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の照射によって核分裂を起こす物質を指します。 [1]自立的な熱連鎖反応は、核分裂性物質によってのみ達成されます。システムにおける支配的な中性子エネルギーは、低速中性子（すなわち、熱中性子システム）または高速中性子のいずれかに代表されます。核分裂性物質は、熱中性子炉、高速中性子炉、および核爆発物の燃料として使用できます。
核分裂性
「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。したがって、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
| 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | |||||||||||||||||||
| 154 |
|
( a | 250センチメートル | 154 | ||||||||||||||||||||||||||
| 252立方フィート | 153 | 251 Cf | 252立方フィート | |||||||||||||||||||||||||||
| 252 Es | 152 | 248センチメートル | 252 Es | |||||||||||||||||||||||||||
| 250立方フィート | 151 | 247 cm | 248 bk | 250立方フィート | ||||||||||||||||||||||||||
| 249 cf | 150 | 244プルトニウム | 246センチメートル | 249 cf | ||||||||||||||||||||||||||
| 247ページ | 149 | 247ページ | ||||||||||||||||||||||||||||
| 245cm | 148 | 242プルトニウム | 243アムロ | 245cm | ||||||||||||||||||||||||||
| 244センチメートル | 147 | 241プルトニウム
|
242メートル | 244センチメートル | ||||||||||||||||||||||||||
| 146 | ウラン 238号 | プルトニウム240号 | ||||||||||||||||||||||||||||
| アムロ | 145 | アムロ | ||||||||||||||||||||||||||||
| 239プルトニウム | 144 | 236ウラン | 237核種 | 239プルトニウム | ||||||||||||||||||||||||||
| 238プルトニウム | 143 | ウラン 235 | 238プルトニウム | |||||||||||||||||||||||||||
| ネプツニウム236 | 142 | 232トリウム | 234ウラン | 235ネプツニウム | ネプツニウム236 | |||||||||||||||||||||||||
| プルトニウム236 | 141 | プルトニウム236 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 140 | 140 | 228ラ | 230ス | 231 Pa |
|
140 | ||||||||||||||||||||||||
| 139 | 229番地 | 139 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 138 | 226ラジウム | 227アクチノイド | 228トリウム | 138 | ||||||||||||||||||||||||||
| 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | |||||||||||||||||||
| この表には半減期が 1 年以上である核種のみが表示されます。 | ||||||||||||||||||||||||||||||
ウラン235は低エネルギーの熱中性子と核分裂を起こします。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閾値よりも大きいためです。したがって、ウラン235は核分裂性です。一方、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、核分裂が起こるためには中性子がそれ以上のエネルギーを持っている必要があります。したがって、ウラン238は核分裂性はありますが、核分裂性ではありません。[4] [5]
別の定義では、核分裂性核種は、適切な設定で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、そのような核分裂から核分裂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、核分裂性だ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のに十分な中性子をエネルギーまたは数で生成しない核種のみです。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 を持続させる物質である。
上記のすべての定義において、ウラン238（238
Uは核分裂性はないが、核分裂性はない。Uの核分裂によって生成される中性子は238
Uは元の中性子よりも低いエネルギーを持ち（非弾性散乱のように振る舞う）、通常は 1MeV （つまり約14,000km /sの速度 ）以下であり、これは核分裂閾値であり、その後の核分裂を引き起こす。238
U、つまり核分裂238
U は核連鎖反応を起こしません。
高速核分裂238
熱核兵器の第二段階におけるウランは、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寄与する。238
ウランタンパーは純粋な核分裂兵器でも明らかである。[7]238
U は一部の高速中性子炉の出力にも大きく貢献します。
核分裂性核種
| アクチニド[8]崩壊系列による | 半減期 範囲（a） |
235 Uの核分裂生成物（収量別）[9] | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4 n （トリウム） |
4 n + 1 （ネプツニウム） |
4 n + 2 （ラジウム） |
4 n + 3 （アクチニウム） |
4.5～7% | 0.04～1.25% | 0.001%未満 | ||
| 228 Ra№ | 4～6 a | 155 Euþ | ||||||
| 248 Bk[10] | > 9 a | |||||||
| 244 cm | 241 Pu | 248センチメートル | 227 Ac№ | 10～29 a | 90 Sr | 85 Kr | 113m Cdþ | |
| 232 Uƒ | 238 Puƒ | 243センチメートル | 29～97 a | 137 Cs | 151 Smþ | 121m Sn | ||
| 249 Cf | 242m Am | 141～351年 |
100年～21万年の範囲に
半減期を持つ核分裂生成物はありません… | |||||
| 241午前 | 251 Cfƒ[11] | 430～900 | ||||||
| 226 Ra№ | 246センチメートル | 1.3～1.6 ka | ||||||
| ウラン 238号 | 229番地 | 246センチメートル | 243午前 | 4.7～7.4 ka | ||||
| 245 cm | ( a | 8.3～8.5 ka | ||||||
| 239 Puƒ | 24.1 ka | |||||||
| 230 Th№ | 231パ№ | 32 | ||||||
| 236 Np | 233 U | 234 U№ | 150～250万 | 99 Tc₡ | 126 Sn | |||
| 152 | 148 | 327～375万年前 | 79セ₡ | |||||
| 1.33 Ma | 135 Cs₡ | |||||||
| 237 Np | 161～650万年前 | ジルコニア 93 | パラジウム 107 | |||||
| 236 U | 247 Cm | 15～24 Ma | 129 I₡ | |||||
| 150 | 80 Ma |
…1570万年以降も[12] | ||||||
| 232番 | 238 U№ | 235 Uƒ№ | 0.7～14.1 Ga | |||||
一般的に、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は偶数です。これは中性子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となる対合効果により、余分な中性子を吸収することで1～2MeVの余分なエネルギーを得ます。このエネルギーは、低速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、原子物理学における原子番号と原子質量数のよく知られた曲線に近い位置にある核種は、他の核種よりも安定しているため、核分裂を起こす可能性が低くなります。これらの核種は、中性子を「無視」してそのまま通過させるか、中性子を吸収しても核分裂に必要なエネルギーを原子核に与えずに変形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やトリウム232が挙げられます。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崩壊し、陽子数が偶数で中性子数が偶数（Z が偶数、N が偶数）の同重体になり、はるかに安定するからです。この現象の物理的根拠も原子核結合エネルギーの対合効果に由来しますが、この場合は陽子-陽子と中性子-中性子の両方の対合によるものです。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ため、大量に存在せず、放射性が高いです。
イガル・ロネンが提唱した核分裂性則によれば、Zが90から100の重元素の場合、同位体は2 × Z − N ∈ {41, 43, 45 }（N =中性子数、Z =陽子数）の場合にのみ核分裂性となるが、いくつかの例外がある。[13] [14]この則は14核種を除くすべての核種に当てはまる。7核種は基準を満たすが核分裂性はなく、7核種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ためには、物質は以下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1個以上の中性子を放出する。（核分裂反応ごとに、非核分裂反応と燃料以外の物質への吸収を補うのに十分な量の中性子を放出する）
- 半減期がかなり長い
- 適切な数量が利用可能であること。
| 熱中性子[15] | 熱外中性子 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| σ F (b) | σ γ (b) | ％ | σ F (b) | σ γ (b) | ％ | |
| 531 | 46 | 8.0％ | 233 U | 760 | 140 | 16% |
| 585 | 99 | 14.5% | 235 U | 275 | 140 | 34% |
| 750 | 271 | 26.5% | 239プソム | 300 | 200 | 40% |
| 1010 | 361 | 26.3% | 241プソム | 570 | 160 | 22% |
核燃料に含まれる 核分裂性核種には以下が含まれます
- 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た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 から直接生成されます。
核分裂性核種は、中性子を吸収しても必ず核分裂を起こすわけではありません。その確率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、核分裂における中性子捕獲断面積（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。
核燃料中の親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。
関連項目
注釈
- このように定式化された核分裂規則は、 33の同位体が核分裂性である可能性が高いことを示しています。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年以上の核種は、 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、一回の中性子捕獲によって生成可能です。その他の核種は通常、さらなる中性子吸収によって少量生成されます。
参考
- ^ 「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、Louis J. Hamilton (1976). Nuclear Reactor Analysis . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-22363-8。
- ^ ジョン・R・ラマーシュ、アンソニー・ジョン・バラッタ（第3版）（2001年）。原子力工学入門。プレンティス・ホール。ISBN 0-201-82498-1。
- ^ 核分裂性物質と核兵器 2012年2月6日アーカイブ、核分裂性物質に関する国際パネル
- ^ セムコウ、トーマス、パレク、ダグラス・ヘインズ (2006). 「トリニティテストの影響のモデリング」. 原子核科学における応用モデリングと計算. ACSシンポジウムシリーズ. Vol. 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）も加わります。実際にはサブアクチノイドですが、アクチニウム（元素番号89）の直前に位置し、ポロニウム（元素番号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ません（このギャップで最も長寿命の核種は半減期が4日未満のラドン222です）。ラジウムの同位体の中で最も寿命が長く、1600年であるため、ここに含める価値があります
- ^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.
同位体分析の結果、約10ヶ月間にわたり分析された3つのサンプルにおいて、質量数248の核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年以上のBk 248の異性体に起因するものと推定されました。Cf 248の増殖は検出されず、β線半減期の下限は約10 4年と推定されます。この新たな異性体に起因するα線放射は検出されていません。α線の半減期はおそらく300年以上です。 - ^これは「 不安定の海」に入るまで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. 核分裂性同位体の決定に関する規則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若干の考察」Annals of Nuclear Energy . 37 (12): 1783– 1784. Bibcode :2010AnNuE..37.1783R. doi :10.1016/j.anucene.2010.07.006.
- ^ 「核種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。
