなる壁や地面の占める立体角が孔の深くに入るほ平らな空間として仮定している．実際には地面に起ど増加するためであると考えられる．なお，このとき伏あることや横穴が湾曲していることが考えられる．

天然放射性元素由来のガンマ線の存在量も壁や地実際の放射線環境を推定するには縦孔内部の地形面の立体角と共に増加すると考えられる．今回仮定を調査し，その形 状に即して計 算のジオメトリを変したK , Th , Uの存在量であれば，その被ばく量は更する必要がある．

最大で約1. 2 m Sv/yである．
月物質によって遮蔽され，一次粒子を天頂開口部の立体角分まで被ばく量を低減することができるという縦孔の特徴は，宇宙環境の放射線防護では特に有効である．図3に示したように，銀河宇宙線のような飛程の極端に長い粒子イベントに対しては防護材を用いた放射線防護は効果が薄い．従って，縦孔環境は一次 粒子となるイベントの種類や大きさに寄らずほぼ一定の割合で被ばく量を低減可能であり，月面で人類が長期間滞在するのに有望な候 補地であるといえる．
図 5に縦孔の底から高さ1 mの領域における線量率の水平 位置依 存性を示す．銀河宇宙 線による線量率は縦 孔の縁周辺 (±25 m)で約20 m Sv/yであり，横孔に入ることでさらに小さくなる．国際放射線防護委員会の定める地球 上での公衆被ばくの基 準

図4： 太陽活動極小期の銀河宇宙線による線量率の縦孔深さ依存性．比較のため一次粒子の立体角の変化を0 mで規格化して示している(緑太線)．

値は1. 0 m Sv/y，職業被ばくの基準値は50 m Sv/y及び 100 m Sv/ 5yである[21]．従って，縦 孔を利用することで職業被ばくの基 準値程度まで被ばく量を軽減することが 可能である．直径 50 mの縦 孔中心から側方の横穴 ( 溶岩洞 ) へ75 m移動することで銀河宇宙線による被ばく量は太陽活動極小期でも1. 0m Sv/y以下となり，地球上の公衆被ばく基準値以下の放射線環境を実現可能である．
ここで，Lunar Reconnaissance Orbiter ( LRO)の斜め観測によれば，横穴の奥行は最低 10 数 mとされている[ 16]．また，数値計算による見積もりで溶岩洞の径は最大で数百mからk m [ 11, 22]，レーダ観測による見積もりで約50 k mの長さが見込まれて

図5： 縦孔の底における銀河宇宙線線量率の水平方向位置依存性．

⽉縦孔地形による放射線防護効果／内藤 他

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5. まとめRep., NASA/TP-2013-217376.
[5] Lopate, C., 2006, in Sol. Eruptions Energ. Part.,

本 稿では，月面及び月縦孔地形周辺の放射線 線283.

量を見積もった．定常的に降り注ぐ銀河宇宙線による[6] Mewaldt, R. A. et al., 2012, Sp. Sci. Rev. 171, 97.

被ばく量は太陽活動極小期に最大の約420 m Sv/y[7] Durante, M., 2014, Life Sci. Sp. Res. 1, 2.となった．また，月面の放射線環境は場所による変[8] Naito, M. et al., 2020, Life Sci. Sp. Res. 26, 69.

化はほとんどないと予想される．太陽の大規模イベ[9] Angelis, G. De et al., 2002, J. Radiat. Res. 43,ント(例えば地表で観測されるようなGL E) が発生しS41.

た場合，1 Svを超える被ばく量が懸念されるが，大[10] Reitz, G. et al., 2012, Planet. Space Sci., 74, 78.

部分の太陽粒子イベントはエネルギーの低い粒子に[11] Haruyama, J. et al., 2009, Geophys. Res. Lett.

2よる被ばくが支配的であるため，数 g /cm の遮蔽材によってほとんどを防護可能である．
一方，縦 孔の内部では被ばく量は概ね立体角の変化に従って減 少した．太 陽活動 極小 期の銀河宇宙線の被ばく量は，マリウス丘の縦孔の底では約2536, L21206.
[12] Hareyama, M. et al., 2016, Nucl. Instr. Meth. A.
828, 145.
[13] Lucey, P., 2006, Rev. Mineral. Geochemistry 60,83.

m Sv/yまで低減可能である．縦 孔の底の中心から[14] Slaba, T. C. et al., 2011, Radiat. Res. 176, 827.

水平に75 m ( 側 壁 から50 ｍ ) 程 度の空 間が 存 在 す[15] Sato, T. et al., 2018, J. Nucl. Sci. Technol. 55,

れば，公 衆被ばくの基 準 値である1. 0 m Sv/y以下まで被ばく量を抑えることができる．従って，縦 孔
地形は宇宙環境において地球と同程度の低線量空間を提供することができ，月における長期間の有人滞在を考えたとき，有望な地形であるといえる．本
研究は古今 未曽有の日本の月/火 星地下世界 探 査( UZ U M E) 計画に向けて重要な科学的知⾒を提 供

684.
[16] Robinson, M. S. et al., 2012, Planet. Space Sci.
69, 18.
[17] Prettyman, T. H. et al., 2006, J. Geophys. Res.
111.
[18] Yamashita, N. et al., 2010, Geophys. Res. Lett.
37, L10201.

するものである．より詳細な放 射線環境するために[19] ICRP, 2013, ICRP Publ. 123. Annu. ICRP, 42.

は、縦孔内部の放射線と地形環境の実測が不可⽋[20] JAXA, 2013, http://iss.jaxa.jp/med/research/である．

謝辞

radiation/.
[21] ICRP, 2007, ICRP Publ. 103. Annu. ICRP, 37.
[22] Blair, D. M. et al., 2017, Icarus 282, 47.
[23] Kaku, T. et al., 2017, Geophys. Res. Lett. 44,

本稿を投稿するにあたり，査読者である慶應義塾大学の寺沢和洋様に有意義なコメントと提案を多数いただきました．この場を借りて御礼申し上げます．

参考文献[1] Zeitlin, C. et al., 2013, Science 340, 1080.
[2] Simpson, J. A., 1983, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci.
33, 323.
[3] Matthiä, D. et al., 2013, Adv. Sp. Res. 51, 329.
[4] OʼNeill, P. M. and Foster, C. C., 2013, Tech.

10,155.