遅延中性子

原子力工学において、遅発中性子とは、核分裂イベント後に核分裂生成物の 1 つ (または実際にはベータ崩壊後の核分裂生成物の娘核種) によって、核分裂イベント後数ミリ秒から数分以内に放出される中性子のことです。核分裂から 10 ⁻¹⁴秒以内に発生する中性子は「即発中性子」と呼ばれます。

原子炉内では、大きな核種が 2 つの中性子過剰核分裂生成物 (つまり、不安定核種) と自由中性子 (即発中性子) に分裂します。これらの核分裂生成物の多くは、その後放射性崩壊(通常はベータ崩壊) を起こし、結果として生じる核種はベータ崩壊に関して不安定です。それらのごく一部は、ベータに加えて遅延中性子を放出してベータ崩壊できるほど励起されます。遅延中性子の前駆体である前駆体核種のベータ崩壊の瞬間は、即発中性子の放出と比較して桁違いに遅く起こります。したがって、前駆体の崩壊から発生する中性子は、遅延中性子と呼ばれます。中性子放出の「遅延」は、ベータ崩壊の遅延によるものです (ベータ崩壊は弱い力によって制御されるため遅くなります)。これは、中性子放出はガンマ放出と同様に強い核力によって制御され、核分裂時に発生するか、ベータ崩壊の直後にほぼ同時に発生するためです。最終的に中性子放出をもたらすこれらの崩壊のさまざまな半減期は、前駆体放射性核種のベータ崩壊半減期です。

遅発中性子は原子炉の制御と安全性の分析 において重要な役割を果たします。

遅延中性子は、核分裂生成物のベータ崩壊に関係しています。即発核分裂中性子放出後、残留破片は依然として中性子に富み、ベータ崩壊連鎖を起こします。破片の中性子に富むほど、ベータ崩壊はよりエネルギーが高く、より速くなります。場合によっては、ベータ崩壊で利用可能なエネルギーが十分に高いため、残留核が非常に励起された状態になり、ガンマ放出ではなく中性子放出が発生します。

ウラン 235 を例に挙げると、この原子核は熱中性子を吸収し、核分裂イベントの直後の質量生成物は、形成されたウラン 236 原子核の残骸である 2 つの大きな核分裂片です。これらの断片は、平均して 2 個または 3 個の自由中性子 (平均 2.47) を放出し、これを「即発」中性子と呼びます。その後の核分裂片は、時折放射性崩壊 (ベータ マイナス崩壊)の段階を経て、励起状態の新しい原子核 (放出原子核) を生成し、この原子核が「遅延」中性子と呼ばれる追加の中性子を放出して基底状態に戻ります。これらの中性子放出核分裂片は、遅延中性子前駆原子と呼ばれます。

U-235の熱核分裂における遅延中性子データ^{[1] [2]}

原子炉が即時臨界状態になった場合、たとえわずかでも、中性子の数が急激に増加し、外部メカニズムでは原子炉をすぐに制御できなくなります。出力上昇の制御は、炉心の熱膨張や中性子の共鳴吸収の増加など、原子炉固有の物理的安定性要因に委ねられます。通常、これらの要因は温度上昇時に原子炉の反応性を低下させる傾向がありますが、原子炉は熱によって損傷または破壊されるリスクを負うことになります。

しかし、遅延中性子のおかげで、即発中性子に関してのみ、原子炉を臨界未満の状態のままにしておくことが可能になる。つまり、遅延中性子は、連鎖反応が消滅しようとするときに、ちょうど間に合うように、一瞬遅れてやってくる。その状態では、中性子生成は全体として依然として指数関数的に増加するが、その時間スケールは遅延中性子生成によって支配され、遅延中性子生成は制御できるほど遅い（不安定な自転車でも、人間の反射神経がその不安定さの時間スケールで十分速いため、バランスを保つことができるのと同じである）。このように、非作動および超臨界のマージンを広げ、原子炉を制御するための時間を増やすことで、遅延中性子は、能動的な制御を必要とする原子炉であっても、 原子炉の本質的な安全性にとって不可欠となる。

遅発中性子の割合が低い^[3]ため、原子炉でプルトニウムを大量に使用することはより困難になります。

前駆体収率βは次のように定義されます。

${\displaystyle \beta ={\frac {\mbox{前駆原子}}{{\mbox{即発中性子}}+{\mbox{前駆原子}}}}.}$

U-235の場合は0.0064になります。

遅発中性子率（DNF）は次のように定義されます。

${\displaystyle DNF={\frac {\mbox{遅延中性子}}{{\mbox{即発中性子}}+{\mbox{遅延中性子}}}}.}$

これら 2 つの係数、β とDNFはほぼ同じものですが、完全に同じではありません。原子炉内の中性子の数が急激に（前駆原子の崩壊時間よりも速く）変化する場合には異なります。

もう一つの概念は、遅延中性子の有効割合βeff_で、これは、副中性子束に重み付けされた（空間、エネルギー、角度にわたる）遅延中性子の割合です。この概念は、遅延中性子が即発中性子に比べてより熱化されたエネルギースペクトルで放出されるために生じます。熱中性子スペクトルで動作する低濃縮ウラン燃料の場合、平均遅延中性子割合と有効遅延中性子割合の差は50 pcmに達することがあります。^[4]

• プロンプトクリティカル
• 臨界質量
• 核連鎖反応
• ドル（反応性）

• ハイブリッド原子炉：遅延中性子
• ベータは遅延中性子（人口）の割合ではありません。2005-09-03にWayback Machineでアーカイブされました。