破砕

スパレーションとは、衝撃や応力によって物質の破片（破片）が物体から放出される過程である。衝撃力学の文脈では、発射体が衝突した際に標的から物質が放出されることを指す。惑星物理学では、スパレーションは惑星表面への隕石の衝突や恒星風および宇宙線が惑星の大気や表面に与える影響を指す。鉱業や地質学の文脈では、スパレーションは岩石の内部応力によって岩石片が岩面から剥がれることを指す。これは鉱山の坑道の壁でよく起こる。金属の酸化の文脈では、スパレーションは金属から酸化物層が剥がれることを指す。たとえば、鉄からさびが剥がれること。人類学の文脈では、スパレーションは石器を割って矢じりなどの石器を作るのに使われる過程である。原子核物理学において、破砕とは、重い原子核が高エネルギー粒子に衝突して多数の核子を放出し、原子量が大幅に減少するプロセスです。工業プロセスやバイオプロセスでは、蠕動ポンプ内でチューブが繰り返し曲がることでチューブ材料が失われることを破砕と呼びます。

破砕は、引張応力波が材料を伝播するときに発生することがあり、平板衝撃試験で観察できます。これは、応力波の相互作用によって生成された応力が材料の局所的な引張強度を超えることで発生する内部キャビテーションによって引き起こされます。プレートの自由端に 1 つまたは複数の破片が生成されます。「破砕」と呼ばれるこの破片は、材料上の応力波速度の 3 分の 1 にも達する速度を持つ二次弾丸として機能します。このタイプの破損は、通常、高性能爆薬スクワッシュ ヘッド ( HESH ) の装薬 の影響です。

レーザー誘起破砕は、薄膜と基板の接着を理解するために開発された最近の実験技術です。高エネルギーパルスレーザー（通常はNd:YAG）を使用して基板に圧縮応力パルスを作成し、それが伝播して自由境界で引張波として反射します。この引張パルスは、基板に向かって伝播しながら薄膜を破砕/剥離します。固体内の波動伝播の理論を使用すると、界面の強度を抽出することができます。この例で生成された応力パルスの持続時間は通常約3〜8ナノ秒ですが、その大きさはレーザーフルエンスの関数として変化します。非接触で荷重をかけるため、この技術は超薄膜（厚さ1マイクロメートル以下）の破砕に非常に適しています。また、パルス整形プリズムを使用して 縦応力波をせん断応力にモード変換し、せん断破砕を実現することもできます。

宇宙線の衝突による原子核の破砕は、地球の大気圏や、隕石や月などの宇宙物体の表面で自然に起こる。宇宙線破砕の証拠は物体の外表面に見られ、曝露時間の長さを測る手段となる。宇宙線自体の組成も、地球に到達する前に破砕を受けたことを示している可能性がある。なぜなら、宇宙線に含まれるリチウム、ホウ素、ベリリウムなどの軽元素の割合が宇宙の平均存在比を超えているからである。宇宙線中のこれらの元素は、明らかに、宇宙線源内または地球まで長い距離を旅する間に、酸素、窒素、炭素、おそらくはケイ素の破砕によって形成された。宇宙線の衝撃による地球元素の破砕によって形成されたアルミニウム、ベリリウム、塩素、ヨウ素、ネオンの宇宙 線生成同位体が、地球上で検出されている。

核破砕は、粒子加速器を使用して中性子ビームを生成するプロセスの1つです。約1 GeVの陽子からなる粒子ビームを、水銀、タンタル、鉛^[1]などの重金属からなるターゲットに照射します。ターゲットの原子核は励起され、励起解除時に原子核ごとに20〜30個の中性子が放出されます。これは、原子炉での核分裂の連鎖反応による中性子ビーム生成よりもはるかに高価な方法ですが、ビームを比較的簡単にパルス化できるという利点があります。さらに、1つの破砕中性子のエネルギーコストは、核分裂で得られる中性子のエネルギーコストの6倍です。核分裂とは対照的に、破砕中性子は、さらに中性子を生成するためのさらなる破砕または核分裂プロセスをトリガーすることはできません。したがって、連鎖反応は起こらず、プロセスは非臨界となる。宇宙線破砕の観測は1930年代にすでに行われていたが^[2]、粒子加速器による最初の観測は1947年に行われ、「破砕」という用語は同じ年にノーベル賞受賞者のグレン・T・シーボーグによって作られた。 ^[3]破砕は、高レベル廃棄物のより害の少ない物質への核変換の実現可能性を調査するために計画されている、近日中に建設される研究炉MYRRHAなどの亜臨界原子炉で提案されている中性子源である。中性子増倍係数が臨界をわずかに下回るほか、亜臨界原子炉は、生成される中性子1個あたりの平均エネルギー消費量が約30MeV（1GeVのビームは、最も生産性の高いターゲットで30個を少し超える中性子を生成する）であるのに対し、核分裂では分裂するアクチニド原子1個あたり約200MeVのエネルギーを生成するため、正味の使用可能エネルギーも生成できる。関連するプロセスのエネルギー効率が比較的低い場合でも、従来の原子炉での使用には適さないアクチニドを「燃料」として使用しながら、正味の使用可能なエネルギーを生成することができます。

一般に、核破砕源での中性子生成は、高出力陽子加速器から始まります。加速器は、線形加速器のみ（欧州核破砕源など）または線形加速器とシンクロトロンの組み合わせ（ISIS中性子源など）あるいはサイクロトロン（SINQ（PSI）など）で構成されます。例えば、ISIS中性子源は、以前のニムロッドシンクロトロンの一部のコンポーネントに基づいています。ニムロッドは素粒子物理学には競争力がなかったため、当初はオリジナルのインジェクターを使用して、非常に強力な陽子パルスビームを生成する新しいシンクロトロンに置き換えられました。ニムロッドは7 GeVで約2 μAを生成するのに対し、ISISは0.8 GeVで200 μAを生成します。これは50 Hzの速度でパルス化され、この強力な陽子ビームはターゲットに集中されます。劣化ウランターゲットを使った実験も行われてきましたが、これらは最も強力な中性子ビームを発生するものの、寿命も最も短いです。そのため、一般的にはタンタルまたはタングステンターゲットが使用されています。ターゲットの破砕プロセスにより、最初は非常に高いエネルギー(陽子エネルギーのかなりの部分) で中性子が発生します。これらの中性子は、次に液体水素または液体メタンで満たされた減速装置で、散乱装置に必要なエネルギーまで減速されます。陽子は電荷を持っているため集束できますが、電荷を持たない中性子は集束できないため、この配置では装置は減速装置の周りに配置されます。

慣性核融合は、核破砕よりも桁違いに多くの中性子を生成する可能性がある。^[4]これは中性子ラジオグラフィーに役立つ可能性があり、構造内の水素原子の位置を特定したり、原子の熱運動を解析したり、 X線よりも効果的にフォノンの集団励起を研究したりするために使用できる。

• エネルギー増幅器
• 亜臨界炉（加速器駆動方式）
• スパッタリング（固体物質の微細粒子が表面から噴出する現象）

• インスティトゥート ラウエ ランジュヴァン グルノーブル、フランス
• 建設中の欧州核破砕源、スウェーデン
• ISIS 中性子源、ハーウェル、英国
• J-PARC
• ランスロスアラモス
• PSI 破砕中性子源 (SINQ)、スイス
• 破砕中性子源オークリッジ、米国
• 中国核破砕中性子源

• 加速器知識ポータルの核破砕中性子源に関するIAEAデータベース
• ISISアクセラレータ等の説明
• スパレーション中性子源の技術的背景。
• ISIS中性子・ミューオン源における核破砕の仕組み