核分裂反応のソースを表示

{{出典の明記|date=2011年6月}}
{{原子核物理学}}
[[File:Nuclear_fission.svg|thumb|right|250px|'''核分裂反応'''  [[中性子]]を吸収したウラン235が、クリプトン92とバリウム141に分裂した例。この分裂の際、平均2 - 3個の[[高速中性子]]が放出される。この中性子が別のウラン235に再び吸収され、新たな核分裂反応を引き起こすことを'''[[連鎖反応 (核分裂)|核分裂連鎖反応]]'''という。核分裂連鎖反応は{{仮リンク|指数関数的成長|label=指数関数的|en|exponential growth}}に反応する<ref>河添健　『[http://www.sugakushobo.co.jp/903342_12_mae.html 微分積分学講義I]』、数学書房、2009年、218頁。ISBN 978-4-903342-12-2</ref>。<br>この連鎖反応をゆっくりと進行させ、持続的にエネルギーを取り出すことに成功したのが[[原子炉]]である。一方、この連鎖反応を高速で進行させ、膨大なエネルギーを一瞬のうちに取り出すのが[[原子爆弾]]である。]] 
'''核分裂反応'''（かくぶんれつはんのう、{{lang-en-short|nuclear fission}}）とは、[[不安定核]]（重い[[原子核]]や[[陽子過剰核]]、[[中性子過剰核]]など）が分裂してより軽い[[元素]]を二つ以上作る反応のことを指す。[[オットー・ハーン]]と[[フリッツ・シュトラスマン]]らが天然ウランに低速中性子(slow neutron)を照射し、反応生成物に[[バリウム]]の同位体を見出したことにより発見され、[[リーゼ・マイトナー]]と[[オットー・ロベルト・フリッシュ]]らが核分裂反応であると解釈し、fission（核分裂）と命名した<ref>  小田稔ほか編、『[http://webshop.kenkyusha.co.jp/book/978-4-7674-3456-8.html 理化学英和辞典]』、研究社、1998年、項目「nuclear fission」より。ISBN 978-4-7674-3456-8</ref>。

== 概要 ==

不安定核は主に次の3つの過程を経て別の原子核に変わる。

#電子もしくは陽電子を放出して僅かに軽い核になる。
#He核（[[アルファ粒子]]）を放出して少し軽い核になる。
#He核より重い大きな核（[[重荷電粒子線]]）を一つ以上放出してかなり軽い核になる。

このうち 1, 2 は一般には[[原子核崩壊]]（それぞれ[[ベータ崩壊]]、[[アルファ崩壊]]）といい、この核崩壊を起こす原子核は[[放射線]]を出す能力を持つ（[[放射能]]）。原子核分裂というと 2, 3 になるが、一般的には 3 の事を指す事が多い。

[[核分裂性物質]]の原子核が中性子を吸収すると、一定の割合で 3 の過程で核分裂を起こし、合わせて中性子を放出する。この中性子が別の核分裂性物質の原子核に吸収されれば[[連鎖反応 (核分裂)|連鎖反応]]が起こる。また、この崩壊過程は発熱反応である。この連鎖反応と発熱反応の性質を利用して一度に大量の[[熱]]を生成する事が出来る。これが[[原子力発電]]や[[原子爆弾|原爆]]の基本原理である。

== ウラン原子の核分裂 ==
[[天然ウラン]]には、核分裂を簡単に起こすウラン235と起こさないウラン234、ウラン238が含まれている<ref group="注">ウラン235は、天然ウランに0.72%、[[原子炉]]で使用する[[低濃縮ウラン燃料|ウラン燃料]]に3% - 5%、[[原子爆弾]]に使用する[[高濃縮ウラン]]には90%以上、含まれている。</ref>。ウラン235に中性子を一つ吸収させると、[[ウラン]]原子は大変不安定になり、二つの原子核と幾つかの[[高速中性子]]に分裂する。

代表的な核分裂反応としては下記のようなものがある。なお核分裂反応は確率的に起こるため、他の[[核種]]を生成することもあり、下記の反応はあくまで一例にすぎない。

:<math>{}^{235}{\rm U} + {\rm n} \rightarrow {}^{95}{\rm Y} + {}^{139}{\rm I} + 2{\rm n}</math>

この反応ではイットリウム95 とヨウ素139 が生成されるが、上式で元素記号の左肩に示した[[質量数]]は[[原子核]]の中に存在する[[陽子]]と[[中性子]]の和であり、右辺と左辺の[[核子]]数は等しいことがわかる。すなわち核分裂反応では反応の前後において質量数(質量とは異なる)は厳密に保存する<ref>{{cite|和書 |author=山本義隆 |title=新・物理入門 増補改訂版 |publisher=駿台文庫 |year=2004 |page=319 |isbn=978-4-7961-1618-3}} C7342</ref>。

しかし、質量数はあくまで陽子と中性子の総和であって質量ではなく、実際の原子核の質量は一般に質量数である陽子と中性子の質量の総和よりも小さい。この質量差を[[質量欠損]]と呼ぶ。質量欠損の実体は、[[特殊相対性理論]]の帰結である質量とエネルギーの等価性 '''[[E=mc²]]''' で質量に換算される原子核内部の核子の結合エネルギーに他ならない。[[File:Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg|thumb|right|250px|[[核子]]1個あたりの結合エネルギーを表したグラフ。x軸が[[質量数]]、y軸が結合エネルギーである。核子とは[[陽子]]と[[中性子]]という原子核を構成している主要な物質の事であり、これをつなぎ合わせているのが結合エネルギーである。核子の一つである[[陽子]]はプラスの[[電荷]]を持っていて、ちょうど磁石の同じ極同士が反発するように、[[クーロン力]]で反発する。陽子だけであったらバラバラに砕け散ってしまう核子同士をつなぎとめている接着剤としての役目が中性子にはある。とくに陽子が多くなりすぎるとクーロン力が強まるから、原子番号が大きい(=陽子が多い)核種ほど中性子も多くなる。ところが中性子が多すぎてもバランスが悪くなってしまい、陽子と中性子のバランスが悪い核種は[[放射能]]を持っている。陽子と中性子が結合すると、つなぎとめている力がエネルギーに変わって、少し軽くなる。これが質量欠損のエネルギーであり、実質上結合エネルギー=質量欠損であり、これが小さいほど核反応が起こりやすく、大きいほど核反応が起こりにくい。ちょうど鉄のあたりで結合エネルギーが最大値を示している事がわかる。鉄より質量数が小さい原子核は[[核融合]]反応を起こしやすく、逆に鉄より質量数が大きい原子核は核分裂反応を引き起こしやすいと言うわけである。本文にもあるように、核反応が起こって反応の前後で質量欠損が変化すると、特殊相対論による質量とエネルギーの等価性によってその分のエネルギーが解放されるわけで、それを利用したのが核兵器や原子力、核融合というわけである。]]

よって、分裂前と分裂後の質量の差は結合エネルギーの差であり、核分裂を起こすとこの質量の差に相当するエネルギーが外部に放出される。上記の過程の質量差をエネルギーに換算すると、ウランの核分裂反応で放出されるエネルギーはウラン原子一つあたり約 200 [[電子ボルト|MeV]] となり、ジュール [[ジュール|J]] に換算すると 3.2&times;10<sup>-11</sup> J となる。1グラムの単一の物質に含まれる原子数は[[アボガドロ定数]]''N''<sub>A</sub> を質量数''A'' で割ることで与えられるから、

:<math>\frac{N_A}{A} = \frac{6.02\times10^{23}\;\mathrm{mol}^{-1}}{235\;\mathrm{g/mol}}=2.56\times10^{21}\;\mathrm{g}^{-1}</math><!--便宜上、質量数 A に単位 g/mol をつけています-->

より、1グラムのウラン235の中には 2.56&times;10<sup>21</sup> 個の原子核が含まれることがわかる。この1グラムのウラン235が全て核分裂を起こすと

:<math>(3.2\times10^ {-11}\;\mathrm{J}) \times (2.56\times10^{21}\;\mathrm{g}^{-1}) = 8.2\times10^{10}\;\mathrm{J/g}</math>

とおよそ 8.2&times;10<sup>10</sup> J のエネルギーが生まれる事になる。

=== 原子力発電におけるウランの核分裂 ===
ウラン235が1個核分裂を起こせば 3.2&times;10<sup>-11</sup> J のエネルギーを放出することは上に述べたが、1[[ワット]]のエネルギーを生み出すには1秒間に約300億個のウラン235が核分裂を起こさねばならない<ref name="takagi"> 佐高信・中里英章編、『高木仁三郎セレクション』、岩波書店、〈岩波現代文庫〉、2012年、78-79頁。ISBN 978-4-00-603244-9 C0140 </ref>。実際、

:<math>(3.2\times10^{-11}\;\mathrm{J}) \times (3\times10^{10}\;\mathrm{s}^{-1}) = 0.96\;\mathrm{W} \approx 1\;\mathrm{W}</math>

である。電気出力100万キロワットの原子力発電では[[熱効率]]を考えれば熱出力は3倍すなわち300万キロワットは必要であり、これを続けるには、1日あたりに 8&times;10<sup>24</sup> 個のウランを核分裂させる必要がある<ref name="takagi" />。すなわち、300万キロワットを出力するのに必要な1秒あたりの原子数を求めれば

:<math>(3\times10^{9}\;\mathrm{W}) \times (3\times10^{10}\;\mathrm{s^{-1}W^{-1}}) = 9\times10^{19}\;\mathrm{s}^{-1}</math>

となるから、1日（= 86400秒）核分裂反応を継続させれば

:<math>(9\times10^{19}\;\mathrm{s}^{-1}) \times (86400\;\mathrm{s/day}) \approx 8\times10^{24}\;\mathrm{day}^{-1}</math>

である。1グラムのウラン235の原子数は 2.56&times;10<sup>21</sup> であったから、これは

:<math>\frac{8\times10^{24}\;\mathrm{day}^{-1}}{2.56\times10^{21}\;\mathrm{g}^{-1}} = 3125\;\mathrm{g/day}</math>

と100万キロワット級の原発では1日にウラン235を約 3 kg 使用していることとなる<ref name="takagi"/>。広島に投下された原子爆弾は 1 kg が核分裂を起こしたとされているため、100万キロワット級の原発では1日3発（8時間に一発）の割合で広島原爆を燃焼させつづける事に相当しているのである<ref name="takagi"/>。

またウラン235が1個、核分裂反応を起こせば中性子が平均2.5個放出されるが、このうち1.5個をウラン235以外の物質で吸収させ、1回の核分裂につき1個の中性子が、他のウラン235に当たって再び核分裂を引き起こしていくといった連鎖反応を起こすのが出力が一定となった状態の原子力発電であり、核分裂に使われる中性子が1個をわずかでも上回れば短い時間で（たとえ1万分の1秒であっても）たちまち指数関数的に反応が増大して暴走してしまう。原子力発電では出力の調整は根本的困難が常につきまとい、これが実際に起こってしまったのが[[チェルノブイリ原子力発電所事故|チェルノブイリ]]の例である<ref name="takagi"/>。

==核分裂生成物==
[[File:ThermalFissionYield.svg|thumb|right|250px|原子力発電所において熱中性子によってウラン235とプルトニウム239、および[[トリウム燃料サイクル]]においてウラン233が核分裂反応を起こした場合の核分裂生成物の収率のグラフ。x軸が[[質量数]]であり、y軸が収率(どのぐらいの割合で生成されるか)である。赤がウラン235、青がプルトニウム239、緑がウラン233の収率をそれぞれ表している。]]
核分裂の過程で原子核が分裂してできた核種を'''核分裂生成物'''という。核分裂片ともいう。通常は二等分になることはなく、一方が重く（質量数140程度）、一方は軽い（95程度）核になる。これは、分裂するときに[[魔法数]]に近い安定な原子核になろうとするためだと解釈されている。

核分裂生成物がどの核種になるかはある確率で決まる。この確率を'''[[収率]]'''という。核分裂する核種によって異なる収率分布をもっているので、核分裂生成物を分析すれば核反応を起こした親核種が判る。

例えばウラン235が核分裂を起こした場合その核分裂生成物は80種類程度生じ、質量数は72から160と広範囲に分布している。これらは質量数90と140付近の[[最頻値|ピーク]]を中心として鞍型の分布をなしている<ref>三宅泰雄　『死の灰と闘う科学者』、岩波書店〈岩波新書B107〉、1972年、用語解説の3頁。</ref>。右図も参照せよ。

核分裂生成物は様々な核種の混合物であるが、総じて陽子数と中性子数との均衡を欠いており[[放射能]]を持つ。これらの[[放射性同位体]]は、陽子と中性子の均衡が保てるところまで[[放射性崩壊|放射壊変]]（主に[[ベータ崩壊]]）を繰り返す。

核分裂生成物の中には中性子を良く吸収してしまう物質が含まれる。このような物質は、原子炉に蓄積して核分裂連鎖反応を阻害してしまうため、毒に例えて中性子毒あるいは単に毒物質と呼ばれる。原子炉を停止したり出力を変えた場合、放射性の毒物質の存在量は時間とともに変化するため、原子炉の挙動を不安定にしてしまう要因となる。

これらの崩壊速度は様々で、数秒から数ヶ月でほぼ崩壊しつくす短寿命の核種、100年単位の中寿命の核種、そして[[半減期]]すら20万年を超える長寿命の核種がある。放射性物質は基本的には[[平均寿命#素粒子の平均寿命|寿命]]（ここでは[[半減期]]とほぼ同義語と捉えて良い）が短いほど少量でも[[放射能]]が強いものの短期間ですぐに減衰するが、逆に長寿命であれば放射能は少量ならば弱い（大量にあれば当然強い）が、時間が経ってもなかなか減らないという性質を持っている。[[比放射能]]も参照せよ。

短・中寿命核種は盛んに放射線を放って崩壊するため少量でも放射能が大きく、例えば[[1945年]]に[[原子爆弾]]で攻撃された[[広島市]]と[[長崎市]]では、[[被爆者]]だけでなく[[家族]]や知人の行方を捜すため[[爆心地]]周辺に後日立ち入った人々が重篤な[[放射線障害]]を受けている。

一方、長寿命核種は放射能は小さいが、原子炉の使用済み核燃料のように大量に存在すると、人間社会の尺度では半永久的に放射線を放ち続けるやっかいな廃棄物となり、半減期の数倍から数十倍（つまり100万年単位）の期間、厳重に遮蔽して保管し続けなければならない。

このように多数の核種から構成されている核分裂生成物であるが、核分裂が起こってからt分経過した後の全ての核分裂生成物の合計の放射能の強さの減衰は一定であり、

:<math>A(t)=A_{0}t^{-\alpha}</math>

で与えられる。ここで''A''<sub>0</sub> は''t'' = 0 つまり核分裂が起こった時点の放射能の強さ、&alpha;は定数であり1.2である。これをハンター・バロウの法則（Hunter Ballou's law）という<ref>三宅泰雄　『死の灰と闘う科学者』、岩波書店〈岩波新書B107〉、1972年、用語解説の4頁。</ref>。

== 核分裂収率の一覧 ==

以下では熱中性子によるウラン235およびプルトニウム239のおもな核分裂生成物の表を与える<ref>{{cite|和書 |editor=日本アイソトープ協会 |title=アイソトープ手帳11版 |publisher=丸善 |year=2011 |page=126-127 |ISBN=978-4-89073-211-1}}</ref>。軽水炉等では熱中性子により核分裂を起こすため、原子力事故等で放出される核種は熱中性子による核分裂生成物となる。高速中性子による核分裂での収率は異なるため、高速増殖炉の運転中の事故や核実験や核戦争などが起こって[[原子爆弾]]が爆発したときなどに放出される核分裂生成物の収率は異なる。

{| class="wikitable"
|+ウラン235・プルトニウム239の熱中性子による核分裂で生じる主な核分裂生成物
!生成物!!ウラン235の収率!!プルトニウム239の収率!!半減期!!特記
|-
|style="width:20%" |[[セシウム]]133||6.70%||7.02%||安定||一部は中性子捕獲により半減期約2年の[[セシウム134]]になる
|-
|[[ヨウ素]]135||6.28%||6.54%||6.57h||崩壊で生成する[[キセノン]]135は原子炉でもっとも主要な毒物質で10-50%が中性子獲得によりキセノン136になり、残りは半減期9.14hでセシウム135になる。
|-
|[[ジルコニウム]]93||6.30%||3.80%||1.53My||
|-
|[[セシウム137]]||6.19%||6.61%||30.17y||
|-
|[[テクネチウム]]99||6.05%||N/A||211ky||
|-
|ストロンチウム89||4.73%||1.72%||50.53d||
|-
|[[ストロンチウム]]90||5.75%||2.10%||28.9y||
|-
|ヨウ素131||2.83%||3.86%||8.02d||
|-
|[[プロメチウム]]147||2.27%||N/A||2.62y||
|-
|[[サマリウム]]149||1.09%||1.22%||安定||主要な毒物質のひとつ
|-
|ヨウ素129||0.543%||1.37%||15.7My||
|-
|[[キセノン133]]||6.70%||7.02%||5.2475d||
|}

== 脚注 ==
<references group="注"/>

== 参考文献 ==
<references />

== 関連項目 ==
*[[原子核反応]]
*[[核分裂連鎖反応]]
*[[毒物質_(原子力)|毒物質]]
*[[自発核分裂]]
*[[核分裂性物質]]
**[[ウラン235]]
**[[プルトニウム|プルトニウム239]]
*[[原子核融合]]

== 外部リンク ==
{{ウィキポータルリンク|原子力}}
*[http://www.rist.or.jp/atomica/ 原子力百科事典 ATOMICA トップページ]
**[http://www.rist.or.jp/atomica/data/dat_detail.php?Title_Key=03-06-03-01 原子核物理の基礎（1）原子核の構造　(原子力百科事典　ATOMICA)]
**[http://www.rist.or.jp/atomica/data/dat_detail.php?Title_Key=03-06-03-02 原子核物理の基礎（2）原子核の壊変　(原子力百科事典　ATOMICA)]
**[http://www.rist.or.jp/atomica/data/dat_detail.php?Title_Key=03-06-03-03 原子核物理の基礎（3）核反応　(原子力百科事典　ATOMICA)]
**[http://www.rist.or.jp/atomica/data/dat_detail.php?Title_Key=03-06-03-04 原子核物理の基礎（4）核分裂反応　(原子力百科事典　ATOMICA)]
**[http://www.rist.or.jp/atomica/data/dat_detail.php?Title_Key=03-06-04-01 原子炉物理の基礎（1）原子炉の構造と核分裂連鎖反応　(原子力百科事典　ATOMICA)]

{{核反応}}
{{放射線}}

{{DEFAULTSORT:かくふんれつはんのう}}
[[Category:物理化学の現象]]
[[Category:原子核物理学]]
[[Category:原子力]]
[[Category:核分裂生成物|*]]

{{Link GA|ru}}