この記事で分かること
- 用途：MRI造影剤、原子炉の制御材料、光磁気ディスク、ニュートリノ観測など幅広い分野で利用されています。
- 中性子吸収性に優れる理由：特定の同位体が、共鳴吸収によって中性子を効率よく吸収するためです。
レアアースの価格高騰
2025年5月現在、レアアース（希土類元素）の価格が急騰し、一部の元素では3倍以上に達しています。
この背景には、中国による輸出規制の強化があり、特に電気自動車（EV）や風力発電、軍事用途に不可欠な元素であるジスプロシウムやテルビウムの供給が逼迫しています。
レアアースのひとつである、ジスプロシウムはEVモーターの永久磁石に不可欠であり、テスラなどの自動車メーカーは在庫が5月末までしか持たないと懸念しています。
今回はガドリウムについての解説となります。
レアアースとは何か
レアアース（希土類元素）とは、周期表の中で原子番号57番のランタン（La）から71番のルテチウム（Lu）までの15元素に、化学的性質が類似するスカンジウム（Sc）とイットリウム（Y）を加えた、計17元素の総称です。
レアアースの特徴
- 名前の通り「珍しい（rare）」と思われがちですが、実際には地殻中に比較的豊富に存在します。ただし、単体で高濃度に存在する鉱床が少なく、抽出・分離が困難なため「希土類」と呼ばれています。
- 化学的性質が似ていて分離が難しく、製錬や精製には高度な技術が必要です。
主な用途
レアアースは現代のハイテク産業に欠かせない資源です：
- 永久磁石（ネオジム、ジスプロシウムなど）：電気自動車（EV）、風力発電、スマートフォン
- 蛍光体（ユウロピウム、テルビウムなど）：液晶テレビ、LED、蛍光灯
- 触媒（セリウムなど）：自動車の排ガス浄化装置、石油精製
- 研磨剤：ガラスやレンズの精密研磨
産出と地政学的リスク
- 世界のレアアース生産の約60〜90%は中国に依存しており、供給の地政学的リスクが高い資源です。
- アメリカ、オーストラリア、ミャンマーなども採掘を試みていますが、製錬・精製まで含めると中国の独占的な地位は依然として強力です。
レアアースとは、原子番号57番のランタン（La）から71番のルテチウム（Lu）までの15元素に、化学的性質が類似するスカンジウム（Sc）とイットリウム（Y）を加えた、計17元素のことであり、電動化・デジタル化・再生可能エネルギー推進において不可欠な「戦略的資源」であり、経済安全保障上も重要視されています。
ガドリウムとは何か
ガドリニウムは、原子番号64の元素で、元素記号はGdです。希土類元素（レアアース）の一種で、銀白色の金属です。
特徴
- 希土類元素: 炭酸塩のマグマが冷えて固まったカーボナタイトという特殊な岩石中のバストネス石や、花こう岩に伴われるペグマタイト中に少量含まれて産出します。
- 中性子吸収能力: 全ての元素の中で、熱中性子（低い運動エネルギーを持った中性子）を最もよく吸収する能力に優れています。原子炉の制御材料として利用される理由の一つです。
- 磁性: 室温以下で強磁性を示します。
- 酸化: 空気中で表面が酸化され、内部までは侵されません。
どんな用途で利用されるのか
ガドリニウムは、そのユニークな特性から多岐にわたる分野で利用されています。主な用途は以下の通りです。
医療分野
- MRI造影剤: 最も広く知られている用途です。MRI（磁気共鳴画像診断装置）において、体内の病変部をより鮮明に映し出すための造影剤として使用されます。ガドリニウムイオン（Gd3+）は強い磁性を持つため、周囲の水の水素原子核の緩和時間を短縮し、画像コントラストを高める効果があります。ただし、毒性を低減するためにキレート化合物として使用されます。
原子力分野
- 原子炉の制御材料: ガドリニウムは、すべての元素の中で熱中性子（運動エネルギーの低い中性子）を最も効率的に吸収する能力に優れています。この性質を利用して、原子力発電所の原子炉内で核分裂反応を抑制し、安全に制御するための材料として用いられています。特に、ガドリニウム157の吸収力が非常に優れています。
- 中性子捕捉療法 (BNCT) の中性子吸収剤: ガドリニウム157は、中性子捕捉療法において、中性子を効率的に吸収する物質として利用が期待されています。
光学・電子材料分野
- 光磁気ディスク: データの記録媒体として使用される光磁気ディスクに利用されていました。
- レーザー材料: YAGレーザーなどの固体レーザーの添加物として、その発光特性を調整するために用いられます。
- 蛍光体: テレビのブラウン管の赤色蛍光体、LEDの赤色蛍光体、水銀灯の蛍光体などの材料としても利用されています。
科学研究分野
- ニュートリノ観測: ニュートリノを捕獲する能力に優れるため、スーパーカミオカンデのような大規模なニュートリノ検出器に導入され、超新星背景ニュートリノなどの観測に貢献しています。
その他
- X線源: ガドリニウム153は、X線吸光光度分析法や骨粗鬆症の骨密度測定などのX線源として使用されます。
- 磁気冷凍材料: 強磁性を持つガドリニウムは、室温付近で磁気熱量効果（磁場によって温度が変化する現象）を示すため、環境負荷の低い磁気冷凍技術の研究開発において注目されています。
このように、ガドリニウムは医療から最先端の科学研究、さらには日常生活で使用される製品まで、幅広い分野でその特性が活かされています。
ガドリニウムは中性子吸収能力などを生かし、医療から最先端の科学研究、さらには日常生活で使用される製品まで、幅広い分野で利用されています。
なぜ中性子の吸収に優れるのか
ガドリニウムが中性子を吸収しやすい主な理由は、特定の同位体が非常に大きな「中性子捕獲断面積」を持っているためです。特に、ガドリニウム157 (157Gd) と ガドリニウム155 (155Gd) がその能力において際立っています。
- 非常に大きな中性子捕獲断面積
- 中性子捕獲断面積とは、原子核が中性子を捕獲する確率を示す物理量です。この値が大きいほど、中性子を吸収しやすいことを意味します。
- 天然に存在する元素の中で、157Gd は特に熱中性子（運動エネルギーが低い中性子）に対して、極めて大きな捕獲断面積（約254,000バーン）を持っています。これは、現在中性子捕捉療法で使われているホウ素10 (10B) の捕獲断面積（約3,837バーン）と比較しても格段に大きい値です。
- 155Gd も同様に大きな捕獲断面積（約60,700バーン）を持っています。
- 共鳴吸収
- ガドリニウムの同位体、特に155Gd と 157Gd は、熱中性子領域のわずかに高いエネルギー帯に「共鳴」と呼ばれる現象を示します。これは、中性子のエネルギーが特定の値になると、原子核が中性子を非常に効率よく吸収する現象です。この共鳴により、捕獲断面積が劇的に大きくなります。
これらの特性により、ガドリニウムは原子炉の制御棒や遮蔽材、さらには医療分野の中性子捕捉療法など、中性子を効果的に吸収する必要がある様々な用途で利用されています。
ガドリニウムが中性子を吸収しやすい主な理由は、特定の同位体が、共鳴吸収によって中性子を効率よく吸収するためです。
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