陳和勝 |中国核破砕中性子源

ノーベル物理学賞と化学賞の約半数は、大規模な科学施設に関連しています。

あるいは提案された新しいアイデアが大規模な科学施設で検証され、

あるいは、大規模な科学施設が最先端の研究方法を提供している場合、

大きな科学的進歩が発見されたり、新しい技術的発明がなされたりしました。

中国科学院院士、核破砕中性子源プロジェクト総司令官、陳和生氏

ベイエリアでの科学的議論 | 2019年5月19日 広州

▲ 中国核破砕中性子源

これは、広東省東莞市大朗にある中国破砕中性子源です。約400エーカーの面積をカバーし、典型的な大規模科学施設です。その前には虎門と恵州を結ぶ珠江デルタ環状高速道路G94-9411の支線がある。

なぜ核破砕中性子源を構築するのでしょうか?なぜ広東省東莞を選んだのでしょうか?私たちの建設の結果はどうですか?予備的な実験結果は何ですか?

▲ 20世紀：物理学の世紀

20 世紀の物理学は、原子物理学から核物理学、そして素粒子物理学へと、3 つの大きな飛躍を経験しました。 100 年以上前に、原子は原子核と電子で構成されていることが発見されました。その後、原子核は陽子と中性子で構成されていることが発見されました。 1960 年代以降、原子核を構成する陽子と中性子はクォークで構成されていることが徐々に発見されてきました。

20 世紀における物理学の 3 つの飛躍は、驚異的な研究成果を達成し、膨大な生産性に変換されたと言えます。例えば、今日広く利用されている原子力、半導体、レーザー、コンピューター、GPS などは、すべて過去 1 世紀の物理学の進歩と切り離せないものです。

同時に、これらの技術は社会や政治に大きな影響を与えてきました。一方で、核兵器は常に非常に深刻な国際政治問題となってきました。一方、今日私たちが広く利用しているインターネットも、前世紀の物理学における物質構造の研究中に発明されました。

物理学におけるこの 3 つの飛躍は、物理学の発展に貢献しただけでなく、シンクロトロン放射源や核破砕中性子源などの大規模な科学施設を含む高度な研究方法も生み出しました。

国家の総合力の象徴

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物質の構造の研究が原子核や粒子のレベルまで深まるにつれて、より小さなスケールを研究するためにはより高いエネルギーを持つ粒子が必要となり、大規模な科学施設の利用が必要になります。

中国の大規模科学施設の建設は北京電子陽電子衝突型加速器から始まった。これは1980年代半ばに鄧小平同志が下した重要な決断でした。同氏は「中国のハイテク技術を世界の中で地位を占めさせるために、我々は電子陽電子衝突型加速器を建設している」と述べた。小平同志の戦略目標は徐々に実現されつつあると言えるだろう。

大規模な科学施設には2つの種類があります。 1つは、素粒子物理学や原子核物理学専用の加速器、核融合装置、貴州省の「スカイアイ」などの大型天体望遠鏡です。もう一つのタイプは、シンクロトロン放射施設、核破砕中性子源、自由電子レーザーなどです。

大規模な科学施設は「主要科学インフラ」や「大規模科学プロジェクト」と呼ばれます。彼らは国家の科学技術革新システムの重要な単位の一つとなり、国の総合力の象徴となっている。

過去数十年にわたり、大規模な科学施設に基づく研究により、大きな科学的進歩が達成されてきました。大型施設の建設、運営、研究により多くの重大な科学技術革新が生まれ、ハイテクの発展を強力に推進してきました。

統計によると、ノーベル物理学賞と化学賞の約半数は大規模な科学施設に関連しています。提案された新しいアイデアが大規模な科学施設で検証されるか、大規模な科学施設が最先端の研究方法を提供して、大きな科学的進歩や新しい技術的発明につながります。

なぜ核破砕中性子源を構築するのですか?

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▲ 1994年ノーベル物理学賞

中性子散乱は物質を調べるための超顕微鏡です。この革新的なアイデアは、カナダのブロックハウス氏と米国のシャー氏によって最初に提案されました。ブロックハウスは中性子散乱によって原子、分子、それらのクラスターの位置を検出できると提唱したが、シャーは位置だけでなく動きも検出できると信じていた。それで彼らは1994年にノーベル物理学賞を受賞しました。

物質の構造を研究するために中性子散乱を使用するのはなぜですか?現在、物質構造を研究する手段は主にシンクロトロン放射源と核破砕中性子源です。

シンクロトロン放射は原子核の外側の電子の分布を検出するために使用され、中性子散乱はサンプルの原子核で散乱された後の中性子の方向とエネルギー分布を測定することができます。物質の磁性、原子核の位置、大型の工学サンプルを検出することができます。優れた透過力により、物質内の動的なプロセスも検出できます。

シンクロトロン放射源と比較すると、核破砕中性子源は高価で、技術的に複雑で、検出が難しく、実験の難易度も高い。そのため、世界には核破砕中性子源は 4 つしかありませんが、シンクロトロン放射源は約 60 個あります。しかし、最先端科学における多くの重要な問題や、国民経済と国家安全保障の持続的発展におけるボトルネックとなる問題は、核破砕中性子源を使用することによってのみ解決できます。

中性子はどこから来るのでしょうか?一つの方法は原子炉です。四川省綿陽市と北京の原子能研究所に原子炉がある。それらは連鎖反応によって生成されます。世界に約30個あります。

もう一つのアプローチは、核破砕中性子源です。粒子を使用して重金属のターゲットを攻撃します。核燃料を使用せず、核装置ではないため、安全要件は非常に低くなります。現在、世界中で原子炉を建設する場所を見つけることは困難であるため、中性子研究は多くの利点を持つ核破砕中性子源へと徐々に移行しつつあります。

核破砕中性子源はどのように機能するのでしょうか?高エネルギー陽子をターゲットに当て、その結果生じた中性子をサンプルに当てて検出します。

中性子の役割はどのような面で現れるのでしょうか? 1つ目は磁気モーメントを持っているので、磁性の構造を研究できるということです。コンピュータのストレージは磁性材料で作られており、超伝導は磁性と密接な関係があるため、磁性材料の研究において非常に重要な技術です。

2 つ目は、軽元素と同位体を区別する能力です。ご覧のとおり、中性子とさまざまな原子核との反応断面積は、原子核の電荷の2乗に比例するシンクロトロン放射とは異なり、大きく変化するため、軽元素に対して敏感ではありません。

例えば、酵素タンパク質分子を溶解する場合、シンクロトロン放射では炭素、酸素、窒素は見えませんが、核破砕中性子源を使用すると水素原子まで見え、得られるものははるかに豊富になります。同様の高温超伝導体やその他さまざまな構造には、破砕中性子源が必要です。

例えば、メタンハイドレートはクリーンかつ持続可能な開発をもたらすエネルギーの一種であり、誰もが非常に関心を持っています。しかし、メタンハイドレートの特性を理解する必要があります。特性を理解せずに採掘すると、自然災害を引き起こす可能性があります。

そのため、メタンハイドレートが存在する高圧環境をシミュレーションし、詳細な研究を行う必要があります。高圧環境をシミュレートするには、中性子だけが通過できる非常に厚い容器が必要です。さらに、中性子散乱は炭素元素や水素元素の研究にも有効であるため、メタンハイドレートの内部微細構造を研究するには、破砕中性子源は必要不可欠な手段となります。

毛和光院士は10年以上前に米国ロスアラモス国立研究所でメタンハイドレートの研究を行っており、これは私たちの応用にとって非常に重要です。

3 番目で非常に重要な点は、大型の工学試験片の残留応力をその場で直接研究できることです。 in situ とはどういう意味ですか?非常に小さなサンプルを研究するために一般的な実験装置が使用されますが、これですべての問題を解決できるわけではありません。多くの問題では、大規模なエンジニアリングサンプルの研究が必要になります。

例えば、20年前、ドイツの高速鉄道で重大な事故が発生し、100人以上が死亡しました。結局、事故の原因は車輪の金属疲労であったことが判明した。金属疲労の法則を見つけるにはどうすればよいでしょうか?解決策は、さまざまな動作条件下でのホイールの特性を測定することです。つまり、ホイールが最初に製造されたとき、18,400 キロメートル走行した後、および 60,000 キロメートル走行した後で、金属疲労状態を調査し、操作とメンテナンスの科学的なルールを取得します。

▲ 英国スパレーション中性子源：A380の主翼溶接とリベット接合時の温度と応力分布をその場で測定し、プロセスを最適化する

もう一つの非常に興味深い例は、英国の核破砕中性子源です。エアバス A380 の翼の溶接とリベット留め。溶接とリベットの工程は非常に複雑です。たとえば、リベットが軽すぎると、適切にリベット留めされない可能性があります。リベットが重すぎると、将来的にリベット部分が簡単に壊れる可能性があります。溶接の場合も同様です。エアバスは、A380の翼の一部を英国のスパレーション中性子源に置き、温度と応力の変化を測定しながらリベット留めして溶接し、最良のプロセスを導き出した。

そして日本には、非常に興味深いことを行っている核破砕中性子源があります。電気自動車の鍵はバッテリーにあります。バッテリー容量を大きくし、充電を速くし、安全性を高めるにはどうすればよいでしょうか?一方で、より優れた材料を見つける必要がありますが、さらに重要なのは、バッテリーの製造方法を研究し、バッテリーのマクロ的な性能の変化と内部のミクロな材料の性能の変化との関係を調べることです。

バッテリー全体を核破砕中性子源内に配置し、何百回も充電と放電を行うことで、性能の変化、内部の粒子の移動、電極の特性を確認することができます。日本はこの方式を採用し、1キログラムあたり400キロワット時のバッテリー容量を実現した。

さらに、充電・放電の過程での可燃性ガスの発生や爆発など、バッテリーの安全性については誰もが非常に心配しています。このガスは中性子によってのみ検出でき、破砕中性子源を使用して、どのような状況でガスが出現するかを研究することができます。

課題を克服してイノベーションを実現する

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これは中国の核破砕中性子源であり、80MeV（MeV、エネルギー単位、百​​万電子ボルト）線形加速器、1.6GeV高速サイクルシンクロトロン加速器、ターゲットステーション、および3つの中性子散乱分光計で構成されています。中国科学院と広東省政府が共同で建設した。法人名は中国科学院高エネルギー物理研究所です。総投資額は18.6億元で、2018年3月に完成した。

▲ 核破砕反応と中性子散乱原理

生成された中性子はサンプルに衝突し、コンポーネントに照射され、それを検出します。これが核破砕と中性子散乱の原理です。

アイデアの提案から大規模な科学施設の完成までの期間は非常に長いです。私たちはすでに 1990 年代後半に、核破砕中性子源のアイデアを構想していました。 2000年に、私たちは国家科学教育指導グループに「中国の高エネルギー物理学と先進加速器開発目標」に関する報告書を提出し、核破砕中性子源の建設を提案しました。完成したのは18年後の昨年のことでした。

なぜ核破砕中性子源は東莞にあるのですか?

2000年、当時中国科学院院長であった陸永祥氏は、あるアイデアを提唱した。彼は、中国科学院の基礎研究と応用基礎研究の強力な実力と、広東省の強力な経済力、科学技術革新と産業需要の向上に対する切実なニーズを結び付け、珠江デルタに中国科学院の「第3の高地」を築きたいと願っている。

核破砕中性子源のアイデアは2000年に考案され、2004年に国家科学教育指導グループによって承認されました。しかし、北京では場所を見つけることができませんでした。 2006年2月、私は広州で省発展改革委員会が主催した会議に出席し、発展改革委員会の指導者らと核破砕中性子源の建設地探しについて話し合いました。

張徳江書記と陸永祥総統は、核破砕中性子源を広東省に設置することを決定した。これは先見性のある戦略的展開であり、現在では広東・香港・マカオ大湾区の科学技術イノベーションセンターを支える中核的な大規模科学施設となっている。

2006年5月、省発展改革委員会は珠海、羅港、松山湖への視察ツアーを企画しました。松山湖が最も適しており、東莞は最も強力なサポートを提供します。 13年前にこのような先見の明があったのは極めて稀なことだ。

米国は核破砕中性子源に14億ドル、日本は核破砕中性子源に18億ドル、中国は核破砕中性子源に18億人民元を費やした。この核破砕中性子源には一連の革新的なアイデアが盛り込まれています。主な性能は英国の核破砕中性子源を上回り、装置の局在化率は90％を超えています。

建設の過程で、私たちは多くの困難を克服しました。最大の難しさの一つは、私たちが建設した線形加速器トンネルが地下19メートルに位置していたことです。完成後最初の雨季に水漏れが始まりました。それは建設部隊が手抜きをしたからではなく、上海光源の建設経験を誤って参照したためである。

上海光源社の専門家はこう語った。「トンネルのコンクリート壁の厚さは1メートルなので、必要なセメントの量は少なくて済みます。」上海光源社はコンクリート1立方メートルあたり150キログラムのセメントを使用していましたが、当社は180キログラムを使用しました。しかし、状況は異なります。私たちは地下19メートルにいます。南部の地下水は非常に豊富なので、最初の雨季には深刻な浸水問題が発生しました。

結局、防水のために直線トンネルの外側に別のトンネルを追加する必要があり、プロジェクトは 1 年半遅れました。 1年半の遅れを取り戻し、期限通りに完了するために、並行して作業を行うアプローチを採用しました。まず、地下に設置する必要のある機器を地上に設置してデバッグし、トンネルの補修後に解体して地下に設置しました。仕事量は膨大でした。

ターゲットステーション分光計ホール、線形加速器設備棟、高速サイクルシンクロトロン加速器です。

円形加速器の200メートルの直線トンネルと240メートルのリングトンネルです。

対象ステーションのコア設置装置です。ご覧のとおり、段階的にインストールされます。

▲ 25Hz ACマグネット

私たちは多くの革新を起こし、多くの課題を克服してきました。たとえば、磁石を流れる電流はキロアンペア、周波数は 25 Hz に達します。年配の同志は、昔使っていた蛍光灯の安定器がいつも音を立てていたことを覚えているかもしれません。なぜ？それは50Hzの交流電流のためです。同様に、ここで約 1,000 アンペアの電流が流れると、非常に深刻な振動亀裂や渦電流加熱が発生します。私たちはこの問題を克服するために多大な努力をしてきました。

▲ドリフトチューブ線形加速器

ドリフトチューブ線形加速器もあり、これには 156 本のドリフトチューブがあり、それぞれが異なり、設置誤差は 30 ミクロンを超えないことが求められ、非常に正確です。

▲ターゲットの製造業は「海外進出」

もう一つはコアターゲットです。当社は革新的なタングステンタンタルコーティング技術とプロセスを有しており、国際的にトップレベルに達しています。ターゲットインサートの製造元は北京安泰社です。私たちは非常に重要なターゲットの開発に成功しました。これにより、欧州核破砕中性子源のターゲットの入札も成功裏に勝ち取ることができました。

▲ 分光計の構造

これらは、多機能反射分光計、小角分光計、汎用粉末回折分光計を含む、第 1 フェーズで所有する 3 つの分光計です。

▲ 中国核破砕中性子源の鳥瞰図（2017年8月）

2017年8月にドローンで撮影した航空写真で、一切加工していません。

海外の雑誌に記事を投稿する際にはこの写真を使いました。彼らはいつも私たちが合成されたものだと考えていますが、実際には何も変更されていません。本当に完璧に造られています。

中国の核破砕中性子源はさまざまな分野で活躍

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▲最初の標的射撃は成功し、中性子ビームは事前に得られた

2017年8月に初のターゲットシューティングに成功し、キーを押すだけで美しい中性子ビームが得られました。その年の7月に、私は英国の核破砕中性子源を訪問しました。ボタンを押す前に、イギリス人監督は私に、最初に標的を撃つときはボタンを押しても何も当たらないかもしれないので、精神的に十分に準備しておかなければならないと何度も注意した。中性子ビームがどこに行ったのかは10日以上もわからなかったと彼は語った。しかし、私たちの設計は合理的で、機器の設置とデバッグの品質も高かったので、キーを押すとすぐにビームが得られました。

上記が要求された受入指標であり、以下が実際に達成した指標です。達成されたパワーが受け入れ指標の 2 倍以上であることがわかります。全ての合格指標を達成し、無事に国内合格を果たしました。

国家検収委員会の報告書では、設計は科学的かつ合理的であり、設備の品質は優れており、国際先進レベルに達していると評価されています。自主革新と統合革新を通じて、大電流陽子加速器と中性子散乱の分野で一連の重大な技術的成果が達成され、これらの分野における我が国の革新能力が大幅に向上し、大きな飛躍を遂げました。

現在、我が国は、英国核破砕中性子源、米国核破砕中性子源、日本核破砕中性子源に続き、世界で4番目に核破砕中性子源を有する国となりました。

中国の核破砕中性子源は安定的かつ効率的な運用を実現した。当社の出力は設計値の半分の50キロワットに達し、ビーム電流供給効率は94％を超えています。

採択後、2ヶ月目にユーザーの記事が公開されました。 American Spallation Neutron Source は最初の 2 年間は論文を一切発表しなかったため、多くの批判を浴びました。結果は非常に早く出ました。

現在、香港とイギリスの3つの機関を含む50以上のユニットが実験を実施し、8つの論文を発表し、多くの分野で実験研究を行っています。

これは、極めて幅広い用途を持つ超伝導体を研究した結果です。

もう一つは「超鋼」の研究です。香港大学の黄明鑫氏のチームが世界最強の鋼を開発した。彼らは粉末回折計を使用して鋼鉄の特性を分析し、鋼鉄の破壊特性、靭性、腐食特性を改善するための重要なデータを提供しました。スーパースチールは幅広い用途に使用されています。例えば、自動車の重量が 10% 減ると、燃料を 6%～8% 節約できるため、これは非常に重要な分野です。

さらに、北京航空航天大学と上海交通大学は、F-22の着陸装置に使用できる新しいタイプの合金の研究を行っている。彼らは、核破砕中性子源を使用して、これに関する多くの研究を行ってきました。

香港城市大学ではこれを利用して、ガラスと金属の両方の利点を兼ね備えた素材である金属ガラスの研究を行っています。

将来的には、既存の 3 つの分光計だけを使用するだけでは不十分になります。当社は珠江デルタ地域の科学研究機関や大学と協力してユーザー用分光計を構築しており、広東省科学技術庁も分光計2台を寄贈しています。多くの材料残留応力と金属疲労の問題があるため、その問題の唯一の解決策は、破砕中性子源を使用することです。

私たちは国家発展改革委員会に、分光計をさらに建設し、その出力を 500 キロワットに増やすプロジェクトの第 2 フェーズを申請しています。これは現在、科学アカデミーの第14次5カ年計画における第一のプロジェクトであり、今年末までに開始される可能性もあります。

もう一つは南側の光源を作る計画です。広東省・香港・マカオ大湾区の政府はシンクロトロン放射源の設置に熱心であるため、核破砕中性子源と先進光源の組み合わせは、大規模な科学プラットフォームに最適です。

▲ 南光源建設計画

私たちは、核破砕中性子源の西側に 600 エーカーの土地を確保しました。この写真は、広東・香港・マカオ大湾区建設に大きな役割を果たすことになる南方先進光源の概念図です。

中国核破砕中性子源は、国家経済社会発展のための第12次5カ年計画のプロジェクトです。これは我が国でこれまでに建設された最大の単一科学研究施設であり、「国の宝」です。これは、我が国の材料科学、基礎物理学、化学・化学工学、生命科学、資源・環境などの分野に強力な研究手段を提供し、国家戦略上のボトルネック問題を解決するための先進的なプラットフォームを提供します。

さまざまな困難を乗り越え、工事を予定通りに完了しました。中国核破砕中性子源（CSNS）は、広東省・香港・マカオ大湾区における中核的な大規模科学施設となっています。誰でも、破砕中性子源を見学できます。

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記事とスピーチは著者の見解のみを表しており、格智倫道フォーラムの立場を表すものではありません。

以前は「SELF Gezhi Lundao」として知られていたこのフォーラムは、中国科学院が立ち上げ、中国科学院コンピュータネットワーク情報センターと中国科学院科学コミュニケーション局が共催し、中国科学普及博覧会が主催する科学文化フォーラムです。私たちは、国境を越えて優れたアイデアを発信することに力を注ぎ、「物事を探求し、知識を求める」という精神で、科学技術、教育、生活、未来の発展を探求することを目指しています。 Gezhi Lundao の公式ウェブサイト: self.org.cn、WeChat パブリックアカウント: SELFtalks、Weibo: Gezhi Lundao Forum のフォローを歓迎します。