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MIT ML News·2026年4月4日 05:55·約8分で読める

原子力ルネサンスの推進に取り組む

#原子力エネルギー#マルチフィジックスモデリング#クリーンエネルギー#エネルギーインフラ#原子炉設計
TL;DR

MITのディーン・プライス助教授は、米国で94基の原子炉が全電力の20%を供給している現状を踏まえ、原子力ルネサンスを推進するために、マルチフィジックスモデリングを用いた新型原子炉の設計に取り組んでいる。

AI深層分析2026年4月4日 06:41
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参考/ 5段階
深度40%
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関連度30%
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実用性20%
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革新性10%
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キーポイント

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米国の原子力エネルギー現状と課題

米国では94基の原子炉が稼働し、全電力の約20%を供給しているが、化石燃料代替としてのさらなる拡大が求められており、そのインフラを維持する技術者の数は限られている。

2

原子力ルネサンスへの取り組み

ディーン・プライス助教授は、既存の原子炉の安全性、経済性、信頼性を基盤とした新型原子炉の設計と導入を目指し、原子力工学コミュニティの結束と協力を得て活動している。

3

マルチフィジックスモデリングによる研究

プライス助教授は、原子炉炉心内で同時に起こる中性子工学と熱水力学的プロセスの相互作用を分析するマルチフィジックスモデリングに取り組み、より効率的な原子炉設計を目指している。

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使用済み核燃料の長期保管問題

使用済み核燃料棒の鋼鉄・コンクリートキャスクによる保管は短期的には安全と分析されているが、長期的な処分方法については未解決の課題が残されている。

影響分析・編集コメントを表示

影響分析

この記事は、気候変動対策として原子力エネルギーへの関心が高まる中、次世代原子炉開発のための学術研究と人材育成の重要性を強調している。MITの研究者による取り組みは、原子力ルネサンスを支える技術的基盤の構築に貢献する可能性があるが、AI技術との直接的な関連性は限定的である。

編集コメント

原子力エネルギー分野の専門家インタビュー記事であり、AI技術との直接的な関連は薄いが、エネルギー転換期における技術開発の一端として参考になる。

現在、米国では94基の原子炉が稼働しており、これは世界で最も多い数であり、これらの設備は全米の電力供給の約20%を担っています。ディーン・プライス氏によれば、これは大きな成果ですが、彼は化石燃料依存の発電所に対する代替案が切実に求められているこの時期において、米国は原子力エネルギーからより多くのものを引き出す必要があると考えています。彼が原子力エンジニアとなったのも、この極めて重要な理由からです——すなわち、多大な需要があるこの時代に、原子力技術がその役割を果たし得ることを確実にすることでした。

「過去60年間、原子力エネルギーはわが国のエネルギーインフラの重要な部分を占めてきましたが、そのインフラを維持している人の数は極めて少ない」と語るのは、MIT(マサチューセッツ工科大学)の原子力科学工学部(NSE)の助教であり、アトランティック・リッチフィールドエネルギー研究講座教授であるプライス氏です。「原子力エンジニアになるということは、米国における無炭素エネルギー発電を担当する限られた人々の一人になることを意味します。」

それは彼が参加することを熱望していた使命であり、彼自身が定めた目標は決して謙虚なものではありませんでした。彼は既存の原子力発電所の安全性、経済性、信頼性を基盤として、新しいクラスの原子炉の設計と導入を支援したいと考えていました。

プライス氏はこの目標から決して揺るぐことはなく、その過程で励ましを受けてきました。彼は、「原子力工学のコミュニティは小さく結束力が強く、非常に歓迎的です。一度その世界に入ると、ほとんどの人は他のことをする気にならず、この分野に留まります」と語ります。

物理プロセス間の関係性を明らかにする

アーバナ・シャンペーン校のイリノイ大学で学部生の最初の研究プロジェクトとして、プライス氏は使用済み燃料棒の安全性を研究しました。これらは水タンクで数年間冷却された後、鋼製およびコンクリート製のキャスクに保管されます。彼の分析により、この保管方法は非常に安全であることが示されましたが、これらの燃料キャスクを最終的にどう扱うか、特に長期処分に関する問題は、この国では未だに解決されていません。

2020年にミシガン大学で大学院研究を開始した後、プライス氏は現在も取り組んでいる異なる研究分野に取り組みました。マルチフィジックスモデリング(多物理場モデル)と呼ばれるこの研究領域では、原子炉の内部で同時に進行するさまざまな物理プロセスを調べ、それらがどのように相互作用するかを探ります。これは、これらのプロセスを一つずつ個別に研究する従来の手法に対する代替アプローチです。

重要なプロセスの一つである中性子物理学(neutronics)は、原子炉心内で中性子が飛び回り核分裂を引き起こす仕組みを扱い、これが電力の生成源となります。もう一つのプロセスである熱水力学(thermal hydraulics)は、中性子によって生成された熱を抽出するために原子炉を冷却するプロセスです。これらの2つのプロセスがどのように相互作用するかを分析するマルチフィジックスシミュレーション(multiphysics simulation)は、原子炉が電力を生成する際に運ばれる熱が中性子の挙動に与える影響を示す可能性があります。なぜなら、燃料が hotter であるほど、核分裂を引き起こしにくくなるからです。

「もし原子炉の出力レベルを変更したり、何か作業を行ったりしたい場合、燃料の温度は知っておく必要がある重要な入力値です」とプライス氏は語ります。「マルチフィジックスモデリングにより、核分裂に関する中性子物理学プロセスと温度という熱的特性を関連付けることができます。その結果、異なる条件下での原子炉の挙動を予測するのに役立ちます。」

現在稼働している1,000メガワット級の軽水炉(light water reactors)におけるマルチフィジックスモデリングは、プライス氏によればかなり確立されています。しかし、先進的な原子炉、すなわち20〜300MW程度の容量を持つ小規模モジュール型原子炉(small modular reactors: SMRs)や1〜20MWのマイクロリアクター(microreactors)をモデリングする手法は、まだ大きく遅れています。現在稼働しているこれらの原子炉の数は非常に限られていますが、プライス氏はこれらに注力しています。その理由は、電力と規模の柔軟性に加え、より安価かつ安全に電力を生成する可能性を持っているからです。

マルチフィジックスシミュレーションは原子力コミュニティに豊富な情報を提供してきたが、それらの解法にはスーパーコンピュータが必要であり、あるいは結合した極めて困難な非線形方程式の近似解を求める必要がある場合もある。計算負荷を大幅に軽減する目的で、プライス氏はこれらの負担の大きい方程式を完全に回避しながらも同様の回答を提供しうる人工知能(AI)のアプローチを積極的に探求している。これは、彼が2025年9月にMITの教員に加わって以来の研究課題の中核的なテーマとなっている。

人工知能の重要な役割

特に、人工知能や機械学習手法が得意とするのは、データ内に隠されたパターン、例えば原子力発電所の機能にとって重要な変数間の相関関係などを見つけることである。プライス氏によれば、「もしあなたが反応炉の出力レベルを教えてくれれば、AIは燃料温度を特定し、さらには炉心内の3次元温度分布さえも教えてくれるだろう」。もしこのプロセスが複雑な微分方程式を解くことなく行えるなら、計算コストは大幅に削減される可能性がある。

プライスは、AIが特に有用となるいくつかの応用分野を調査しています。例えば、新型原子炉の設計支援などが挙げられます。「その後、過去50年間に開発された安全フレームワークに依存して、提案された設計の安全性分析を実施できます」と彼は語ります。「このように、AIは安全上重要なシステムと直接インターフェースすることはありません。」彼の見解では、AIの役割は既存の手続きを置き換えるのではなく補完し、知識の既存のギャップを埋めるのを助けることです。

機械学習モデルに十分な量のデータを学習させることで、主要な物理プロセス間の関係をよりよく理解するのに役立ちます。これもまた、非線形微分方程式を解く必要はありません。

「これらの関係を明確に特定することで、初期段階でより良い設計判断を下すことができます」とプライスは言います。「そして、その技術が開発され導入された際、AIはより賢明な制御判断を下すのを助け、原子炉をより安全かつ経済的に運用することを可能にします。」

彼を育ててくれたコミュニティへの還元

要するに、彼の主要な目標の一つは、AIの恩恵を原子力産業にもたらすことであり、その可能性は広大でほとんど未開拓であると彼は見なしている。プライス氏はまた、MITの教授という立場にあることが、彼が描く原子力への未来に私たちがより近づくのを助けるのに適した立場であると信じている。彼の見方では、彼は次世代の原子炉を開発するだけでなく、分野における次世代のリーダーを準備するのを助けるためにも働いている。

プライス氏は、昨年秋にKEPCO実践原子力科学工学教授であるCurtis Smithと共同で教えた設計コースで、その「次世代」の有望なメンバーの一部と知り合った。プライス氏にとって、その出会いは数ヶ月間しかなかったが、それはMITの学生たちが非常に意欲が高く、勤勉で、能力があることを彼が発見するのに十分な長さだった。驚くべきことではないが、それらはまさに彼が自身の研究チームに加わる学生に見出したいと望むのと同じ資質である。

プライスは、この分野での最初の、慎重な一歩を踏み出した際に受けた支援を鮮明に思い出します。現在、彼は学部生から教授へと昇進し、その過程で豊富な知識を蓄えてきましたが、学生には「私がこの分野に入ったときに感じたのと同じような感覚」を体験してほしいと考えています。原子炉の設計と運用の改善という具体的な目標に加え、プライスは「私が当初から原子力工学を愛するようになった、同じような楽しさと健全な環境を引き継いでほしい」と語っています。

原文を表示

Today, there are 94 nuclear reactors operating in the United States, more than in any other country in the world, and these units collectively provide nearly 20 percent of the nation’s electricity. That is a major accomplishment, according to Dean Price, but he believes that our country needs much more out of nuclear energy, especially at a moment when alternatives to fossil fuel-based power plants are desperately being sought. He became a nuclear engineer for this very reason — to make sure that nuclear technology is up to the task of delivering in this time of considerable need.

“Nuclear energy has been a tremendous part of our nation’s energy infrastructure for the past 60 years, and the number of people who maintain that infrastructure is incredibly small,” says Price, an MIT assistant professor in the Department of Nuclear Science and Engineering (NSE), as well as the Atlantic Richfield Career Development Professor in Energy Studies. “By becoming a nuclear engineer, you become one of a select number of people responsible for carbon-free energy generation in the United States.”

That was a mission he was eager to take part in, and the goals he set for himself were far from modest: He wanted to help design and usher in a new class of nuclear reactors, building on the safety, economics, and reliability of the existing nuclear fleet.

Price has never wavered from this objective, and he’s only found encouragement along the way. The nuclear engineering community, he says, “is small, close-knit, and very welcoming. Once you get into it, most people are not inclined to do anything else.”

Illuminating the relationships between physical processes

In his first research project as an undergraduate at the University of Illinois Urbana at Champaign, Price studied the safety of the steel and concrete casks used to store spent reactor fuel rods after they’ve cooled off in tanks of water, typically for several years. His analysis indicated that this storage method was quite safe, although the question as to what should ultimately be done with these fuel casks, in terms of long-term disposal, remains open in this country.

After starting graduate studies at the University of Michigan in 2020, Price took up a different line of research that he’s still engaged in today. That area of study, called multiphysics modeling, involves looking at various physical processes going on in the core of a nuclear reactor to see how they interact — an alternative to studying these processes one at a time.

One key process, neutronics, concerns how neutrons buzz around in the reactor core causing nuclear fission, which is what generates the power. A second process, called thermal hydraulics, involves cooling the reactor to extract the heat generated by neutrons. A multiphysics simulation, analyzing how these two processes interact, could show how the heat carried away as the reactor produces power affects the behavior of neutrons, because the hotter the fuel is, the less likely it is to cause fission.

“If you ever want to change your power level, or do anything with the reactor, the temperature of the fuel is a critical input that you need to know,” says Price. “Multiphysics modeling allows us to correlate the fission neutronics processes with a thermal property, temperature. That, in turn, can help us predict how the reactor will behave under different conditions.”

Multiphysics modeling for light water reactors, which are the ones operating today with capacities on the order of 1,000 megawatts, are pretty well established, Prices says. But methods for modeling advanced reactors — small modular reactors (SMRs with capacities ranging from around 20 to 300 MW) and microreactors (rated at 1 to 20 MW) — are far less advanced. Only a very small number of these reactors are operating today, but Price is focusing his efforts on them because of their potential to produce power more cheaply and more safely, along with their greater flexibility in power and size.

Although multiphysics simulations have supplied the nuclear community with a wealth of information, they can require supercomputers to solve, or find approximate solutions to, coupled and extremely difficult nonlinear equations. In the hopes of greatly reducing the computational burden, Price is actively exploring artificial intelligence approaches that could provide similar answers while bypassing those burdensome equations altogether. That has been a central theme of his research agenda since he joined the MIT faculty in September 2025.

A crucial role for artificial intelligence

What artificial intelligence and machine-learning methods, in particular, are good at is finding patterns concealed within data, such as correlations between variables critical to the functioning of a nuclear plant. For example, Price says, “if you tell me the power level of your reactor, it [AI] could tell you what the fuel temperature is and even tell you the 3-dimensional temperature distribution in your core.” And if this can be done without solving any complicated differential equations, computational costs could be greatly reduced.

Price is investigating several applications where AI may be especially useful, such as helping with the design of novel kinds of reactors. “We could then rely on the safety frameworks developed over the past 50 years to carry out a safety analysis of the proposed design,” he says. “In this way, AI will not be directly interfacing with anything that is safety-critical.” As he sees it, AI’s role would be to augment established procedures, rather than replacing them, helping to fill in existing gaps in knowledge.

When a machine-learning model is given a sufficient amount of data to learn from, it can help us better understand the relationship between key physical processes — again without having to solve nonlinear differential equations.

“By really pinning down those relationships, we can make better design decisions in the early stages,” Price says. “And when that technology is developed and deployed, AI can help us make more intelligent control decisions that will enable us to operate our reactors in a safer and more economical way.”

Giving back to the community that nurtured him

Simply put, one of his chief goals is to bring the benefits of AI to the nuclear industry, and he views the possibilities as vast and largely untapped. Price also believes that he is well-positioned as a professor at MIT to bring us closer to the nuclear future that he envisions. As he sees it, he’s working not only to develop the next generation of reactors, but also to help prepare the next generation of leaders in the field.

Price became acquainted with some prospective members of that “next generation” in a design course he co-taught last fall with Curtis Smith, the KEPCO Professor of the Practice of Nuclear Science and Engineering. For Price, that introduction lasted just a few months, but it was long enough for him to discover that MIT students are exceptionally motivated, hard-working, and capable. Not surprisingly, those happen to be the same qualities he’s hoping to find in the students that join his research team.

Price vividly recalls the support he received when taking his first, tentative steps in this field. Now that he’s moved up the ranks from undergraduate to professor, and acquired a substantial body of knowledge along the way, he wants his students “to experience that same feeling that I had upon entering the field.” Beyond his specific goals for improving the design and operation of nuclear reactors, Price says, “I hope to perpetuate the same fun and healthy environment that made me love nuclear engineering in the first place.”

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