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19.6: 核分裂
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Chemistry

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Nuclear Fission
 

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.


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