同位体地球科学～ 同位体トレーサーで探る物質循環と環境生物研究～

NIFSにおけるトリチウム環境研究(監視業務)• 施設影響監視のための測定(1982年～)• 当初: 核反応プラズマ研究計画(R計画)のための環境測定• 現在: LHD重水素実験のための環境測定• これから: 何のための環境測定??

ローカルからグローバルへ• LHD重水素実験の完遂• 重水素核融合反応によるトリチウムの生成はなくなる• ローカルな核融合施設影響監視の必要性が低下• 測定手法の確立、測定技術を有する技術者を育成• これまでのトリチウム環境監視結果は、東濃地区の環境データベースとして利用できる測定技術の活用
対象空間を拡張• 研究対象のグローバル化• 地球環境における物質循環・影響研究への取り組み• 広域な観測対象、ネットワークの構築• 例えば、極東にあり南北に長い島国: 日本における広域観測(緯度効果、大陸-海洋-大気が関連する特徴的な研究フィールド)シングルからマルチへ• 核融合研究のためのトリチウム測定• 核融合研究で使用される、もしくは生成されるトリチウムを対象とした環境測定• トリチウムという一種(シングル)だけが対象であり、これだけで環境での物質移動・影響を評価することは難しい
研究の視点
対象を拡張

• さまざまな同位体を利用する同位体地球科学研究へ• よく知られた挙動・特徴を有する同位体(安定/放射性)をトレーサーとして利用し、観測対象を多種(マルチ)に拡張する。
• さまざまな分析技術を有する共同研究者との協働作業• 広域で多様な共同研究ネットワークを活用した同位体地球科学研究への展開を試みる。

研究目的・目標• 同位体は、よく研究され、広く知られた特性・特徴を有する• 元素の物理化学的特性や安定同位体比などは普遍である• 相変化や化学反応などで(動的)同位体効果があり、自然界の安定同位体比は地球の情報(起源・時間・状態)を記録する媒体である。

• 放射性同位元素は、原子力施設からの放出や自然界での生成条件(起源)に影響を受けて増加し、一方で半減期にしたがって壊変(時間)し減少する。
=> 同位体は、地球の時空間情報を記録し、物質移動を議論する道具になる• 同位体をトレーサーとして利用し、数年間を対象とした環境変動の観測から、地球環境における水素同位体の移動現象と環境生物影響の解明を目指す。
• 水素元素は地球環境の至る所(地表だけでなく地球内部にも、地球外にも)に存在しているので、自然界で直接的、間接的に重要な役割をしていると考えられる。

• 大気圏-水圏-生物圏における水素同位体の移動、滞留(結合)、酸化還元反応、化学形態の転換を通じた複合・複雑環境、生物影響の解明を対象とする。
• 大気組成の測定や元素の安定同位体比、長距離移動を伴う同位体、試料水中イオン種などを分析し物質循環過程を考察する。

• 生体との親和性が高い気体(H2O, O2, CO2)、水(H2O)や有機物(C, H, O, N, P, S)も対象とし、環境から植生(有機物)、生体への移動過程研究や、放射性同位元素や放射線による生物影響研究を対象とした共同研究の推進。

同位体地球科学構想図

太陽活動など(宇宙線量の変動)

安定同位体の流れ(H, C, N, O, etc)
放射性同位元素の流れ(天然核種、人工核種)宇宙線生成核種(宇宙線起源核種)

トリチウムの大気放出(人工核種)

長距離輸送

降雨・降雪・降下

H, D, T
大気・水循環

大気組成変動フォールアウト(人工核種)

呼気(吸収)

蒸発散

光合成(有機物生成)
核融合施設

トリチウム海洋/河川放出(人工核種)

人体への取り込み(生物影響)

蒸発根幹吸収河川流入

原始放射性核種

蒸発(地球起源放射性核種)

降水

海洋

蒸発降水
(降下)

地下水流入

安定・放射性同位元素をトレーサーとして利用し、微量元素の同位体分析から環境中の水素同位体の物質循環、生物影響を明らかにする

NIFSで出来ること、出来ないこと• 共同研究ネットワークを活用した環境生物研究• 大局的な環境研究には、空間的な広がりをもつ研究ネットワークが必要である。
(例えば、一般共同研究: ネットワーク型を中心とした活動)• 環境での同位体挙動だけでなく、生物に対する同位体の相互作用(影響評価)も取り入れた研究ネットワークとする。
• シミュレーション/データ解析技術を活用した物質移動過程・影響評価• 地球環境での動的な物質移動、生成消滅過程、生物影響の理解• 測定技術から見たNIFSの強みと弱み• 強み: 天然レベルの放射性物質が測定できること• 重水素実験のために整備された放射能測定機器(ゲルマニウム半導体検出器、液体シンチレーション計数装置、etc)を用いると、天然レベルの放射性物質が測定できる。
• 環境監視技術(フィールド調査技術: 土壌水採取、雨水採取、水盤、エアロゾル採取、能動/受動的大気捕集装置や、前処理技術: 蒸留装置、電解濃縮装置、マイクロ波による植生燃焼装置)を確立し、測定技能を有する技官や環境放射能データベースを有すること。

• 弱み: 微量の安定同位体が測定できないこと• 例えば、安定同位体比分析機器(IRMS (Isotope Ratio Mass Spectrometry)、ICP-MS、AMS)や、分光分析機器(CRDS, etc)を所有していない。

共同研究を通じた測定・観測ネットワークの確立、所内での測定機器開発

微量の水素同位体分析技術の開発提案• レーザー吸収分光法による同位体組成の測定• 赤外吸収分光法で大気組成分析は可能、同位体弁別も比較的容易である。しかし、天然同位体比の測定は困難である。

• NIFSが有するレーザー技術を活用して、持ち運び可能な小型分析機器が開発できないか?
• 多点測定や極限環境での測定が可能になり、社会にインパクトを与える。

• 加速器質量分析計を用いた同位体比の測定• LHDで使用している6MV-HIBPを改造し、加速器質量分析計(AMS)として活用できないか?
• 少量試料で測定ができれば、環境トリチウム研究に変革をもたらす可能性がある。

学術研究プラットホームとしてのAMS整備の提案
データの相互比較(信頼性評価)名古屋大学
宇宙地球環境研究所

JAEA
東濃地科学センター

14C

10Be, 14C, 26Al, 129I

(加速電圧: 2.5 MV, 電流: 20～30μA)(加速電圧: 5 MV , 電流: ～1μA)

相補的な
位置づけ

NIFS
6 MV-HIBP改造によるAMS利用の提案
1H, 2H, 3H(3He), 14C

整備の目的:

多様な学術分野の広がりを念頭に、 6 MV-HIBPの改造による微量元素分析用加速器を整備性能目標: かなり高い目標ですが・・・
少量試料(mgオーダー)で環境レベルのトリチウム(1 TU=10-18 T/H, 0.12 Bq/L)を測定できること。
(トリチウムAMS@LLNL: ～103 TU/mg-sample [汚染がなければ: ～70 TU])。
レーザー計測とAMSで拓く
研究開発課題: NIFSが有する核融合技術を活用開発できれば環境水循環研究の新展開が可能かもしれない•

分析に適当な負イオン源開発(含む、試料調製法) <= NBIやHIBPの技術?

•

質量分離のための電磁石/ビームライン設計開発 <= 超伝導(常電導)マグネット技術?

•

AMSのための高感度粒子検出器開発, etc <= プラズマ診断技術?

同位体地球科学の学術分野、応用研究、共同(協働)研究

同位体地球科学環境科学分野:宇宙/太陽圏: 宇宙線物理学
大気圏/水圏/生物圏: 大気科学、水文学
気象学: 地球温暖化/気候変動
古気象/古生物学
シミュレーション科学分野:
大気・水・生物間の物質循環
成層圏・対流圏の物質移動
放射線生物学

生物科学分野東北大(IRIDeS), 茨大, 理研,NIPH, 国際医福大, 女栄大,広大(原医研/工), 産医大(RIC), etc

医薬/生命科学分野:
低線量率(低濃度)影響研究
化学形と生物影響の関連性
環境から生体への移行モデル
応用研究(創薬応用, etc)

量子エネルギー分野:
原子力科学
核融合科学
加速器科学

分析科学分野:高精度・高感度測定法開発
試料採取手法の開発
回収、精製、分離技術
放射性物質の安全取扱技術

環境科学分野

同位体回収・生成・分離

北科大, 弘大, IES, 福島大(IER),
JAEA, 名大(ISEE), 藤田医科大, 京大(KURNS), 神薬大, 九大(RIC),
九環協, 琉大, etc

富山大(HRC), 名大(ISL),
九大(I2CNER), 長岡技科大,弓削商船, etc
(赤字はトリチウム取扱施設)