2 月の事故により、国立標準技術研究所 (NIST) の小型原子炉が停止し、米国は、少なくとも一時的に、中性子ビームを使って材料を研究する能力のほぼ半分を失った。この事故では、メリーランド州ゲイザーズバーグにある NIST 中性子研究センター (NCNR) の 52 年前の原子炉の燃料棒が過熱して部分的に溶融し、少量の放射線が放出されました。 NIST によると、公衆が危険にさらされることは決してありませんでした。しかし、原子炉は早くても 2022 年 4 月まで再起動されないため、何千人ものユーザーが別の場所でビームタイムを見つけようと奮闘しています。
「原子炉を完全に再起動するつもりです」と、NCNR のディレクターである Robert Dimeo は言います。 「安全であると確信できる場合にのみ、それを行うつもりです。」
その間、シャットダウンは「大きな問題です」と、カリフォルニア大学バークレー校 (UC) の凝縮物質物理学者である Robert Birgeneau は言います。彼のチームは中性子源を使用してエキゾチックな鉄ベースの超伝導体を研究しています。ケース・ウェスタン・リザーブ大学の高分子物理学者であるマイケル・ホア氏は、この閉鎖により、彼のプロジェクトの 1 つが 1 年か 2 年遅れるだろうと述べています。 「他の場所に行けるわけではありません」と彼は言います。 「非常に多くの楽器しかなく、すべてオーバーサブスクライブされています。」
原子核が分裂するときに放出される中性子は、X 線ではできない方法で物質を調べることができます。 X線はサンプル内の電子と原子核の両方と相互作用しますが、荷電していない中性子は原子核だけで跳ね返り、材料の原子スケール構造の補完的なプローブを提供します。また、X 線では透過できない物質を透過することもできるため、研究者は稼働中のエンジンや鉄骨などの大きな物体の内部を画像化できます。中性子は小さな磁石のように振る舞うので、物質内の磁性の原子スケールのパターンを明らかにすることができます。
ホアは中性子を使用して、ポリマー、プラスチックの鎖状分子、および多くの生物材料のダイナミクスを調べます。分子の特定の部分の水素を重水素 (中性子が跳ね返る可能性が高い) に置き換えることで、研究者は類似物質の寄せ集めで分子のその部分を追跡できるとホア氏は言います。また、中性子は X 線よりもデリケートなサンプルに与えるダメージが少ないと、UC Davis の化学エンジニアである Tonya Kuhl は述べています。 「生物学的サンプルを中性子で爆破するだけで問題ありません」と彼女は言います。
NCNR 原子炉は、わずか 20 メガワットの熱しか発生しません。これは、典型的な発電用原子炉の 1% 未満です。米国の 3 つの主要な中性子源の中で最小です。他の 2 つは、エネルギー省 (DOE) のオークリッジ国立研究所にある 85 メガワットの高フラックス同位体原子炉 (HFIR) と、同じくオークリッジにある 14 億ドルの核破砕中性子源 (SNS) であり、加速器から陽子を中性子パルスを発射するターゲット。
それにもかかわらず、NCNR の 29 台の分光計、イメージャー、およびその他の機器は、HFIR と SNS を合わせた合計にほぼ匹敵し、ラボは毎年 2600 人以上の研究者にサービスを提供しています。科学者は、194 人の研究室のスタッフがその成功を認めています。 「奇妙なことに、低出力の原子炉を使用することで、彼らはより創造的になりました」とビルゲノーは言います。
2 月 3 日、NCNR での研究は突然停止しました。 NIST が先月原子力規制委員会 (NRC) に提出した報告書によると、その水曜日の午前 8 時、オペレータは燃料補給の停止後に原子炉を再起動し始めました。午前 9 時 7 分、原子炉の出力は 15 メガワットから 7 メガワットに急落しました。 1 分以内に、原子炉の鉄筋コンクリートの閉じ込め建屋で検知された放射線を監視します。午前 9 時 9 分、自動システムが原子炉を停止し、建物を密閉しました。
原子炉のウラン燃料が損傷している可能性があることを認識したオペレーターは、研究施設が鳴らすことができる最も緊急の警報であるアラートを即座に発した、と NRC のスポークスパーソン、スコット バーネルは言う。テキサス大学オースティン校の原子力技術者で、2006 年から 2009 年まで NRC の議長を務めた Dale Klein 氏は、研究用原子炉で燃料が溶けることはめったにないと述べています。最悪の悪夢は燃料切れでした。」
それでも、安全システムは機能しました。 NIST のウェブサイトによると、当時監禁棟にいた 10 人の職員は、コンピュータ断層撮影による放射線量とほぼ同じ量の放射線を浴びた。ウェブサイトによると、わずか 3 つの放射性同位体が建物から漏れ出たのは微量であり、NIST の 2.34 平方キロメートルのキャンパスの境界での放射線はバックグラウンド レベルを超えることはありませんでした。
NIST は、事故の原因を 1 か月前に原子炉に燃料を補給する際のミスにあると突き止めました。通常、オペレーターは 30 の棒状燃料要素のうち最も古い 4 つを交換し、残りを再配置します。感覚で作業し、特別なツールを使用して各要素をねじってバネ仕掛けのラッチ機構に固定しますが、経験の浅い乗組員は 1 つの要素を固定できませんでした。冷却水を循環させると、その位置がずれ、周囲の流れが妨げられました。原子炉が再起動したとき、エレメントが過熱し、アルミニウム被覆の一部が溶けました。
NIST の報告書によると、スタッフの離職と組織文化が事故に一役買った。 2011 年には、NCNR の 21 人の原子炉運転者のうち 9 人が 20 年以上の経験を持っていました。現在、22 人中 3 人だけがそうしています。また、NIST は実践的なトレーニングに頼りすぎており、オペレーターを指導するための明確な手順にはほとんど依存していなかった、と報告書は述べています。 「私たちは、スキルベースの労働力から知識ベースの労働力へと効果的に移行できませんでした」とディメオ氏は言います。
ディメオ氏によると、原子炉は過熱した燃料要素以外の損傷は受けていません。作業員は 3 つを除くすべての要素を取り除き、現在、炉心から破片を取り除き、重水素化された冷却水を浄化することを計画していると彼は言います。これは、原子炉が 4 月までに再起動できないことを意味します。ただし、NCNR が再開するには NRC の明示的な許可が必要であり、研究所の職員は事故の原因を排除したことを委員会に納得させる必要があり、これにはさらに時間がかかる可能性があるとバーネル氏は言います。それでも彼は、「当局は施設の重要性を完全に理解しており、可能な限り迅速かつ徹底的な見直しを行うつもりです」と述べています。
放射線の放出により、20 年前に別の中性子源が失われました。 1996 年、研究者は DOE のブルックヘブン国立研究所の原子炉ベースの発生源近くの地下水中にトリチウムを発見しました。漏れは小さく、ブルックヘブン キャンパスに限定されていましたが、市民の抗議により、DOE は 1999 年に原子炉を永久に閉鎖しました。
NIST は、オープン性が同様の抗議を未然に防ぐことを望んでいます。 NIST のスポークスパーソンである Jennifer Huergo は、2 月 10 日に研究所周辺の郊外の住民との仮想会議を開催したと述べています。 NIST はまた、NRC とのやり取りを Web サイトに掲載し、居住者を電子メールで更新していると Huergo 氏は述べています。 「質問があれば、できる限り迅速に対応します。」シャットダウンは、米国が中性子資源のリードを失ったときに起こります。 DOE は 2008 年にアルゴンヌ国立研究所の加速器ベースの中性子源を停止し、2015 年に、ロスアラモス国立研究所で現在も稼働している加速器ベースの中性子源での基礎研究のサポートを停止しました。 「ヨーロッパでは 3 倍、アジアでは 2 倍の差があります」と Kuhl 氏は言います。 「これ以上の機能を失うと壊滅的です。」
事故前でさえ、研究者は原子炉ベースの中性子源について心配していました。 NCNR の原子炉と 55 年前の HFIR はどちらも、ウランの 90% 以上が核分裂性同位体であるウラン 235 である「高濃縮」燃料で稼働しています。原則として、そのような燃料は核爆弾に作り変えることができます。米国の核拡散防止の取り組みの一環として、おそらく 2030 年代に利用可能になると、20% 未満のウラン 235 を含む燃料を使用するように両方の原子炉を改造することになっています。近年、専門家委員会は、NIST と DOE に老朽化した原子炉の交換を計画するよう助言しています。
新しい原子炉を建設するには 10 年から 20 年かかるため、今すぐ計画を開始する必要があると Birgeneau 氏は述べています。 NCNR の原子炉は 2029 年まで認可されており、Dimeo は、NIST が代替を検討しているにもかかわらず、ライセンスを更新することを想定しています。 「私たちの観点からすると、中性子は NIST にとどまるためにここにいます」と彼は言います。
