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原子力工学において、核分裂性物質とは、低エネルギーの中性子に当たると核分裂を起こすことができる物質のことである。 [1]自立的な熱連鎖反応は核分裂性物質でのみ達成できる。システム内の支配的な中性子エネルギーは、低速中性子（すなわち、熱システム）または高速中性子のいずれかによって代表される。核分裂性物質は、熱中性子炉、高速中性子炉、核爆発物の燃料として使用できる。
核分裂性核種と核分裂性核種
核分裂性という用語は、核分裂性とは異なります。高エネルギーまたは低エネルギーの中性子を捕獲した後に（たとえ低い確率であっても）核分裂を起こすことができる核種[2]は、核分裂性と呼ばれます。低エネルギーの熱中性子を捕獲した後に高い確率で核分裂を起こすことができる核分裂性核種は、核分裂性と呼ばれます。[3]核分裂性物質には、高エネルギー中性子によってのみ核分裂が誘発される物質（ウラン238 など）が含まれます。結果として、核分裂性物質（ウラン235など）は、核分裂性物質の サブセットです。
ウラン235は低エネルギーの熱中性子と核分裂する。これは中性子の吸収によって生じる結合エネルギーが核分裂に必要な臨界エネルギーよりも大きいためである。したがってウラン235は核分裂性である。対照的に、ウラン238が熱中性子を吸収することによって放出される結合エネルギーは臨界エネルギーよりも小さいため、核分裂を可能にするためには中性子が追加のエネルギーを持っている必要がある。したがって、ウラン238は核分裂性ではあるが核分裂性ではない。[4] [5]
別の定義では、核分裂性核種は、核分裂を起こすことができる（つまり、核分裂可能である）核種であり、適切な設定で核分裂から核連鎖反応を維持できる中性子を生成する核種と定義されています。この定義によると、核分裂可能であるが核分裂性ではない核種は、核分裂を起こすことはできるが、核連鎖反応を維持するにはエネルギーまたは数のどちらかで中性子を生成するのが不十分な核種のみです。したがって、すべての核分裂性同位体は核分裂性ですが、すべての核分裂性同位体が核分裂性であるわけではありません。軍備管理の文脈、特に核分裂性物質生産禁止条約の提案では、核分裂性という用語は、核兵器の核分裂一次核分裂に使用できる物質を説明するためによく使用されます。[6]これらは爆発的な高速中性子 核分裂 連鎖反応 を維持する物質である。
上記のすべての定義において、ウラン238（238
あなた
）は核分裂性はないが、核分裂性はない。238
あなた
元の中性子よりもエネルギーが低く（非弾性散乱のように振る舞う）、通常は1MeV （すなわち約14,000km /sの速度 ）以下で、その後の核分裂を引き起こす核分裂閾値である。238
あなた
、核分裂238
あなた
核連鎖反応は持続しない。
高速核分裂238
あなた
熱核兵器の第二段階では、核融合による高エネルギー中性子の生成により、そのような兵器の威力と放射性降下物に大きく貢献する。238
あなた
純粋な核分裂兵器でも改ざんが明らかになっている。[7]238
あなた
また、一部の高速中性子炉の出力にも大きく貢献しています。
核分裂性核種
一般に、中性子数が奇数であるアクチニド同位体のほとんどは核分裂性です。ほとんどの核燃料は原子質量数が奇数（A = Z + N =核子の総数）で、原子番号Zが偶数です。これは中性子の数が奇数であることを意味します。中性子数が奇数の同位体は、中性子と陽子の両方が偶数である方が有利になる対合効果により、余分な中性子を吸収して 1 ～ 2 MeV の余分なエネルギーを得ます。このエネルギーは、より遅い中性子による核分裂に必要な余分なエネルギーを供給するのに十分であり、これは核分裂性同位体を核分裂性にもするために重要です。
より一般的には、陽子と中性子の数が偶数で、原子物理学でよく知られている原子番号と原子質量数の曲線の近くに位置する核種は、他の核種よりも安定しており、したがって核分裂を起こす可能性は低くなります。これらの核種は、中性子を「無視」してそのままにしておくか、中性子を吸収しても、核分裂を起こすのに十分なエネルギーをその過程で得ることなく核を変形させて核分裂させる可能性が高くなります。これらの「偶数偶数」同位体は、自発核分裂を起こす可能性も低く、アルファ崩壊またはベータ崩壊の部分半減期も比較的長くなります。これらの同位体の例としては、ウラン 238 とトリウム 232があります。一方、最も軽い核種以外では、陽子数と中性子数が奇数（Z が奇数、Nが奇数）の核種は通常短寿命です（注目すべき例外は半減期が 154,000 年のネプツニウム 236です）。これは、これらの核種がベータ粒子放出によって容易に同重体崩壊し、陽子数が偶数（Zが偶数、Nが偶数）になり、はるかに安定するからです。この現象の物理的根拠も核結合エネルギーの対形成効果に由来しますが、この場合は陽子-陽子と中性子-中性子の両方の対形成によるものです。このような奇数-奇数の重い同位体の半減期が比較的短いことは、それらが大量に入手できず、放射性が高いことを意味します。
イガル・ロネンが提唱した核分裂性規則によれば、Zが90から100の重元素の場合、同位体は2 × Z − N ∈ {41, 43, 45 }（ここでN =中性子の数、Z =陽子の数）の場合にのみ核分裂性であるが、いくつかの例外がある。[13] [14]この規則は、14の核種を除くすべての核種に当てはまる。7つは基準を満たすが核分裂性ではなく、7つは核分裂性であるが基準を満たさない。[注 1]
核燃料
核分裂連鎖反応に有用な燃料となるには、物質は次の条件を満たしていなければなりません。
- 核分裂連鎖反応が起こり得る結合エネルギー曲線の領域（すなわちラジウム以上）にあること
- 中性子捕獲による核分裂の確率が高い
- 中性子捕獲ごとに平均して 1 個以上の中性子を放出します。(核分裂ごとに十分な量の中性子を放出し、非核分裂と非燃料物質への吸収を補います)
- 半減期がかなり長い
- 適切な数量が利用可能であること。
核燃料に含まれる 核分裂性核種には以下のものがあります。
- ウラン 233 は、中間崩壊段階を省略して中性子捕獲によってトリウム 232から生成されます。
- 天然ウランおよび濃縮ウランに含まれるウラン235
- プルトニウム 239 は、中間崩壊段階を省略して中性子捕獲によってウラン 238 から生成されます。
- プルトニウム241は、中性子捕獲によってプルトニウム240から直接生成されたものです。
核分裂性核種は、中性子を吸収すると必ず核分裂を起こすわけではありません。その可能性は核種と中性子のエネルギーに依存します。低エネルギーおよび中エネルギー中性子の場合、核分裂のための中性子捕獲断面積(σ F )、ガンマ線放出を伴う中性子捕獲断面積(σ γ )、および非核分裂の割合は右の表に示されています。
核燃料中の核種には以下のものがあります。
- トリウム 232 は、中間崩壊段階を省略して中性子捕獲によりウラン 233 を生成します。
- ウラン 238は、中間崩壊段階を省略して中性子捕獲によりプルトニウム 239 を生成します。
- プルトニウム240は中性子捕獲によってプルトニウム241を直接増殖させます。
参照
注記
- ^ このように定式化された核分裂規則では、33 の同位体が核分裂性である可能性が高いと示されています: Th-225、227、229; Pa-228、230、232; U-231、233、235; Np-234、236、238; Pu-237、239、241; Am-240、242、244; Cm-243、245、247; Bk-246、248、250; Cf-249、251、253; Es-252、254、256; Fm-255、257、259。半減期が1年以上の元素は、 Th -229、U-233、U-235、Np-236、Pu-239、Pu-241、Am-242m、Cm-243、Cm-245、Cm-247、Bk-248、Cf-249、Cf-251、Es-252の14種類のみです（長寿命の準安定核異性体を含む）。これらのうち、U-235のみが天然に存在します。U -233とPu-239は、より一般的な天然同位体（それぞれTh-232とU-238）から、1回の中性子捕獲によって増殖することが可能です。その他の元素は通常、さらなる中性子吸収によって少量生成されます。
参考文献
- ^ 「NRC: 用語集 - 核分裂性物質」www.nrc.gov。
- ^ 「NRC: 用語集 - 核分裂性物質」www.nrc.gov。
- ^ 「スライド-パート1: 運動学」。UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering 。 2013年1月3日閲覧。
- ^ James J. Duderstadt および Louis J. Hamilton (1976)。原子炉分析。John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-22363-8。
- ^ John R. Lamarsh と Anthony John Baratta (第 3 版) (2001)。原子力工学入門。Prentice Hall。ISBN 0-201-82498-1。
- ^ 核分裂性物質と核兵器 2012-02-06ウェイバックマシンにアーカイブ、核分裂性物質に関する国際パネル
- ^ Semkow, Thomas; Parekh, Pravin; Haines, Douglas (2006). 「トリニティテストの影響のモデル化」。原子核科学における応用モデル化と計算。ACSシンポジウムシリーズ。第 1 巻。ACSシンポジウムシリーズ。pp. 142–159。doi : 10.1021/ bk -2007-0945.ch011。ISBN 9780841239821。
- ^ ラジウム（元素番号88）も加わる。実際にはサブアクチニドであるが、アクチニウム（89）の直前に位置し、ポロニウム（84）の後に3元素の不安定性ギャップがあり、このギャップには半減期が4年以上の核種は存在しない（このギャップ内で最も長寿命の核種は半減期が4日未満のラドン222である）。ラジウムの同位体の中で最も寿命が長く、1,600年であるため、この元素をここに含める価値がある。
- ^具体的には、典型的な 原子炉におけるウラン 235 の熱中性子核分裂から生じます。
- ^ Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). 「ベルクリウム247のアルファ半減期; ベルクリウム248の新しい長寿命異性体」.核物理学. 71 (2): 299. Bibcode :1965NucPh..71..299M. doi :10.1016/0029-5582(65)90719-4.
「同位体分析により、約 10 か月にわたって分析された 3 つのサンプルに質量 248 の種が一定量存在することが分かりました。これは半減期が 9 年を超えるBk 248の異性体によるものと考えられます。Cf 248の増殖は検出されず、β −半減期の下限は約 10 4年と設定できます。新しい異性体に起因するアルファ活性は検出されていません。アルファ半減期はおそらく 300 年を超えています。」 - ^これは「 不安定の海」に入る前の半減期が少なくとも4年である最も重い核種です。
- ^ 半減期が232 Th を大幅に超える「古典的に安定した」核種は除きます。たとえば、113m Cd の半減期はわずか 14 年ですが、113 Cd の半減期は 8京年です。
- ^ Ronen Y., 2006. 核分裂性同位体を決定するための規則。Nucl . Sci. Eng.、152:3、334-335ページ。[1]
- ^ Ronen, Y. (2010). 「核分裂性同位体に関するいくつかのコメント」Annals of Nuclear Energy . 37 (12): 1783–1784. Bibcode :2010AnNuE..37.1783R. doi :10.1016/j.anucene.2010.07.006.
- ^ 「核種のインタラクティブチャート」。ブルックヘブン国立研究所。2017年1月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年8月12日閲覧。