原子力発電の要：臨界とは？

原子力発電の要：臨界とは？

核分裂と連鎖反応

原子力発電所の中心部には、原子炉と呼ばれる巨大な装置が存在します。この原子炉の中で、ウランやプルトニウムといった核燃料物質が莫大なエネルギーを生み出しています。原子力発電の原理となるのが、核分裂と呼ばれる現象です。
ウランやプルトニウムのような非常に重い原子核に、電気的にプラスでもマイナスでもない中性子と呼ばれる粒子がぶつかると、原子核は不安定になり、二つ以上の軽い原子核に分裂します。これが核分裂です。このとき、分裂した原子核は、莫大なエネルギーと同時に、新たな中性子を放出します。
驚くべきことに、この新たに放出された中性子は、再び別のウランやプルトニウムの原子核に衝突し、さらなる核分裂を引き起こします。このようにして、次々と核分裂が連続して起こる現象を、核分裂連鎖反応と呼びます。核分裂連鎖反応が制御された状態で安定的に継続することによって、原子炉の中では膨大な熱エネルギーが作り出され、発電に利用されているのです。

臨界状態：バランスが重要

原子炉の中では、ウランやプルトニウムといった核燃料が核分裂を起こし、膨大なエネルギーを生み出します。この核分裂の反応は、新たに発生する中性子が次の核分裂を引き起こすという連鎖反応によって維持されます。もし、この連鎖反応が制御を失い、中性子の数が際限なく増え続けると、エネルギーが瞬間的に放出され、大変危険な状態に陥ってしまいます。

そこで、原子炉では「臨界」という状態を保つことで、核分裂の連鎖反応を安全に制御しています。臨界とは、核分裂によって新たに生み出される中性子の数と、炉心の外に逃げていったり、他の原子核に吸収されたりする中性子の数が、ちょうど釣り合っている状態を指します。

このバランスが保たれている状態では、核分裂反応は一定の速度で持続し、安定したエネルギー供給が可能となります。臨界状態を制御するために、原子炉内には中性子の数を調整する制御棒が備え付けられています。この制御棒を炉心に出し入れすることで、中性子の吸収量を調整し、常に安全な範囲で運転が行われるようになっています。

実効増倍率：臨界を測る指標

原子炉の運転において、「臨界」と呼ばれる状態を正確に制御することが極めて重要です。臨界とは、核分裂の連鎖反応が持続可能な状態を指し、この状態を判断する指標として「実効増倍率（k-eff）」が用いられます。
実効増倍率は、核分裂によって新たに生み出される中性子の数と、炉心から失われる中性子の数の比率を表しています。中性子は原子核に吸収されて核分裂を引き起こす一方で、炉心の外部へ飛び出したり、ウラン以外の物質に吸収されたりして減少します。実効増倍率が1より大きい場合、核分裂で生じる中性子の数が失われる数よりも多くなり、連鎖反応が加速的に増大して制御不能な状態、すなわち「超臨界」に陥る可能性があります。反対に、実効増倍率が1より小さい場合は、中性子の数が減少し続け、連鎖反応は次第に弱まって原子炉は停止に向かいます。これが「未臨界」と呼ばれる状態です。
原子炉を安全かつ安定的に運転するためには、実効増倍率を精密に1に保ち、「臨界」状態を維持することが不可欠です。この制御は、中性子を吸収する制御棒を炉心に挿入したり、引抜いたりすることで行われます。

遅発臨界：制御の鍵

原子力発電所の中心である原子炉は、ウランなどの核分裂性物質の核分裂反応を利用して熱エネルギーを生み出します。この核分裂反応が連鎖的に続くためには、反応を維持するのに十分な数の中性子を確保する必要があります。この状態を臨界と呼びます。

原子炉の制御において重要な役割を果たすのが、「遅発中性子」です。核分裂によって放出される中性子のほとんどは「即発中性子」と呼ばれ、核分裂とほぼ同時に放出されますが、わずかながら時間差をおいて放出される中性子も存在します。これが「遅発中性子」です。遅発中性子は、核分裂生成物の一部が放射性崩壊する過程で放出されます。

もし、原子炉が即発中性子だけで臨界に達する状態、すなわち「即発臨界」になると、出力は非常に短時間で急激に上昇し、制御が困難になります。しかし、原子炉は実際には、即発中性子だけでは臨界に達せず、遅発中性子を含めてようやく臨界となるように設計されています。これを「遅発臨界」と呼びます。

遅発中性子は、即発中性子に比べて数が少ないものの、原子炉の出力変化を緩やかにし、制御を容易にする上で重要な役割を果たしています。遅発中性子のおかげで、原子炉の出力調整や停止を安全かつ確実に行うことが可能になるのです。

臨界の調整：原子炉の運転

原子炉の運転において、「臨界」の状態を維持することは極めて重要です。臨界とは、核分裂の連鎖反応が持続可能な状態を指し、原子炉から安定的にエネルギーを取り出すために必要不可欠です。この臨界状態を維持するために、制御棒と減速材という重要な要素を用いて、核分裂の速度を精密に調整しています。
制御棒は、ハフニウムやカドミウムなどの中性子を吸収しやすい物質で作られており、原子炉内の核分裂反応が活発になりすぎるのを防ぐ役割を担います。制御棒を原子炉の炉心に挿入すると、中性子が吸収され、核分裂の連鎖反応が抑制されます。逆に、制御棒を引き抜くと、中性子の吸収量が減り、核分裂が促進されます。このように、制御棒の挿入量を調整することで、原子炉内の核分裂の連鎖反応速度を制御し、臨界状態を維持しています。
一方、減速材は、核分裂で放出された高速中性子を減速させる役割を担います。高速中性子はウランなどの核燃料に吸収されにくいため、水や黒鉛などの減速材を用いて中性子の速度を落とすことで、核分裂反応を起こしやすくしています。減速材の種類や量を調整することで、中性子のエネルギー分布を最適化し、効率的な核分裂連鎖反応を実現しています。
このように、原子炉の運転は、制御棒と減速材を巧みに操ることで、臨界状態を維持し、安全かつ安定したエネルギー供給を実現しています。