停止した原子炉は静かにならない。炉心内とその脇の冷却プールに残された燃料は、数か月から数年にわたって崩壊し続け、崩壊のたびに反ニュートリノを放出する。反ニュートリノは物質と相互作用することを極端に嫌う粒子で、鋼鉄もコンクリートも水も止まることなくすり抜ける。その残留する流れを数えたのは初めてのことだ。フランスのアルデンヌ地方にあるChooz B原子力発電所で活動するDouble Chooz共同研究グループは、両方の原子炉が完全に停止した状態での17.2日間の観測で、106 ± 18件の反ニュートリノ事象を記録した。予測は88 ± 7件だった。この5.9シグマの超過は、1978年に初めて提唱された概念、すなわち原子炉は運転をやめた後でも、その残した放射能によって読み取ることができるという考えを裏付ける。
このシグナルが存在するのは、核分裂がきれいに終わらないためだ。原子炉が運転しているとき、ウランとプルトニウムの原子核は分裂して断片となり、その断片は中性子過多の状態にある。断片はベータ崩壊によって安定化し、ベータ崩壊のたびに中性子が陽子に変わり、電子反ニュートリノが1個放出される。核分裂1回につきおよそ6個の反ニュートリノが生成されるため、運転中の炉心は地球上で最も明るい人工の反ニュートリノ源となっている。しかし、多くの核分裂生成物はゆっくりと崩壊する。セリウム144やルテニウム106といった同位体は原子炉停止後も数か月から数年にわたって生き残り、その崩壊が、運転時のフラックスの1パーセント未満の水準で反ニュートリノの流れを維持する。残留シグナルが最も強い1〜3 MeVのエネルギー領域では、近距離検出器の反ニュートリノ収量はわずか2種類の同位体によって支配される。事象の約54パーセントを占めるプラセオジム144と、約38パーセントを占めるロジウム106である。
こうした事象の検出には、バックグラウンドの差し引きが必要だった。Double Chooz検出器は地下に設置され、2つの炉心から約400メートル(1,312フィート)離れており、反ニュートリノが相互作用すると光のフラッシュを発する液体シンチレータを30立方メートル(1,060立方フィート)以上収容している。その相互作用自体が、この実験が観測するために建設されたシグナルだ。反ニュートリノが陽子に衝突すると陽電子と中性子が生まれ、この2つの粒子が特徴的な時間差のある一対のフラッシュを作り出す。原子炉停止中の17.2日間のデータで、近距離検出器は1〜9 MeVの範囲で517件の候補事象、すなわち1日あたり30.0 ± 1.4件を記録した。しかし、その圧倒的多数はバックグラウンドだった。宇宙線から降り注ぐミューオン、そのミューオンによって叩き出される中性子、ミューオンが炭素原子核を砕くときに生成される短寿命同位体のリチウム9である。すべてを差し引いた後、1〜3 MeVの領域には1日あたり6.2 ± 1.1件の残差が残り、予測は5.1 ± 0.4件だった。3 MeVを超えると超過は消え、残留スペクトルの高エネルギー側の裾が実験の感度以下になるという予測と一致する。
この実験の幾何学的配置は、これまでの原子炉実験にはない利点をもたらした。他の大型反ニュートリノ観測施設であるDaya BayとRENOは、ユニットが同時に停止することのない原子炉群の隣に位置しているため、停止状態での測定は不可能だった。Chooz Bには2つの炉心があり、2017年には両方が同時に停止した期間が4回あり、合計24.4日間に及んだ。この偶然の一致により、共同研究グループは運転期間のデータから推定するのではなく、現場で残留シグナルを測定できた。1.05キロメートル(0.65マイル)離れた遠距離検出器では、予測の14 ± 1件に対して27 ± 13件とより小さな超過が見られ、距離が離れるほどフラックスが弱くなることと整合的だ。正確な燃料インベントリ、燃焼履歴、核分裂生成物の崩壊連鎖から構築されたシミュレーションと2つの検出器の結果が一致したことで、この測定は好奇心の対象から検証へと変わる。
実用的な意味合いは、核分裂性物質が転用されていないことを検証する国際的な体制である核保障措置にまで及ぶ。ニュートリノを用いた監視は、ソ連の研究者がROVNO発電所でこのアイデアを試した1980年代から議論されてきたが、常に運転中の原子炉に限られていた。今回の結果は、この技術を停止期間、すなわち燃料が炉心とプールの間で移動され、物質が原理的には扱われ得る保守の期間にまで拡張する。施設のフェンスの外にある検出器は、原子炉が本当に停止していることを確認し、使用済み燃料が移動されたかどうかを追跡し、特定の燃料集合体がどれだけ冷却されてきたかを推定できる。セリウム144とルテニウム106の崩壊生成物の比率が時間とともに変化するためだ。中国のJUNO-TAO実験はすでに同じ原子炉停止期間の探索を始めており、そのデータを使って使用済み燃料のシグナルを分離している。
不確かさは統計が支配している。測定された106件と予測された88件は誤差の範囲内で一致しており、この実験はモデルを裏付けるが、まだ精密化するには至らない。ミューオンのタグ付けと偶発一致の現場測定から構築されたバックグラウンドモデルには、それ自体の仮定が含まれている。Choozの検出器は物理学のための装置であり、保障措置のためのツールではない。実用的な監視システムは、より小型で、より安価で、遠隔操作可能である必要があるだろう。共同研究グループが確立したことは、より限定的ではあるが確固たるものだ。停止した原子炉の残留反ニュートリノの輝きは実在し、残された燃料の崩壊インベントリと一致し、数百メートル(数百ヤード)離れた場所からでも数えることができる。停止した原子炉は、粒子ひとつひとつを通じて、それが何だったのか、何を残したのかを今も語りかけてくる。
雅子 訳
Sources:
- Double Chooz Collaboration (Abrahão, T. et al.). “First Measurement of Neutrino Emissions from Spent Nuclear Fuel by the Double Chooz Experiment.” Physical Review Letters 137, 061803 (2026). DOI: 10.1103/dr26-j19g. Preprint: arXiv:2510.04869.
- Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) press release, “First measurement of antineutrinos from spent nuclear fuel,” August 4, 2026.
- ScienceDaily, “Scientists Detect a Nuclear Reactor’s Ghostly Afterglow for the First Time,” August 14, 2026.
- Chen, S. “Detecting the Illicit Removal of Nuclear Fuel.” Physics 19, s94 (2026).