原子力の基礎: 速中性子とその役割

原子力の基礎: 速中性子とその役割

エネルギーの高い中性子

原子力の分野では、中性子はそのエネルギーによって分類されます。私たちの身の回りにある物質と反応を起こしやすい、エネルギーの低い熱中性子。そして、特にエネルギーの高い中性子は、速中性子と呼ばれます。

この速中性子は、具体的にどれくらいのエネルギーを持っていれば良いのか、実は明確な定義はありません。分野や用途によって、0.1MeV以上とする場合もあれば、0.5MeV以上とする場合もあります。MeVとは、メガ電子ボルトと読み、原子や原子核のエネルギーを表す際に用いられる単位です。

定義が曖昧であるにも関わらず、この高いエネルギーこそが、速中性子を原子力利用において重要な役割を担う存在にしています。例えば、ウランなどの重い原子核は、熱中性子ではなかなか分裂しませんが、速中性子であれば効率良く分裂させることができます。この性質を利用して、高速増殖炉という、消費する以上の核燃料を作り出すことができる夢の原子炉の開発が進められています。

このように、エネルギーの高い速中性子は、原子力の未来を担う重要な鍵を握っていると言えるでしょう。

核分裂との関係

原子力発電は、原子核が分裂する際に生じる莫大なエネルギーを利用した発電方法ですが、この核分裂を引き起こすために重要な役割を担うのが中性子と呼ばれる粒子です。中性子にはエネルギーの大きさによって熱中性子や速中性子といった種類があり、核分裂を起こしやすい中性子の種類はウランやプルトニウムといった核燃料の種類によって異なります。
ウラン235と呼ばれるウランの仲間は、熱中性子と呼ばれるエネルギーの小さな中性子が当たると核分裂を起こしやすく、現在稼働している多くの原子力発電所では、このウラン235を燃料としています。一方、プルトニウム239と呼ばれるプルトニウムの仲間は、速中性子と呼ばれるエネルギーの大きな中性子が当たると核分裂を起こしやすいという特徴があります。
高速増殖炉は、このプルトニウム239が速中性子によって効率的に核分裂を起こすという特性を利用した原子炉です。高速増殖炉では、核分裂の際に発生する速中性子を利用して、ウラン238という物質からプルトニウム239を作り出すことができます。このプロセスは増殖と呼ばれ、高速増殖炉の名前の由来となっています。ウラン238は天然ウランに多く含まれており、高速増殖炉は、天然ウランからプルトニウム239を生成することで、より多くの核燃料を得ることが可能となります。

高速増殖炉における働き

高速増殖炉は、通常の原子炉とは異なる特殊な仕組みを持つ原子炉です。最大の特徴は、その名の通り燃料を増殖させる能力にあります。

通常の原子炉では、ウラン235の核分裂反応で発生する熱エネルギーを利用して発電を行います。この核分裂反応では、中性子と呼ばれる粒子が飛び出してきます。ウラン235の核分裂を引き起こしやすいのは、速度の遅い中性子です。そのため、通常の原子炉では水などの中性子減速材を用いて、中性子の速度を遅くしています。

一方、高速増殖炉では、中性子を減速させずに、高速の状態で利用します。炉心を取り囲むように、ウラン238でできたブランケットと呼ばれる部分を設けます。核分裂で発生した高速中性子は減速されることなくブランケットに到達し、ウラン238に吸収されます。すると、ウラン238は核変換を起こし、プルトニウム239に変化します。

プルトニウム239は、ウラン235と同様に核分裂を起こすことができる物質、すなわち核燃料です。高速増殖炉はこのように、核分裂反応で発生した高速中性子を利用して、燃料となるプルトニウム239を新たに作り出すことができます。これが、高速増殖炉が「増殖炉」と呼ばれる所以です。

速中性子の測定

原子力発電所などでは、ウランなどが核分裂する際に、莫大なエネルギーと共に放射線の一種である中性子が飛び出してきます。この中性子の速度は非常に速く、特に速いものを速中性子と呼びます。

速中性子は高いエネルギーを持っているため、人体を容易に貫通し、細胞や遺伝子に損傷を与える可能性があります。そのため、速中性子による被ばくは、健康への影響が大きいとされています。原子力発電所の安全性を確保し、そこで働く人々や周辺住民の健康を守るためには、速中性子の測定が欠かせません。

速中性子の測定には、特別な測定器が必要です。よく用いられるものの一つに、「三フッ化ホウ素計数管」と呼ばれるものがあります。これは、三フッ化ホウ素ガスの中に中性子が入ると電流が流れる性質を利用し、その電流の量から中性子の量を測る仕組みです。

また、「核分裂電離箱」も重要な測定器です。これは、中性子がウランなどの物質にぶつかると核分裂を起こす性質を利用しています。核分裂によって発生する電気を測定することで、中性子の量を間接的に知ることができるのです。

このようにして、原子力発電所などでは、作業環境や周辺環境における速中性子の量を常に監視し、安全性を確保しています。

線量評価と安全基準

原子力発電所などから発生する放射線は、目に見えず、臭いもないため、その影響を直接感じることはできません。そこで、放射線が人体に与える影響の大きさを評価するために「線量」という概念を用います。さらに、放射線の種類によって人体への影響が異なるため、「線質係数」と呼ばれる数値を導入し、より正確に被ばくの影響度合いを評価します。

例えば、同じ線量のX線と速中性子を浴びた場合、速中性子の方が人体に与える生物学的影響が大きいため、線質係数は異なります。具体的には、X線やガンマ線の線質係数を1とした場合、速中性子の線質係数は10と定められています。これは、速中性子が人体に与える影響が、同じ線量のX線やガンマ線よりも10倍大きいことを意味します。

原子力施設の設計や運用、そしてそこで働く作業員の放射線防護対策においては、これらの線量評価基準に基づいて、厳格な安全対策が講じられています。具体的には、施設からの放射線の遮蔽、作業員の被ばく線量の管理、事故時の緊急時対応計画の策定など、多岐にわたる対策を実施することで、作業員や周辺住民の健康と安全を確保しています。原子力施設は、これらの安全対策と厳格な基準の遵守によって、安全性の確保に最大限の努力を払っています。