原子力技術

地球上で起こる一般的な自然現象の大部分は、重力と電磁気のみに関わるものであり、核反応は関与していません。これは、原子核が正の電荷を帯びているため互いに反発し合い、通常は互いに離れた場所に存在しているからです。

1896年、アンリ・ベクレルはウラン塩の燐光を研究していた際に、放射能と呼ばれる新しい現象を発見した。^{[ 1 ]}彼とピエール・キュリー、マリー・キュリーは、この現象の研究を始めた。その過程で、彼らは放射能の高い元素ラジウムを単離した。彼らは、放射性物質が3種類の異なる強烈で透過性の高い光線を放出することを発見し、ギリシャ文字の最初の3文字にちなんで、それらをアルファ、ベータ、ガンマと名付けた。これらの放射線の中には、通常の物質を透過するものもあり、すべて大量に浴びると有害となる可能性がある。初期の研究者たちは皆、日焼けによく似た様々な放射線火傷を負ったが、それをあまり気にしていなかった。

放射能という新たな現象は、（以前の電気や磁気の発見と同様に）インチキ薬の製造業者に利用され、放射能を利用した数々の特許薬や治療法が売り出された。

放射性崩壊によって発生する放射線は電離放射線であり、燃焼には至らないほど微量であっても、長期的に深刻な健康被害をもたらす可能性があることが徐々に認識されるようになった。放射能の研究に携わっていた科学者の多くは、被曝が原因で癌で亡くなった。放射性物質を含む特許医薬品はほとんど姿を消したが、ラジウム塩を用いてメーターの文字盤を発光させるなど、放射性物質の他の用途は存続した。

原子の理解が深まるにつれて、放射能の性質もより明確になっていった。原子核の中には不安定なものがあり、一定時間経過後に崩壊（物質またはエネルギーを放出）する。ベクレルとキュリー夫妻が発見した3種類の放射線についても、より深く理解されるようになった。アルファ崩壊とは、原子核がアルファ粒子（陽子2個と中性子2個、ヘリウム原子核に相当）を放出する現象である。ベータ崩壊とは、ベータ粒子（高エネルギー電子）を放出する現象である。ガンマ崩壊ではガンマ線が放出される。ガンマ線はアルファ線やベータ線とは異なり、物質ではなく、非常に高周波の電磁波であり、したがってエネルギーも高い。このタイプの放射線は最も危険で、最も遮断が難しい。これら3種類の放射線はすべて、特定の元素で自然に発生する。

また、地球上のエネルギーの大部分の究極的な源は核エネルギーであることが明らかになってきており、それは恒星の熱核反応によって引き起こされる太陽からの放射線、あるいは地熱エネルギーの主要な源である地球内部のウランの放射性崩壊のいずれかによるものである。

自然放射線では、副生成物は、それらが由来する原子核に比べて非常に小さい。核分裂とは、原子核がほぼ等しい部分に分裂し、その過程でエネルギーと中性子を放出する過程である。これらの中性子が別の不安定な原子核に捕獲されると、それらも核分裂を起こし、連鎖反応につながる。別の原子核の核分裂に関与する原子核あたりに放出される中性子の平均数はkと呼ばれる。k の値が1より大きいということは、核分裂反応が吸収する中性子よりも多くの中性子を放出していることを意味し、したがって自己持続連鎖反応と呼ばれる。自己持続連鎖反応を引き起こすのに十分な大きさ（かつ適切な配置）の核分裂性物質の質量は、臨界質量と呼ばれる。

中性子が適切な原子核に捕獲されると、核分裂が直ちに起こる場合もあれば、原子核が短時間不安定な状態を維持する場合もある。連鎖反応を継続させるのに十分な数の即時崩壊が起こると、その質量は即発臨界状態にあると言われ、放出されるエネルギーは急速かつ制御不能に増大し、通常は爆発に至る。

第二次世界大戦勃発直前に発見されたこの知見は、複数の国が原子爆弾の製造可能性を調査する計画を開始するきっかけとなった。原子爆弾は、化学爆薬では生成できないほどのエネルギーを核分裂反応によって生み出す兵器である。米国が英国とカナダの協力を得て実施したマンハッタン計画では、複数の核分裂兵器が開発され、 1945年に広島と長崎で日本に対して使用された。この計画の過程で、最初の核分裂炉も開発されたが、これらは主に兵器製造用であり、発電には使用されなかった。

1951年、アイダホ州アルコにある実験増殖炉1号機（EBR-1）で、最初の核分裂発電所が発電を開始し、人類のエネルギー利用がより集約的になる「原子力時代」が幕を開けた。^{[ 2 ]}

しかし、質量が遅発中性子を含めた場合にのみ臨界となる場合、例えば中性子吸収材の導入や除去によって反応を制御することができます。これが原子炉の建設を可能にする仕組みです。高速中性子は原子核に容易に捕獲されません。容易に捕獲されるためには、一般的に中性子減速材の原子核との衝突によって減速（低速中性子）させる必要があります。今日では、このタイプの核分裂は発電に広く利用されています。

原子核が衝突を強いられると、核融合が起こることがあります。この過程では、エネルギーが放出される場合もあれば、吸収される場合もあります。生成された原子核が鉄の原子核よりも軽い場合、通常はエネルギーが放出されます。原子核が鉄の原子核よりも重い場合、一般的にエネルギーは吸収されます。この核融合の過程は、水素とヘリウムからエネルギーを得る恒星で起こります。恒星は、恒星核合成によって、リチウムからカルシウムまでの軽元素と、鉄とニッケルを超える重元素の一部（ S過程による）を生成します。ニッケルからウラン、そしてそれ以上の重元素の残りの存在量は、超新星核合成、すなわちR過程によるものです。

もちろん、こうした天体物理学の自然現象は、核「技術」の例ではありません。原子核間の反発力が非常に強いため、核融合を制御された形で実現することは困難です。水素爆弾（正式には熱核兵器）は、核融合によって莫大な破壊力を得ますが、そのエネルギーを制御することはできません。制御された核融合は粒子加速器で実現され、多くの合成元素はこのようにして製造されています。フューザーも制御された核融合を実現でき、有用な中性子源となります。しかし、これらの装置はいずれも正味のエネルギー損失を伴います。時折のデマにもかかわらず、制御された実用的な核融合発電は実現していません。技術的および理論的な困難が、実用的な民生用核融合技術の開発を妨げてきましたが、世界中で研究は今日まで続けられています。

核融合は、第二次世界大戦中、マンハッタン計画（エドワード・テラーが率いる）の科学者たちが爆弾製造法として研究していた当初は、理論段階にとどまっていた。しかし、核融合は爆発させるには核分裂反応が必要であると結論づけ、計画は断念した。重水素と三重水素の反応を利用したことから「水素爆弾」と呼ばれる最初の本格的な水素爆弾が爆発したのは1952年のことだった。核融合反応は核分裂反応よりも単位質量あたりのエネルギーがはるかに大きいが、核融合連鎖反応を開始させるのははるかに難しい。

原子力発電とは、核分裂を制御してエネルギーを放出し、推進力、熱、発電などの用途に利用する原子力技術の一種です。原子力エネルギーは、制御された核連鎖反応によって生成され、その熱を利用して水を沸騰させ、蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動します。タービンは発電や機械的な仕事を行うために使用されます。

現在、原子力発電は世界の電力の約15.7%（2004年時点）を供給しており、航空母艦、砕氷船、潜水艦の推進に使用されています（これまでのところ、経済的な問題や一部の港湾での懸念から、輸送船での原子力発電の使用は妨げられています）。^{[ 6 ]}すべての原子力発電所は核分裂を利用しています。人工的な核融合反応は、実用的な電力源にはなっていません。

原子力技術の医療応用は、診断と放射線治療に分けられる。

画像診断 -医療における電離放射線の最大の用途は、X線を用いて人体内部の画像を作成する医療放射線撮影です。これは、人間にとって最大の人工放射線被ばく源です。放射性トレーサーまたは造影剤として、有機分子に結合させた放射性医薬品が数多く使用されています。陽電子放出ヌクレオチドは、陽電子放出断層撮影（PET）と呼ばれる用途において、高解像度かつ短時間での画像診断に使用されます。

放射線は、放射線療法において病気の治療にも用いられる。

電離放射線の中には物質を透過するものがあるため、様々な測定方法に利用されています。X線やガンマ線は、非破壊検査や試験の手段として、固体製品の内部画像を撮影する工業用放射線撮影に用いられます。撮影対象物は、線源とカセット内の写真フィルムの間に配置されます。一定の露光時間後、フィルムが現像され、材料の内部欠陥が映し出されます。

ゲージ- ゲージはガンマ線の指数吸収法則を利用する

• 液面計：線源と検出器は容器の両側に配置され、水平方向の放射線経路における物質の有無を示します。測定対象物質の厚さと密度に応じて、ベータ線源またはガンマ線源が使用されます。この方法は、液体または粒状物​​質の容器に使用されます。
• 厚さ計：材料の密度が一定の場合、放射線検出器で測定される信号は材料の厚さに依存します。これは、紙やゴムなどの連続生産に役立ちます。

静電気制御― 紙、プラスチック、合成繊維などの製造工程において静電気の蓄積を防ぐため、生産ラインの終端部で材料の近くに、アルファ線放出体である241Am^の帯状線源を設置する。この線源は空気をイオン化し、材料上の電荷を除去する。

放射性トレーサー- 放射性同位体は化学的に不活性元素とほぼ同じように振る舞うため、放射能を追跡することで特定の化学物質の挙動を観察することができます。例：

• 密閉系内の気体または液体にガンマ線トレーサーを添加することで、チューブの穴を見つけることが可能になります。
• モーター部品の表面にトレーサーを添加することで、潤滑油の活性を測定し、摩耗を測定することが可能になる。

石油・ガス探査―核検層は、新規または既存の油井の商業的実現可能性を予測するために用いられます。この技術では、中性子線またはガンマ線源と放射線検出器を掘削孔内に降ろし、周囲の岩石の多孔性や岩相などの特性を測定します。

道路建設― 核式水分・密度計は、土壌、アスファルト、コンクリートの密度を測定するために使用されます。一般的にはセシウム137線源が使用されます。

• 放射線発光
• トリチウム照明：トリチウムはライフル照準器で蛍光体とともに使用され、夜間の射撃精度を高めます。一部の滑走路標識や建物の出口標識も同じ技術を使用しており、停電時にも点灯し続けます。^{[ 7 ]}
• ベータボルタ電池。
• 煙感知器：電離式煙感知器には、アルファ線源となる放射性アメリシウム241の微量が含まれています。2つの電離箱が隣り合って配置されています。どちらの電離箱にも、微弱な定常電流を発生させる^241Amの線源が少量含まれています。一方は密閉されており比較用として使用され、もう一方は外気に開放されています。開放された電離箱には格子状の電極があります。煙が開放された電離箱に入ると、煙の粒子が帯電したイオンに付着して電気的に中性の状態に戻すため、電流が遮断されます。これにより、開放された電離箱の電流が減少します。電流が一定の閾値を下回ると、警報が作動します。

生物学や農業では、放射線は突然変異を誘発して、新しい種や改良された種を生み出すために利用される。例えば、原子力園芸などが挙げられる。害虫駆除におけるもう一つの利用法は、不妊虫放飼法である。これは、雄の昆虫を放射線で不妊化して放飼することで、子孫を残さずに個体数を減らす方法である。

産業分野や食品分野では、放射線は工具や装置の滅菌に用いられています。利点の一つは、滅菌前に対象物をプラスチックで密封できることです。食品製造分野では、食品照射による食品の滅菌が新たな用途として注目されています。

食品照射^{[ 8 ]}は、食品中に存在する可能性のある微生物、細菌、ウイルス、昆虫を死滅させるために、食品を電離放射線にさらすプロセスです。使用される放射線源には、放射性同位体ガンマ線源、X線発生器、電子加速器などがあります。その他の用途としては、発芽抑制、熟成遅延、ジュース収量の増加、再水和の改善などがあります。照射は、技術的な目的を達成するために意図的に物質を放射線にさらすという、より一般的な用語です（この文脈では「電離放射線」が暗黙のうちに含まれています）。そのため、医療機器、プラスチック、ガスパイプラインのチューブ、床暖房のホース、食品包装用のシュリンクフィルム、自動車部品、電線とケーブル（絶縁）、タイヤ、さらには宝石など、食品以外のものにも使用されています。照射される食品の量と比較すると、これらの日常的な用途の量は膨大ですが、消費者は気づきません。

電離放射線による食品加工の真の影響は、生命の基本遺伝情報であるDNAへの損傷に関係しています。微生物はもはや増殖して悪性または病原性の活動を続けることができません。腐敗を引き起こす微生物は活動を続けることができません。昆虫は生存できないか、繁殖能力を失います。植物は自然な成熟または老化プロセスを続けることができません。これらの効果はすべて、消費者と食品業界の両方にとって有益です。^{[ 8 ]}

食品を効果的に照射するために必要なエネルギー量は、同じ食品を調理する場合に比べて少ない。一般的な10kGyの線量でも、（加熱に関して）物理的に水と同等のほとんどの食品は、わずか約2.5  ℃（4.5  °F）しか温まらない。

電離放射線による食品加工の特長は、原子遷移あたりのエネルギー密度が非常に高く、分子を切断して電離（そのためこの名前が付けられている）を誘発できる点にあります。これは単なる加熱では達成できない現象です。このため、新たな有益な効果が得られる一方で、新たな懸念も生じます。固体食品を電離放射線で処理すると、牛乳などの液体を加熱殺菌した場合と同様の効果が得られます。しかし、照射された食品を「低温殺菌」と呼ぶことには議論の余地があります。殺菌と照射は根本的に異なるプロセスであり、最終的な結果が類似する場合もあるものの、両者は根本的に異なるプロセスだからです。

食品照射に反対する人々は、誘導放射能による健康被害を懸念している。業界擁護団体である米国科学健康評議会の「照射食品」と題された報告書には、「食品処理に承認されている放射線源の種類は、食品中のいかなる元素も放射性にするほどのエネルギーレベルをはるかに下回る特定のエネルギーレベルを持っている。照射を受けた食品は、空港のX線スキャナーを通過する荷物やX線撮影された歯よりも放射能が高くなることはない」と記されている。^{[ 9 ]}

食品照射は現在40カ国以上で許可されており、その量は世界中で年間50万トン（49万ロングトン、55万ショートトン）を超えると推定されている。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

食品照射は基本的に非核技術であり、電子加速器で生成され制動放射線に変換される電離放射線を利用するものですが、核崩壊によるガンマ線を利用する場合もあります。電離放射線による処理は世界的に盛んな産業であり、その数と処理能力の大部分は加速器を使用しています。食品照射は、医療用品、プラスチック材料、原材料、宝石、ケーブルや電線などに比べると、ニッチな用途に過ぎません。