試練を迎える加速器科学

 加速器と一口にいっても衝突実験から医療用まで多岐にわたる。速器の種類や規模はその目的に応じて大きく異なり、一括りにした説明はできない。それぞれの分野で先端技術が投入され性能は「ムーアの法則」に沿って向上して来た。しかし同時に大型化、複雑化したため建設・維持コストも高騰していくと、これまでのような国の予算化が困難な状況に陥る恐れがある。

もちろんほとんどの加速器研究者たちは優秀だし、絶え間ない努力でここまで「正常進化」を遂げ、果たすべき役割と成果は十二分に出し切ったといえる。しかし発展とは裏腹に、「なぜ加速器が社会に必要か」という疑問を持つ人々が多くなってきたことも確かだ。例えば(社会が)加速器を必要とする理由。S字の成長期が終わりピークを迎えると、成長が止まり持続性に暗い影も見え始めることに例外はない。「視点・戦略を思い切って修正すべき転換点にきたのではないか」という印象を持っている。(もちろん仕事の大半を加速器のお世話になった筆者としては、この試練を乗り越えて新しい展開を期待している。)

 

現代の加速器科学を今後もこれまでの延長線上に展開し続けるなら明らかに無理がある。技術的限界とは別なところに本質的な限界が見えてきたと感じているのは筆者だけではないはずだ。下の図で明らかなように、衝突実験のエネルギーフロンテイアを目指して増大し続けた加速器のエネルギーもLEP以降、鈍化がみられる。加速器の「ムーアの法則」が成り立たなくなったのだ。もちろん加速器の性能指標はエネルギーの他にもあるので、加速器の発展が鈍化したわけではない。しかし建設費を決める因子であるエネルギーの追求が最優先ではなくなったことは確かである。追求するべき物理(新粒子)のエネルギーが理論・実験的に絞られたため、LHCなど超大型の加速器をコミュニテイが協力して建設することになった。(一方では重複するテーマで建設競争が続いている場合もある。研究所が独立に加速器を持つ理由ももちろんあるが、一般的に加速器予算に対する風当たりが強くなり、国からの予算化が困難になりつつあることが現実である。)

 

Particle Accelerator Livingston Chart 2010

Photo: wiki

 

高騰する加速器のコスト

一般には加速器の建設コストの10分の1が維持費(主に雇用費、電気代と老朽化機器更新)が必要となる。仮に建設コストが100億円とすれば稼働とともに年間10億円の維持費が必要となる。年間維持費が10億といっても加速器の寿命を20年とすると、建設コストを大幅に上回る費用(200億円)が必要となり、100億円の加速器を寿命いっぱいに稼働させると、その3倍、300億円かかることになる。実際には運転時間を決める維持費の予算は要求しにくいため、やりくりして維持費を捻出することは加速器施設にとって悩みの種である。

加速器の例として放射光を考えてみる。(土地代を除外すれば)Spring-8の建設費は1,1000億円(注1)で、2014年度当初予算は88.2億円、2015年度要求額は99.5億円なので、建設費の10%ルールがほぼ成立していることがわかるだろう。この費用を捻出するために各施設は苦労が絶えない。

(注1)兵庫県から土地は無償で提供された代わりに、Spring-8は周辺の都市整備の目玉となって「街おこし」に寄与した。土地が無償であったこと以外に、一般に加速器の建設費は建設関連企業の様々な協力を考慮すると過小評価される。つまり製品の大量発注では価格が下がり、競争入札でさらに下がる。一方企業は他では経験できないの技術開発ができる。ちょうど自動車メーカーがF1に参加するようなものだ。企業にとっては受注によって高性能機器を開発でする機会ができるし、基礎科学に貢献することで社会的還元とされ企業イメージが上がるから協力を惜しまない。トンネル工事に始まり、建物の建築、真空系、電気・機械、検出器、制御系、計算機にいたるまで企業の努力と協力がある。加速器へ資金をつぎ込む時の「経済効果」はこうした企業の研究開発の製品へのフイードバックや雇用など多岐に渡る。

 

写真は1931年に完成したカリフォルニア大学バークリーのローレンスとサイクロトロン。円形加速器の元祖でその後、主流をシンクロトロンに譲ることになるが、直径1.5mのこの円形加速器はLHCのいわば「祖先」にあたる。1950年代から円形加速器(シンクロトロン)の大型化が始まり、反陽子をはじめ多数の新粒子が発見され、これらの統一的記述のためのクオーク粒子が提唱されることとなった。

 

Berkeley 60-inch cyclotron

Photo: wiki

 

実際には寿命にいたるまで加速器に手を加えないことは稀で「アップグレード」と呼ぶ改修を行い陳腐化を防がねばならない。最終的には100億円でスタートした加速器でも寿命まで使い切るには維持費とアップグレードで4-5倍規模の全予算を覚悟しなければならない。

加速器を原子炉と比較してみよう。原子炉の新規建設コストと廃炉コストの高騰で、老朽化した原子炉を抱える米国では寿命を50年に延長する議論が始まっており、韓国原子炉はUAEに受注されるための好条件として50年保証をつけている。原子炉は定常運転で出力を維持できれば良いが、加速器はやるべき実験がなくなれば単なる鉄くずでしかない。加速器の再利用は一部で始まっているが加速器全体を移送して再組み立てすることは困難がつきまとう。

運転環境が過酷な原子炉と異なり加速器のハードウエア(真空系、磁石、加速空洞、制御系、電力系)の寿命は意外と長い。なので多くの場合、性能の陳腐化のペースがハードの老朽化を上回る。そのため衝突実験の加速器では運転維持費がつく実験期間に一定の成果がでて目的が達成されると、次期マシン計画が始まる。工事コスト削減のために既成のトンネルを再利用することも多い。LEPトンネルをLHCに流用したり、KEKではトリスタンのトンネルをKEKBに利用したりしている。

 

衝突実験の加速器

CERNのLHCは周長27kmの世界最大の円形加速器だが、そのトンネルは先代のLEPのものを流用し、アップグレードも同じトンネルを用いている。LHCの建設には14年かかり投入された総工費は5,000億円。10%の維持コストだけで年間500億円となる。このくらいの規模になると一国の予算では無理で、国際共同研究(37カ国)で資金を集めたり、欧州連合の予算に頼ることになる。日本からの超伝導空洞、検出器、データ解析、マンパワー面での寄与は全体の10%を超えるといわれているが、実際にはそれ以上の貢献があったであろう。

LHCはアップグレードによってエネルギーが14TeVに倍増して、新たな実験が始まっているが、その次の国際共同の次世代加速器ILCは全長30kmの直線加速器でその建設費は8,700億円と試算される。しかし土地入手やインフラ整備も含めると1兆1,000億円となり、日本(北上山地)が有力な建設サイトになっているが、コストに見合う成果が不透明なことを学術会議は日本特有の表現「時期尚早」として、建設を凍結している。国際的には誘致しておいて決まりかけたら辞退という態度はあり得ないが、あいまいにせず誤解を与えないようにするべきだろう。日本語の「凍結」はあいまいだ。「中止」なのか「一時保留」なのか、どちらかしかない。また学術会議にしても誤解を生む表現を避けるべきだ。また財源の目処が立たないのに誘致したことの責任も問われるべきである。素粒子の相互作用の統一理論(大統一)に向けてのILCの価値は認められるが、現在の財務状況からすれば1兆円の資金投入が「時期尚早」であることは間違いない。

 

LHCからILCへの変化は円形加速器から直線加速器への転換であるが、主な理由は荷電粒子ビームを曲げる際に、放射光を放つことでエネルギー損失があるため、高エネルギー加速が困難になることと、曲げることでビームの質が低下することである。この原理はしかし円形加速器の周長を大きくして曲率を下げてやれば擬似的に直線とみなせることに着目したのが中国科学技術院の王教授グループ。中国はILCの次の世代の加速器を再び円形とする計画である。周長は50km、LHCのほぼ2倍となる。建設コストはしかし4,000億円とILCより低予算である。

写真はSPring-8が保有するXFEL、SACLAが稼働するまでX線短波長領域の先端にいたSLACのLCLS。全長3.2kmのこの直線加速器は1967年から世界最大となった。老朽化を上回る改修を続けて長寿命を誇っている。米国の国立研究所は20%人員削減をはじめ緊縮予算に苦しんでいるが、SLACも例外ではない。

 

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Photo: LCLS

 

スケールメリット

加速器のスケールが大きいと多くのメリットが生まれる。まず同じコンポーネント、例えば電磁石、真空系などを共通規格とすることができ、量的効果でコストが下がり信頼性は向上、交換による保守が容易となる。標準化、共通規格化の恩恵は大型化すればするほど効果がある。また施設が複数の加速器を保有すると加速器間で部品の共有が行えるほか、再利用もできて便利である。

大型加速器は当然ユーザー数も多くなる。LHCのように衝突実験では建設前に主な実験テーマが決まっているので、予想したエネルギーでの衝突で期待した新粒子発見などのビッグテーマが達成されれば、ひとまず時限的な運営は終了する。

そのあとは、

(1)そのままの装置で運転する(運転の継続)

(2) アップグレードにより性能向上で次のテーマを狙う(新規運転予算)

(3)現有マシンを閉鎖して次期マシン計画に引き継ぐ

などの選択肢がある。一般的には次期マシンはさらに高い衝突エネルギー領域を目指し別のサイトに建設されることになる。下の図は放射光(ESRF)のアップグレード前後の磁石配列。周長を同じするのは、ビームラインの変更を最小限にするため。

 

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Photo: Slideplayer (ESRF)

 

加速器の未来に暗い影

しかし先端的な大型加速器の建設コストは1兆円を超えるところまで来ると、素粒子物理の解明というカテゴリーでの予算獲得は限界に近づいた感がする。もちろん大型加速器の建設によって、磁石、加速空洞、真空技術、検出器と計測技術、グリッド計算網など多くの分野で新しい技術開発を生み出したことは確かだが、「予算の使いすぎ」という世間の批判が強まっている。Spring-8が仕分けの対象になったのは記憶に新しい。民主党政権の仕分けが非専門家の手に委ねられて、当事者に専門的な説明の機会が与えられなかったことは残念だが、当事者に危機感を持たせ効率的な運営について努力するきっかけとなった点は評価できるだろう。

国の財政が健全な時代には「いずれ社会に寄与する」という期待で「聖域」として許されてきた加速器建設と維持コストだが、将来はこれまでのような予算化は容易ではない。ILC建設にゴーサインがでないことでも明らかである。ILCは建設期間10年、運転期間20年で4.3兆円、雇用創出25万人(年間8,300人)の経済効果を持つとされる。筆者の個人的な意見で恐縮だが残念ながらILCの経済効果の見積もりは甘く、加速器を中心とした「街おこし」という考え方は陳腐で現在都市計画に合わない。

 

ユーザーが支える加速器(1)放射光

一方、加速器の中でも以下のふたつの分野では衝突実験よりはるかに小さい規模でも数1000人のユーザーがつく場合がある。放射光はもともと加速器にとっては、エネルギー損失となるだけの「邪魔者」にすぎなかった。しかしVUVからX線・ガンマ線領域まで連続的な光源となるので、1980年代から、専用の円形加速器(蓄積リング)が世界各国で建設されるようになった。Spring-8はその中の代表的な大型(C)セグメントに属する蓄積リングである。

その他に小型(A)セグメント、中型(B)セグメント(注1)の蓄積リングが稼働している。

(注1)中型リングは1-2GeVのB1セグメントと2-3GeVのB2セグメントに便宜上分類できる。B1セグメントは1980年から建設されたいわゆる第二世代リングであり、B2セグメントは1990年代後半に始まる新第三世代とも呼ぶことができる、最も新しい考え方の蓄積リング。

 

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Source: 放射線ホライゾン

 

放射光に関してはエネルギーが大きい方がユーザーを集められ寿命が長くなる。日本で1980年代から建設されたAセグメントのリングは3例を除き全て消滅した。フォトンファクトリーはB1セグメントのマシンであるが、30年以上稼働している長寿命のリングである。中型(大型)リングでは波長分布が広いので多くのユーザーを集められることは、成果を論文出版数という形で数値化する場合、有利となる。これも加速器のスケールメリットと考えて良い。

論文数だけではコストに見合った説明責任を果たせなくなってきたため、維持費の過半数が電気料金に消える加速器の維持コストを固定化することが困難になりつつある。そのため基礎科学にとどまらず、産業利用で建設・維持コストの回収を試みざるを得ない。

 

放射光の産業利用 

産業利用には蓄積リングに企業が占有する実験ステーション(ビームライン)を自己資金で建設して自由に利用することや、有料で施設を利用するなどの方法が試行錯誤されている。しかし占有するステーションの建設には1年ほどの建設期間と数億円という建設費(注2)の負担がある。また有料利用で得られたデータを企業が有効に利用できるとは限らない。

(注2)偏光電磁石ビームラインは2-3億円で建設できるが、挿入光源ビームラインとなると4-5億円規模になる。

 

産業利用の根本的な問題は企業が直面する問題を現在の放射光施設では「ソルーション」として提供できていないことがある。つまり解析には専門家が必要なデータを持ち帰っても、解析する人材と時間的余裕がなければ役に立たないからである。

新たに建設が予定されている東北放射光(3GeVリング)(注3)の建設を担当する理研はSpring-8の産業利用の経験をもとに新しい放射光産業利用のビジネスモデルを考えている。

(注3)日本のB2セグメント(3GeV)リングの必要性は広く認識されているが、建設は目処が立っていない。最大の問題は東北7大学を中心の現提案(Slit-J)の地域性が強く、復興や「街おこし」の目玉となる位置づけが、放射光コミュニテイの要求(全国共同利用リング)と整合が不十分である点にある。

 

SLit-J建設主体の理研が提案する新しい産業利用とは建設産業利用を希望する企業に放射光実験データの高度解析ノウハウを有する専門家(大学教員)を配置して、データでなく「ソルーション」を提供しようというもの。企業のテーマの変化に対応できる人材確保の持続性に問題は残るが、少なくとも企業の放射光利用を一歩進めた新しい利用法への一歩踏み出した感はある。

東北放射光のマシン仕様の詳細については資料を参考にしていただくことにして、おおざっぱに建設計画をみてみると、建設コストは300億円、維持費10%は年間30億円となる。ただし計画では3.4MWのメガソーラー発電で総電力3.71MWのほとんどを自給自足できるとしているので、30億円の維持コストを大幅に減らすことも可能かもしれないが、メガソーラー設置の初期費用(注3)をみなければならない。また実際にはインフラ整備も必要なので地方財政の緊縮予算の中で10年スケールの都市整備計画と抱き合わせでない限り、新たな拠点づくりのリスクは低くない。

 

(注3)1MWあたり2億5,000万円なので、4-5億円は必要となる。燃料電池サーバーは200kW単位で増設できるので対応可能だが電力料金でメリットはない。

 

ユーザーが支える加速器(2)医療用加速器

一方、医療用加速器はユーザーが患者なので、これまでの加速器とは全く別の視点が必要になる。放射線医学総合研究所に設置されたHIMACを筆頭に日本にある粒子線治療施設は6箇所で、世界的にも整備が進んでいるが、建設予定の施設を含めると16箇所は世界で最も医療加速器が整備された国といえる。

医療用加速器の問題は高額な建設・維持コストが治療費に跳ね返る点である。例えば陽子ビーム照射設備の導入は国の支援を受けた特定の場所に限られる。また治療は照射を分割して複数回行うために効率が悪く、これも治療費が高額になる理由のひとつである。1ショット288万円で治療費は保険が適用されない。

通院期間で最大600万円保証の大手のがん保険でも、先端医療特約を付けないと陽子線治療を含む先端医療は対象外である。今後、陽子線治療拠点が各地でフル稼働しても治療費は200万円を切ることは難しい。一般の患者がX線照射程度の費用で粒子線治療を受けられるための小型リニアックの開発が期待されている。

 

医療用加速器の普及に関していえば、現在のマシンは相当に進化したといえても、あとは全て国に任せる(設置に対して補助金をつけろ)というのは筋が通らない。さらに小型で低コストのマシンを開発することが近道だと思う。患者に建設コストを負担させることと治療しやすい患者を選択するのは医療とはいえない。

 

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Photo: elcomercio.es

 

「粒子線による癌治療は簡単ですが、一回の治療費が288万円かかります」といった説明を患者は求めていない。HIMACにしても研究成果から治療フェーズに切り替えて、成果が出やすい例ではなく、実績を積み上げていくべき時期に来た。一方で最近のガン治療にも免疫療法を筆頭に切除手術や放射線治療一辺倒の時代から変化があらわれているので、放射線治療自身も見直して重粒子照射の役割を再確認することも必要になりつつある。

衝突実験、放射光、医療の全体を通じて加速器に要求されることは何か。先進国は高額な加速器をこれまで通り続ける豊かさはなくなっている現実を加速器科学に関わる人は理解しなければならないだろう。恐竜が肥大化してやがて環境変化に対応できず絶滅したように、いま根底から考え方を変えない限り加速器の分野でも似たような絶滅が起きるかもしれない。

 

オンチップ加速器は救世主か

スタンフォード大のSLACは加速器のサイズを微細加工でテーブルトップにする技術開発を行っている。これは加速器の巨大化に対するアンチテーゼであるが実現すれば、手のひらに乗るミニチュア加速器で置き換えることのインパクトは大きい。

 

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Photo: SLAC

 

インテル系のゴードン・アンド・ベテイ財団から5年で13.5億ドル、日本円で1,620億円の資金をもらい本格的な研究開発に取り組んでいる。ミニチュア直線加速器の構成は電子銃、粒子を「バンチ」にそろえるバンチャー、加速管、アンジュレーターである。

電子銃の微細化技術は「マイクロ電子銃」として現実の技術であり、アンジュレーターは、すでにミニチュア化の研究が進められている。SLACの計画の新しさは電子の加速にレーザー光を用いること。通常はRF空洞で「波乗り」原理により、位相をそろえて電場で加速する。オンチップ加速器ではレーザー光を用いる点だ。

ミニチュア加速器をチップ化する技術を放射光に応用すれば、マイクロアンジュレーターでコヒーレントX線を発生させ、癌治療に応用できる。SLAC計画では最終段にマイクロポールアンジュレーターを想定している。オンチップ加速器の放射光を使えば、放射光施設に行く必要がなくなり、癌治療装置が持ち運びできるようになる。加速器が、小さな病院でも行えるようになる。オンチップ加速器は社会に与えるインパクトが大きい放射光の最終形態といえるのかもしれない。

 

 

コメント   

# 木村洋昭 2015年12月09日 13:45
いつも興味深く読んでいます。
SPring-8の建設費、運転経費が1桁多く書いてあります。ご確認下さい
# Hiroyuki 2015年12月09日 16:17
失礼しました。数値を訂正してあります。よろしくお願いします。

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