核変換損傷とは？〜照射損傷の仕組みを解説〜
原子力を知りたい
核変換損傷とは何ですか？
原子力マニア
核変換損傷は、中性子と構成原子の衝突によって発生する、原子核の核反応による損傷です。
原子力を知りたい
核変換損傷によって生じる原子はどのようなものですか？
原子力マニア
核変換損傷によって生じる原子は、水素、ヘリウム、異種原子などです。
核変換損傷とは。
原子力では、「核変換損傷」という用語があります。照射損傷（放射線損傷）は、はね出し損傷と核変換損傷に大きく分けられます。
核変換損傷とは、物質を構成する原子と高エネルギー中性子が衝突することで、中性子と構成原子との非弾性散乱や核反応が起こり、その結果、水素やヘリウムなどのガス原子や別の種類の原子による損傷が発生することです。つまり、原子核と（n、γ）、（n、α）、（n、p）などの核反応によって引き起こされる損傷です。
（n、γ）反応では、生成されたγ線によって格子欠陥ができますが、金属材料の場合、その影響はそれほど大きくありません。しかし、この反応は原子核を放射化させる主な原因となります。
（n、α）、（n、p）反応では、それぞれヘリウム原子や水素原子を生成し、それらはやがて物質内に集まって残り、物質の機械的性質に影響を及ぼします。これらの反応断面積は中性子エネルギーに大きく依存しています。たとえば、ヘリウムを生成する反応断面積は、中性子エネルギーが約5MeVを超えると急激に増加します。他の核反応（例：n、2n）の反応断面積も同様の傾向を示します。
核変換損傷の定義
核変換損傷とは、原子炉内で中性子が金属原子核に衝突することによって生じる損傷のことです。原子核が中性子を取り込むと、安定した同位体から不安定な同位体に変化します。この不安定な同位体は、ベータ崩壊やガンマ崩壊などの放射性崩壊を経て安定な状態に戻ろうとします。この崩壊に伴って発生するエネルギーや粒子が材料を損傷し、脆化や膨張などの問題を引き起こします。
中性子による非弾性散乱と核反応
中性子による非弾性散乱と核反応において、中性子は原子核に衝突してエネルギーの一部を原子核に伝えます。このエネルギーは原子核内の核子、主に陽子と中性子を励起させます。励起された核子は、原子核から放出されて核変換損傷を引き起こします。
また、中性子が原子核に吸収されると、核反応と呼ばれる現象が発生します。この反応では、中性子と原子核が融合して新しい原子核と別の粒子、主にアルファ線やガンマ線を放出します。放出された粒子は周囲の原子と衝突して、さらなる損傷を引き起こします。
水素やヘリウムなどガス原子の生成
水素やヘリウムなどガス原子の生成
中性子照射により発生する照射損傷の一つに、水素やヘリウムなどのガス原子の生成があります。金属中の原子核と中性子が反応すると、一部の原子核が水素やヘリウムの原子核に変換されます。これらのガス原子は、金属の結晶格子の間隙や欠陥にたまり、泡や割れ目を形成する可能性があります。この泡や割れ目は、金属の機械的特性を低下させ、材料の信頼性を損なう原因となります。
原子核との核反応による損傷
原子核との核反応による損傷は、照射によって生じる別の種類の損傷です。照射粒子が原子核と相互作用すると、核反応を引き起こし、新しい原子核や粒子が生成されます。それらの粒子の中には、原子構造を変えたり、破壊したりするエネルギーを持っている場合があります。
例えば、中性子照射によって、原子核から中性子が弾き出されて、同位体が生成されます。この同位体は、元の原子核とは異なる崩壊特性を持つため、材料の安定性に影響を与える可能性があります。また、核反応によって、核分裂や、アルファ粒子やガンマ線などの二次粒子が放出されることもあり、周囲の原子にも損傷を与える場合があります。
反応断面積の中性子エネルギー依存性
反応断面積の中性子エネルギー依存性は、中性子照射における損傷生成の重要な要素です。特定の材料における特定の原子核反応は、中性子エネルギーによって異なる反応断面積を持ちます。この断面積は、中性子が原子核と相互作用して反応を起こす確率を表します。
低エネルギー中性子では、反応断面積は一般的に大きく、大量の損傷が発生します。これは、このエネルギー範囲では中性子が原子核とより容易に相互作用するためです。しかし、中性子エネルギーが増加すると、反応断面積は減少します。この理由は、より高エネルギーの中性子は原子核を通過する傾向があり、相互作用する確率が低くなるためです。
このエネルギー依存性は、照射損傷の全体的な程度を決定します。低エネルギー中性子照射では、反応断面積が高いため、高エネルギー中性子照射よりも大幅に損傷が大きくなります。このエネルギー依存性を考慮することは、材料の照射損傷に対する耐性を最適化するために不可欠です。