原子力発電の基礎: 中性子捕獲とは

原子力発電の基礎: 中性子捕獲とは

中性子捕獲とは何か

– 中性子捕獲とは何か原子力発電において、原子核に中性子を吸収させる「中性子捕獲」という現象は重要な役割を担っています。原子核は陽子と中性子で構成されていますが、中性子捕獲とは、外部から飛んできた中性子が原子核に飛び込む現象を指します。原子核は中性子を捕獲すると、不安定な状態となり、余分なエネルギーを電磁波の一種であるガンマ線を放出して安定になろうとします。この一連の反応を（ｎ、γ）反応と呼びます。中性子を捕獲した原子核は、質量数が１だけ増加します。これは、中性子の質量がおよそ1原子質量単位であるためです。一方、原子番号は変化しません。原子番号は原子核内の陽子の数を表しますが、中性子は電荷を持たないため、陽子の数に影響を与えないためです。中性子捕獲は、原子力発電のエネルギー生成過程において重要な役割を果たすだけでなく、放射性同位元素の生成にも利用されています。

放射性同位体の生成

原子炉の中では、ウランやプルトニウムといった重い原子核に中性子が衝突することで核分裂反応が起こります。この核分裂反応によって、莫大なエネルギーとともに、新たな中性子が放出されます。放出された中性子のいくつかは、再びウランやプルトニウムに衝突し、連鎖的に核分裂反応を引き起こします。

一方、中性子の中には、ウランやプルトニウム以外の原子核に吸収されるものもあります。例えば、核分裂反応で用いられる燃料ペレットの被覆管の成分であるジルコニウムに中性子が吸収されることがあります。中性子を吸収した原子核は、元の原子核よりも中性子の数が増えた状態になります。この状態は不安定なことが多く、余分なエネルギーを放出して安定になろうとします。エネルギーを放出する際に、原子核は放射線を放出します。この放射線を出す能力を持った原子核のことを、放射性同位体と呼びます。

放射性同位体は、α線、β線、γ線など様々な種類の放射線を放出します。原子力発電では、これらの放射性同位体が安定な原子核へと変化する際に発生するエネルギーを利用して、発電を行っています。しかし、放射線は人体に有害な影響を及ぼす可能性があります。そのため、原子力発電所では、放射性物質を厳重に管理し、放射線の人体への影響を低減するために、厚いコンクリートや鉛でできた遮蔽体を用いるなど、様々な対策を講じています。

高速増殖炉での利用

– 高速増殖炉での利用高速増殖炉は、従来の原子炉よりもウラン燃料を効率的に利用できる炉型として知られています。この高い燃料利用効率を実現する上で、中性子捕獲が重要な役割を担っています。高速増殖炉の炉心はウラン235やプルトニウム239などの核分裂しやすい物質で構成され、その周囲にはウラン238を含むブランケット燃料が配置されています。炉心で核分裂反応が起こると、高速の中性子が放出されます。この高速中性子がブランケット燃料のウラン238に衝突すると、中性子捕獲という現象が起こり、ウラン238はプルトニウム239に変換されます。プルトニウム239もウラン235と同様に核分裂を起こすことができるため、燃料として利用することができます。つまり、高速増殖炉では、核分裂でエネルギーを生み出すだけでなく、ウラン238からプルトニウム239を生成することで、燃料をより多く作り出すことができるのです。このように、高速増殖炉は中性子捕獲を利用することで、ウラン資源の有効活用を実現し、エネルギー問題の解決に貢献できる可能性を秘めていると言えます。

医療分野への応用

– 医療分野への応用

原子力技術は、エネルギー分野だけでなく医療分野でも大きな役割を担っています。中でも、中性子の性質を利用した治療法は、がん治療において新たな可能性を切り開いています。

その代表的な例が、ホウ素中性子捕捉療法、通称BNCTです。この治療法は、外科手術、放射線治療、化学療法に続く、第4のがん治療法として期待されています。

BNCTは、まず、がん細胞に集まりやすい性質を持つホウ素-10を含む薬剤を患者に投与します。この薬剤は、正常な細胞よりもがん細胞に多く取り込まれるため、がん細胞を選択的に攻撃することができます。

次に、患部に中性子線を照射します。すると、あらかじめがん細胞内に取り込まれていたホウ素-10が中性子を吸収し、(n,α)反応と呼ばれる核反応を起こします。この反応によって、α線と呼ばれる、非常に強いエネルギーを持った粒子が放出されます。

α線は、細胞を破壊する能力が非常に高いものの、その飛距離は非常に短いため、ホウ素-10が集まったがん細胞周辺のみを破壊することができます。そのため、周囲の正常な細胞への影響を最小限に抑えながら、がん細胞のみを効果的に殺傷することが可能となります。

BNCTは、従来の放射線治療と比べて、正常な細胞への影響が少ないこと、がん細胞への攻撃力が高いことなどから、副作用の軽減や治療効果の向上が期待されています。現在、BNCTは、脳腫瘍や頭頸部がん、悪性黒色腫などを中心に、様々な種類のがんに対する臨床試験が進められています。