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コンクリート中の水分の移動や塩化物イオンの分布，内部の欠陥や鉄筋の付着応力等を調べるために中性子線の技術が活用されています。ここでは中性子線の概要や中性子源，コンクリート分野での中性子線の活用技術について紹介します。
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（1）中性子線の特徴1）
中性子線は放射線の一種で，高い運動エネルギーを持って流れる中性子の粒子で構成されます。放射線が物質に当たると，物質を構成する元素によって，散乱・吸収されて遮蔽されたり，物質内部を透過したりします。放射線の一種で，レントゲン撮影などに用いられるX線は，電子により散乱する特徴があるため，電子数の多い元素（原子番号の大きい元素）で散乱して遮蔽されやすく，水素のように電子の少ない軽元素では透過します。一方，中性子線は水素などの軽元素で遮蔽される特徴があるため，水のように水素を含む物質の測定に向いています。図-1は乾燥・飽水状態のコンクリートに中性子線とX線を透過して得られた画像（透過イメージ）を比較した例です2）。中性子透過イメージとX線透過イメージでは，セメントペースト部分や骨材部分の明暗が反転して示されることがわかります。セメントペースト部分については，X線透過イメージでは乾燥・飽水状態のコンクリートでほとんど差がみられないのに対し，中性子透過イメージでは乾燥状態に比べて飽水状態のコンクリートで，中性子線が遮蔽されて暗く示されており，中性子線は水分に対して測定感度が高いことがわかります。
また，中性子線は電気的に中性であるため，原子の電子殻との相互作用がほとんどなく，物質内部への透過性が高い特徴があります。その他に，波の性質を有することや，物質に照射すると元素固有のγ線が発生することが中性子線の特徴として挙げられます。コンクリートの分野においてもこれらの特徴を活用した技術が開発されています。
 図-1 乾燥・飽水状態のコンクリートの中性子およびX線透過イメージの比較2） |
（2）中性子線の線源1）
中性子線を発生させる線源には，1）研究炉（科学研究での利用を目的とした原子炉），2）加速器，3）ラジオアイソトープ（RI）の3種類があります。
1）研究炉
研究炉では，ウランなどの核分裂反応によって放出される中性子が利用されます。日本国内で稼働している研究炉で，中性子科学研究を目的としたものには，日本原子力研究開発機構のJRR-3と，京都大学のKURの2機があります。
2）加速器
加速器中性子源は，加速器を用いて電荷を持つ粒子（イオンなど）にエネルギーを与えて加速させ，標的物質（ターゲット）に衝突させることにより中性子線が発生するものです。日本国内の大型加速器には，高エネルギー加速器研究機構と日本原子力研究開発機構の2組織によるJ-PARCセンターが運営する大強度陽子加速器施設J-PARCがあります。また，小型加速器として，理化学研究所では理研小型中性子源システムRANS（RIKEN Accelerator-driven compact Neutron Sources）等が開発されています3）。
3）ラジオアイソトープ（RI）
陽子の数が同一で中性子の数が異なるもの同士は同位元素と呼ばれ，同位元素には，安定な状態のものと不安定な状態のものがあります。不安定な状態のものは崩壊して安定な状態へと変わる際に放射線を放出するため，放射性同位元素（ラジオアイソトープ：RI）と呼ばれ，中性子源として利用されます。
1）〜3）の線源のうち，研究炉は巨大な施設であり，加速器中性子源も小型のもので重さ数トンであるのに対し，RIの中性子源は可搬性があります。また，研究炉や加速器中性子源ではビームとして取り出された中性子線を利用するのに対し，RIでは散乱状態の中性子線を利用する違いがあります。加速器中性子源は，研究炉やRIとは異なり，中性子発生のONとOFFを制御することができ，この特徴は安全に中性子線を利用する上での利点と言えます。中性子線の利用に関係する法令には，「放射性同位元素等の規制に関する法律」や「電離放射線障害防止規則」があります。これらに基づき，線量等によって放射線管理区域の設定や放射線取扱主任者の届出，RIの使用については，RIの種類や数量，濃度や形態（密封線源，非密封線源）によっては許可や届出が必要です。
ここでは中性子線の実験室レベルでの利用や，現場利用への展開の観点で着目されている小型加速器中性子源について紹介します。
理化学研究所で開発された理研小型中性子源システムRANSでは，水素ガスから取り出した水素イオンを，陽子線線形加速器（長さ約5m，重さ約5トン）の中で加速させ，ターゲットステーション（重さ約20トン）で金属ターゲットBe（ベリリウム）に衝突させることで中性子を発生させています（図-2）。ターゲットステーションは，中性子を減速・吸収・遮蔽するホウ素ポリエチレンや，γ線を遮蔽する鉛で構成されており，安全性に配慮されています。コンクリートサンプルの中性子イメージングでは，サンプルをターゲットステーションの中性子線の出射口前に設置して，サンプルに中性子線を照射します。サンプルを透過した熱中性子を検出器内部で可視光に変換し，CCDカメラにより画像を得ています（図-3）。
 図-2 理研小型中性子源システムRANS3） |
 図-3 透過中性子イメージングセットアップ3） |
一般的な中性子イメージングの測定時間は1枚あたり数秒から数分程度であり1），小型加速器は大型加速器と比べて発生する中性子の数が少ないことから，対象物質に対して中性子線をある程度長い時間（RANSを使ったコンクリートのイメージングでは3分間）照射する必要があるため，ゆっくりと状態が変化する現象の把握に向いているとされています。また，中性子線はターゲットから放射状に発生するのに対し，質の良い画像を得るためには，平行度の高い中性子線を対象物質に照射する必要があります。平行度の高い中性子線を照射するために，大型施設の場合にはターゲットと対象物質との距離を離す方法がありますが，小型の場合には距離を離すことで対象物質に到達する中性子数が少なくなり，より長い照射時間を必要になります。そのため，RANSを使ったコンクリートのイメージングでは，中性子とともに発生するγ線の影響の低減や得られた画像の画素結合等の工夫がなされています。
また，RANSをさらに小型化したRANS‐Ⅱも開発されており，陽子線エネルギーは放射線管理区域を必要としないレベルで，遮蔽やシステム全体の小型化，軽量化の実現が報告されています。さらに道路上からアスファルト舗装下の滞水や空隙，土砂化を非破壊で可視化することを想定して，可搬型中性子源RANS-Ⅲの開発も進められており，コンテナにRANS-Ⅲを搭載した将来像が示されています（図-4）。
 図-4 可搬型中性子源による床版劣化可視化将来像3） |
（1）コンクリート中の水分の可視化・定量
中性子イメージングによるコンクリート中の水分の可視化の例を紹介します。図-5では，貫通ひび割れを導入したコンクリート（100×100×20mm）において，側面および上部に設けられた水槽から水分がひび割れ部や硬化体中に浸透していく様子が可視化されています。ひび割れ付近の水分挙動の現象解明に関して，中性子イメージングの動画により，ひび割れ表面は常に水分が供給されている環境にもかかわらず，ひび割れ中の水分が増減する様子が確認されたことが報告されています5）。
 図-5 ひび割れから供給される水分状況5） |
また，断面修復材や表面含浸材などの補修材料の施工箇所における水分挙動の検討に中性子イメージングが用いられている例もあります6），7）。図-6では，コンクリート単体，断面修復材単体，コンクリートに各種断面修復材やプライマーを施工した供試体（70×70×25mm）について，下部5mmを水に浸漬して24，48，72時間後における内部の水分が可視化されています。これにより，施工条件が良好であればコンクリートと断面修復材との界面における水分浸透が認められないこと等が確認されています。
 図-6 コンクリートと断面修復材の中性子イメージング6） |
図-5，図-6はどちらも画像解析による水分供給前に対する水分供給後の差分画像であり，水分供給前から変化した水分が示されています。差分画像から水分を定量する方法も検討されており，例として中性子透過率が水と近似しているアクリルの厚さと中性子透過率の関係を比較すること等により，水分供給前後の差分画像から厚さ50mmのコンクリートに浸透した水を定量する方法も提案されています（図-7）4）。図-8では，コンクリート供試体（70×70×50mm）について，下部2mmを浸水させた際に浸透した水分量をコンクリートの高さごとに定量した結果が示されています。コンクリート中の水分の浸透深さや水分量を調べる方法には，中性子線を利用した方法以外にも，コンクリートを割裂して水分により発色する現像剤を噴霧する方法や，センサを埋め込んでコンクリート中の水分量を測定する方法があります。これらの方法と比較して，中性子線を利用した方法では，割裂面やセンサを埋め込んだ点の水の浸透深さや水分量だけでなく，浸透深さごとの定量的な水分量を経時的に測定できる点が特徴と考えられます。
 図-7 浸透する水の透過像の導出例4） |
 図-8 コンクリートの高さ方向に対する水の分布4） |
（2）コンクリート中の塩分量の測定
物質に中性子線を照射した際に発生する即発γ線を利用してコンクリート中の塩分を非破壊で計測する技術が開発されています。即発γ線は物質に含まれる元素によって固有のエネルギーを有することから，そのエネルギーや強度から元素の種類や量を調べることができます。図-9に塩化物イオンを含んだコンクリートの即発γ線のエネルギースペクトルの例を示します8）。透過性の高い中性子線，γ線を照射，測定するため，試料の前処理の必要がほとんどなく，数cm〜数十cmのコンクリートを測定することも可能とされています9）。
 図-9 塩化物イオンを含んだコンクリートの即発γ線のエネルギースペクトルの例8） |
理化学研究所で開発されている非破壊塩分計RANS-μではRIであるカリフォルニウム‐252（252Cf）が中性子源として用いられています3）。使用に特別な資格が不要であることや橋梁点検車のバケットに搭載可能なこと，1時間でコンクリート表面から7cm深さでの塩分量を1.0±0.2kg/m3の精度で測定可能であること等が開発の条件・目標とされており，橋梁点検車上での計測が報告されています（図-10）3），10）。
 図-10 橋梁点検車上での非破壊塩分計測の様子3） |
（3）コンクリート中の欠陥の調査
物質に中性子線を照射した際に，内部で散乱して戻ってくる中性子（後方散乱（反射）中性子）を利用する後方散乱イメージング法が開発されています。図-11に床版における後方散乱イメージングの例を示します3）。床版表面に中性子線を照射すると，内部の物質の元素組成や密度によって，表面に戻ってくる中性子の数や速度，タイミングが異なります。これを表面側に設置した検出器で計測することにより2次元情報を取得することが可能であり，RANS-ⅡによるRC床版サンプルを対象とした実験では，内部の滞水と空隙の分別も可能であることが報告されています11）。道路橋床版の土砂化やトンネル壁裏の空隙，橋梁ケーブル被覆内・定着部の空隙や滞水等，さまざまな対象に後方散乱イメージングを適用することが考えられています3）。
 図-11 後方散乱イメージング法（例：床版）3） |
（4）コンクリート中の鉄筋の付着応力の測定
中性子線の回折現象を利用して結晶ひずみを測定する方法（中性子回折法）がコンクリートの分野でも活用されています。ここで，結晶では原子が規則的に配列しており，原子でつくられる等価な面が平行に等間隔で並んでいます。このような結晶構造の物質に中性子線を照射すると，格子面の間隔によって特定の角度で入射した中性子線が回折します。物質に負荷を加えると格子面間隔は変化し，それに応じて回折が生じる角度も変化するため，回折が生じる角度の変化から格子ひずみを捉えることができます（図-12）12）。
 図-12 格子面間隔の変化12） |
このような中性子回折法の活用事例に，鉄筋の付着応力の測定があります。図-13はJ-PARCに設置されたTAKUMIによる鉄筋応力の測定結果で，内部に異形鉄筋を有するコンクリート試験体に引張応力を導入する試験において，腐食程度の異なる鉄筋や補修後の鉄筋に生じる応力分布が捉えられています13）。付着区間と付着除去区間（横軸の-100〜0mm）との間の鉄筋応力分布の勾配（付着勾配）が大きいほど付着力が大きいことを意味し，（A）腐食無に比べて（B）腐食小では付着勾配が大きく，錆の噛み合い効果による付着強度の増加，（C）腐食大では付着勾配が小さく，腐食ひび割れによるコンクリートの拘束効果の低減による付着強度の低下が生じている様子が確認されています。また，（E）腐食ひび割れに対する補修について，（C）腐食大に比べて付着勾配が大きく，付着強度が回復していることが示されています。
 図-13 TAKUMI 鉄筋応力測定結果13） |
（5）コンクリート中の鉄筋腐食に関する推定
中性子線の波長とそれによって変化する中性子透過率との関係を表した中性子透過率スペクトルから，電食鉄筋における微視的構造変化を把握したり，腐食生成物である水酸化鉄を定量したりする検討がなされています14），15）。図-14，図-15は，電食24，72，120時間後にモルタル中から取り出した鉄筋と，その中性子透過率スペクトルです。鉄筋の中性子透過率スペクトルでは，多結晶回折に起因する，のこぎり状の「ブラッグエッジ」が確認されます。図-15では，電食72，120時間の鉄筋の波長0.4nm付近のブラッグエッジにおいて中性子透過率が減少しており，鉄筋周辺に付着している腐食生成物が中性子透過率に影響していると考えられています。また，基準鉄筋と電食後の鉄筋の中性子透過率スペクトルを用いて抽出した腐食生成物の中性子透過率スペクトルに対して，水酸化鉄の試薬（厚さ100μm相当）の中性子透過率スペクトルのフィッテングを行うことにより，電食24，72，120時間後の鉄筋に付着した腐食生成物の厚さがそれぞれ平均1μm，150μm，220μmであると推定されています。
 図-14 電食鉄筋の中性子照射概要15） |
 図-15 電食鉄筋の中性子透過率スペクトル15） |
中性子線や中性子線源の概要から，コンクリート分野での中性子線の活用技術を紹介しました。これらの中性子線のイメージング技術や測定技術が広く展開され，コンクリートに関するさまざまな現象の解明や非破壊調査技術の発展につながり，コンクリート構造物のメンテナンスがより一層高度化・省力化していくことを期待しています。
