原子炉の心臓：即発臨界を理解する

原子炉の心臓：即発臨界を理解する

核分裂と連鎖反応

原子力発電の仕組みを理解するためには、核分裂と連鎖反応という現象を理解することが非常に重要です。

まず、核分裂について説明します。ウランのように原子核が重い原子に中性子がぶつかると、その衝撃で原子核は分裂します。この時、莫大なエネルギーと同時に新たな中性子が飛び出してきます。これが核分裂と呼ばれる現象です。

次に、連鎖反応について説明します。核分裂によって新たに生み出された中性子は、周りのウラン原子核に次々とぶつかっていく可能性があります。そして、ぶつかったウラン原子核もまた核分裂を起こし、さらに中性子を放出します。このようにして、次から次へと核分裂が連続して起こる反応のことを連鎖反応と呼びます。

原子力発電所にある原子炉は、この連鎖反応を人工的に制御し、発生する莫大なエネルギーを熱として取り出す装置なのです。

臨界：バランスが保たれた状態

原子炉の心臓部では、目には見えない小さな粒子が飛び交いながら、膨大なエネルギーを生み出しています。この小さな粒子こそが中性子であり、ウランやプルトニウムなどの重い原子核にぶつかると、原子核を分裂させる核分裂という現象を引き起こします。核分裂によってさらに中性子が放出され、これが連鎖的に繰り返されることで、莫大なエネルギーが熱として取り出せるのです。

この核分裂の連鎖反応は、決して uncontrolled な状態ではありません。原子炉内では、中性子が新たに生まれる数と、吸収や漏洩によって失われる数が常にせめぎ合っています。このバランスが保たれ、連鎖反応が安定して持続している状態こそが「臨界」と呼ばれる状態です。臨界であれば、原子炉は一定の出力で安定して運転を続けることができます。逆に、中性子の発生数が多すぎると、反応が過剰に進んでしまい、制御不能になる危険性があります。一方、中性子の発生数が少なすぎると、連鎖反応が途絶えてしまい、原子炉は停止してしまいます。

原子力発電所では、この臨界状態を精密に制御することで、安全かつ安定的にエネルギーを生み出しているのです。

即発中性子と遅発中性子

原子核が核分裂を起こすと、莫大なエネルギーとともに複数の中性子が飛び出してきます。この際、放出される中性子は、即発中性子と遅発中性子の二種類に大別されます。
即発中性子は、その名の通り核分裂とほぼ同時に放出される中性子です。一方、遅発中性子は、核分裂片が不安定な状態から安定な状態へと変化する過程で放出されます。このため、核分裂から放出されるまで、数秒から数十秒程度の時間差が生じます。
原子炉の運転制御において重要な役割を担うのは、実はこの遅発中性子です。即発中性子は発生数が多く、核分裂の連鎖反応を支配していますが、その発生から次の核分裂を引き起こすまでにかかる時間は非常に短いです。もし、原子炉の運転制御を即発中性子だけに頼っていた場合、反応のスピードが速すぎるため、わずかな制御のずれが、急激な出力上昇に繋がってしまう可能性があります。
一方、遅発中性子は発生数は少ないものの、時間的な遅れがあるために、原子炉全体の出力変化を緩やかにします。この時間的な猶予のおかげで、原子炉内の出力変化を検知し、制御棒などを用いて中性子の数を調整することで、安全に原子炉を制御することが可能になるのです。

遅発臨界：制御可能な状態

原子炉は、その運転において「遅発臨界」と呼ばれる特殊な状態を維持しています。これは、核分裂反応で発生する中性子のうち、即座に放出される「即発中性子」だけでは、連鎖反応を持続できない状態を指します。すなわち、原子炉内のウランやプルトニウムなどの核燃料が核分裂を起こすと、新たな中性子が放出され、それがさらに別の核燃料に衝突して連鎖的に核分裂反応が続きます。しかし、即発中性子だけではこの連鎖反応が持続せず、減衰してしまうのです。

そこで重要な役割を果たすのが、「遅発中性子」です。これは、核分裂反応の生成物の一部が、時間をかけて崩壊する際に放出される中性子です。遅発中性子は、即発中性子に比べて発生数は少ないですが、連鎖反応をゆっくりと持続させる効果があります。原子炉は、この遅発中性子を含めた中性子のバランスによって、安定した出力を維持しています。

遅発中性子のおかげで、原子炉内の反応速度の変化は穏やかになり、制御棒の出し入れなどによって容易に制御できるようになります。制御棒は中性子を吸収する性質を持つ物質でできており、制御棒を炉心に挿入すると中性子の数が減少し、反応速度が抑制されます。逆に、制御棒を引き抜くと中性子の数が増え、反応速度が上がります。このように、遅発臨界という状態と制御棒の調整によって、原子炉は安全に制御され、電力を安定供給することが可能になるのです。

即発臨界：制御不能な状態

原子炉内で核分裂反応が安定して継続するためには、中性子の数が適切に制御されている必要があります。この状態を臨界と呼びますが、臨界には大きく分けて「遅発臨界」と「即発臨界」の二つの状態が存在します。

原子炉の通常運転では、「遅発臨界」と呼ばれる状態が維持されています。これは、ウラン235の核分裂によって直接放出される「即発中性子」だけでなく、核分裂生成物から遅れて放出される「遅発中性子」も利用して連鎖反応を維持する状態です。遅発中性子は、全体のわずか0.7%程度ですが、数秒から数十秒という比較的長い時間をかけて放出されるため、原子炉の出力変化を緩やかにし、制御を容易にする役割を担っています。

一方、記事で取り上げられている「即発臨界」は、即発中性子だけで連鎖反応が持続する状態を指します。この状態では、反応速度が非常に速く、わずか100万分の1秒程度の間に原子炉の出力が数百倍にも達する可能性があります。このような急激な出力上昇は、原子炉の制御系では対応しきれず、炉心に過大な熱負荷を与え、炉心の溶融や破壊を引き起こす可能性があります。即発臨界は、原子炉の安全運転を脅かす重大な事態であり、絶対に避けるべき状態です。

安全な原子力発電のために

– 安全な原子力発電のために原子力発電は、他の発電方法と比べて、非常に効率よく膨大なエネルギーを生み出すことができます。しかし、その一方で、原子力発電は、原子核反応という、目に見えず、私たちにとってなじみの薄い現象を利用しているため、その安全性を確保するには、高度な技術と細心の注意が欠かせません。原子力発電の安全性を語る上で特に重要な概念が、「臨界」です。臨界とは、核分裂反応が連鎖的に起きる状態を指します。この臨界状態には、大きく分けて「即発臨界」と「遅発臨界」の二つがあります。「即発臨界」は、核分裂反応が瞬間的に連鎖的に発生する状態で、制御が非常に困難です。原子炉の運転において、このような状態に陥ると、エネルギーが爆発的に放出され、大事故につながる可能性があります。一方、「遅発臨界」は、核分裂反応が、ある程度の時間差を持ってゆっくりと連鎖的に発生する状態です。原子力発電所では、この遅発臨界の状態を維持することで、安定したエネルギーを取り出し、安全性を確保しています。原子炉の運転には、常にこの遅発臨界の状態を維持することが不可欠です。そのためには、原子炉内の中性子の数を精密に制御する必要があります。具体的には、制御棒と呼ばれる中性子を吸収する物質を炉心に挿入したり、冷却材の流量を調整したりすることで、核分裂反応の速度を調整し、安定した運転を維持しています。原子力発電は、私たちの社会に欠かせないエネルギー源の一つです。その安全性を確保するために、私たちは原子力発電の仕組みや安全対策について、正しく理解していく必要があります。