原子力におけるホウ素の役割
原子力を知りたい
ホウ素が原子炉の制御材として使われる理由を教えてください。
原子力マニア
ホウ素の同位体であるホウ素-10には、熱中性子に対する吸収断面積が大きいという特徴があります。
原子力を知りたい
それが制御材として使える理由ですよね？
原子力マニア
はい。大きな吸収断面積により、ホウ素-10は原子炉内の熱中性子を効果的に吸収して、反応度を制御することができます。
ホウ素とは。
原子力の世界で使われる「ホウ素」とは、元素記号「B」で知られる原子番号5の元素です。別名「ボロン」とも呼ばれています。
天然のホウ素には、質量数10と11の同位体が含まれており、質量数10のホウ素（B-10）が約20％を占めます。このB-10は熱中性子の吸収断面積が非常に大きく、原子炉の反応度を制御するために кадмийやハフニウムと同様に利用されています。
さらに、B-10では「B-10（nα）反応」が発生します。この反応ではα線が発生し、BF3放射線計数管（BF3チェンバー）の動作に利用されています。
医療の分野では、ホウ素化合物を脳腫瘍などの病巣に注射し、原子炉から放出される熱中性子を照射します。これにより、病巣内のB-10で「B-10（nα）核反応」が発生し、α線が放出されます。このα線を病巣に照射することで、腫瘍を破壊して治療する「ホウ素中性子捕捉療法（BNCT）」が行われています。
原子番号と記号
原子力におけるホウ素の役割を理解するためには、まずはその基本的な性質を知ることが重要です。ホウ素の原子番号は5であり、元素記号はBです。原子番号とは、原子の核に含まれる陽子の数を表し、元素を特定する上で重要な情報となります。
天然ホウ素の同位体
天然ホウ素の同位体
原子番号5の化学元素であるホウ素は、わずかに放射性のあるホウ素10と安定なホウ素11の2つの天然同位体で構成されています。ホウ素10は、宇宙線によって窒素14が核分裂を起こして生成されます。一方、ホウ素11は、ビッグバン直後に形成された元素の一つです。これら2つの同位体は化学的性質は同じですが、質量と放射性において異なります。ホウ素10は半減期が1925年で、ベータ線を放出して安定なベリリウム10に崩壊します。ホウ素11は安定同位体で、放射線を放出しません。
B-10の反応度制御材としての利用
–B-10の反応度制御材としての利用–
原子炉の反応度を制御することは、安定した安全な運転のために不可欠です。B-10は、原子炉で使用される重要な反応度制御材です。それ自体が吸収体ではなく、中性子と反応して強力な吸収体であるリチウム7を発生させるため、他の吸収体よりも「間接的」な方法で反応度を制御します。
B-10は原子炉の制御棒や溶解ポイズンとして使用できます。制御棒は挿入または引き抜きによって反応度を迅速かつ簡単に調整することができます。溶解ポイズンは原子炉の冷却水に加えられ、B-10を放出して反応度を長期間にわたって抑制します。これにより、原子炉の急激な出力増加を防止し、安全な運転を確保できます。
BF3放射線計数管
-BF3放射線計数管-
BF3放射線計数管は、中性子放射線を検出するために使用される特殊なタイプの放射線計数管です。この管は、ホウ素10（10B）と同位体を充填した気体（通常はBF3）で満たされています。10Bは、熱中性子と反応してα粒子とリチウム7（7Li）を放出します。
この反応は非常に高い断面積を持ち、したがってBF3放射線計数管は中性子検出に非常に効率的です。α粒子は、管内の電極間に電界を発生させ、計数器で検出可能な電流パルスを生成します。また、BF3放射線計数管は、他の種類の放射線に対して比較的鈍感であるため、中性子放射線の選択的な検出に適しています。
ホウ素中性子捕捉療法（BNCT）
-ホウ素中性子捕捉療法（BNCT）-
原子力分野において、ホウ素はホウ素中性子捕捉療法（BNCT）として知られる医療技術において重要な役割を果たしています。BNCTは、一部のがんを治療するために行われる放射線治療の一種です。この治療法では、がん細胞にホウ素化合物を注入し、続いて中性子を照射します。
中性子がホウ素原子に捕捉されると、高エネルギーのアルファ線とリチウムイオンが放出されます。これらの粒子は非常に短距離しか移動せず、周囲の細胞にのみ損傷を与えます。このため、BNCTはがん細胞を標的にすることに優れていますが、正常細胞の損傷を最小限に抑えることができます。