19.6: 核分裂

核子あたりの結合エネルギーが小さい多くの重元素は、中間的な質量数で核子あたりの結合エネルギーが大きい、つまり質量数と核子あたりの結合エネルギーが結合エネルギーグラフの56付近の “ピーク”に近い、より安定した元素に崩壊します。この崩壊にはしばしば中性子の生成を伴う。このように、大きな原子核が小さな原子核へと壊変することを核分裂といいます。核分裂は非常にランダムな過程であり、多数の異なる生成物が生まれます。通常、核分裂は自然には起こらず、中性子の衝突によって誘発されます。

重元素の核分裂では、非常に大きなエネルギーが発生します。例えば、1モルのU-235が核分裂を起こすと、生成物の重さは反応物よりも約0.2グラム少なくなります。この失われた質量は、U-235 1モルあたり約1.8 × 10¹⁰ kJという非常に大きなエネルギーに変換されます。核分裂反応は、化学反応に比べて信じられないほど大きなエネルギーを生み出す。例えば、1キログラムのウラン-235の核分裂は、1キログラムの石炭を燃やしたときの約250万倍のエネルギーを生み出す。

U-235は核分裂を起こすと、2つの中型の原子核と2～3個の中性子を発生させます。この中性子が他のウラン-235原子の核分裂を引き起こし、さらに中性子を供給して、さらに多くの原子核の核分裂を引き起こす。このようにして、核の連鎖反応が起こります。一方、多くの中性子が原子核と相互作用せずにバルク物質から逃げてしまうと、連鎖反応は起こりません。

中性子衝突の結果として核分裂を起こす可能性のある物質は、核分裂可能と呼ばれます。また、ゆっくりと移動する熱中性子による衝突の結果として核分裂を起こす可能性のある物質は、核分裂性と呼ばれます。

核分裂は、核分裂によって発生する中性子の数が、分裂する原子核が吸収する中性子の数と周囲に逃げ出す中性子の数と同等かそれ以上になると、自立的になります。自立した連鎖反応を可能にする核分裂物質の量を臨界量といいます。連鎖反応を維持できない核分裂性物質の量を亜臨界量といいます。核分裂の速度が増加している物質の量は超臨界量と呼ばれます。

臨界量は、物質の種類（純度、温度、試料の形状、中性子反応の制御方法など）によって異なります。一般的に物質は、温度が高いほど密度が低くなり、中性子が逃げやすくなります。平らな物体の中心から出発した中性子は、球状の物体の中心から出発した中性子よりも容易に表面に到達することができます。黒鉛のような中性子を反射する材料でできた容器に物質を封じ込めれば、逃げられる中性子の数は格段に少なくなり、臨界量に達するのに必要な核分裂物質の量が格段に少なくなります。

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

核分裂とは、重い原子核がサイズの異なる2つ以上の軽い原子核、つまり核分裂の断片と中性子に分解するプロセスです。驚くべきことに、核分裂の断片と中性子の数は、すべての核分裂で同じではありません。

ただし、質量と原子番号の合計は、核分裂方程式の両側で常に同じです。核分裂によって生成される「即効性」中性子に加えて、高エネルギー核分裂フラグメントのベータ崩壊後に追加の「遅延」中性子が生成される場合があります。

核分裂反応では、娘核種の結合エネルギーの合計は、親核種の結合エネルギーよりも大きくなります。この違いは、核分裂中に放出される膨大な量のエネルギーを説明しています。

核分裂によって放出される中性子は、通常、高い運動エネルギーを持ち、ほとんどの大きな原子核と相互作用することなく移動する「高速」中性子です。

中性子は、同じ大きさの原子核に衝突すると、かなりのエネルギーを失います。周囲と平衡に近づくものは、「遅い」または「熱的」な中性子です。熱中性子を吸収して核分裂を起こす核分裂性核種は「核分裂性」と呼ばれます。

核分裂反応で生成されたすべての中性子が、必ずしも別の原子核で核分裂を引き起こすわけではありません。しかし、そのような中性子が核分裂を開始するとき、それは核連鎖反応と呼ばれます。

連鎖反応は、中性子の「世代」で記述されます。連鎖反応を始める中性子が第1世代であり、その結果生じる核分裂が第2世代を生み出します。第2世代の中性子によって誘起された核分裂から生成される中性子が第3世代です。連鎖反応は、中性子が生成されなくなるまで続きます。

核分裂の平均数が世代間で同じままであれば、エネルギーは一定の速度で生産されます。ほとんどの場合、このプロセスは、中性子が材料を離れるかなり前に減速する場合に起こりやすくなります。

核分裂性物質の臨界質量と呼ばれる一定の最小質量は、生成された中性子がさらなる核分裂を誘発するのに十分な物質を持っていることを確認するために必要です。亜臨界質量とは、臨界質量のしきい値を下回る量であり、超臨界質量とは、そのしきい値を超える任意の量です。

臨界質量は、温度、形状、および周囲の組成の影響を受けます。これらのパラメータを変更すると、亜臨界質量が臨界になるか、その逆になる可能性があります。