原発と原爆の同異（６）―原発の原理（その２）―

原発と原爆の同異（６）

―原発の原理（その２）―

松山奉史

 

これまで、原発では核反応に低速ｎ（熱中性子）を用いること、この低速ｎは高速ｎが他の原子・分子との衝突（散乱）をくり返しそのたびに減速することによって実現できることを述べました（本誌１８８号）。ここでいう原子・分子というのは厳密には原子の核、分子を構成している各原子の原子核という意味ですが、衝突による減速の原理は“相手原子核の質量がｎの質量に近いほど、ｎの運動エネルギーを相手核に多く渡すことができる”という物理法則です。例えば、Ｕ－２３５の核分裂で生じた高速ｎが熱中性子（低速ｎ）にまで減速されるには、相手原子が水素（Ｈ）ならその原子核は陽子（ｐ）１個ですから質量はｎとほぼ同じで２０回弱の衝突で十分です。もし、相手核が酸素（Ｏ）、Ｕ－２３８なら、質量はそれぞれｎの１６倍、２３８倍で、衝突回数は各々１５０回程度、２０００回強となります。衝突回数が多いということはそれだけ熱中性子化に時間がかかるということも意味します。

今、原発の燃料部分が１個の大きなＵＯ_２焼結体の塊でできていると仮定します。Ｕ－２３５の濃縮度は３％ですから、Ｕ－２３５の存在はＵ－２３８の大海原にちらほら疎らに浮かんでいるようなイメージになります。このような状況の下でＵ－２３５が核分裂を起こしたとします。発生したｎは高速のｎですが、このｎを焼結体内で低速のｎにまで減速し、引き続いてＵ－２３５の核分裂につなげようとすると、焼結体内には減速のための衝突相手はＵ－２３８とＯのみでＨは存在しませんから、時間のかかる多数回の衝突になってしまいます。すると、Ｕ－２３８の核的性質（本誌１８８号で述べたＵ－２３８の核分裂やｎの捕獲）が効いて、Ｕ－２３５の核分裂の続行が困難になってしまうのです。

では、この困難を克服するにはどうすればよいかといえば、第一に高速ｎを焼結体内で減速することを回避し、第二にｎを一旦焼結体外に出るように仕向けて外で別途減速し、第三に十分低速となった熱中性子を再び焼結体内に戻してＵ－２３５に吸収させることができればいいわけです。

それでは、実際の原発ではどうなっているかといえば、直ぐ上で述べた困難克服策がそのまま採用されていて、ＵＯ_２焼結体を多数の細長い燃料棒に加工して軽水中に設置しています。細く棒状にしているため燃料体全体の表面積も1個の塊である場合と比べて格段に大きくなり、Ｕ－２３５の核分裂で発生する高速ｎの燃料棒外への脱出が容易になっています。脱出したｎは（軽）水分子中にあるＨの原子核と約２０回の衝突を行い速やかに熱中性子になります。熱中性子となったｎはその後もＨと衝突しながら軽水中を拡散してゆき、いずれその大部分は炉心を構成している燃料棒内に到達し次のＵ－２３５核分裂に寄与します。ここまでの一連の過程で、高速ｎの飛び出し時を起点として熱中性子になるまでの時間は約１マイクロ秒、このｎが燃料棒内に戻りＵ－２３５に吸収されるまでの時間（拡散時間という）は約０.２ミリ秒とされています。つまり、核分裂で飛び出した１個のｎに注目すると、これが次の核分裂を起こすまでにかかる時間は拡散時間の長さが律速となり、軽水炉の場合は約０.２秒ということになります。

ここで一つ指摘しておきたいことは、高速ｎが燃料棒の外に出るためには短時間（あるいは短距離）とはいえＵ－２３８の海の中を必ず通過し、燃料棒の長さ方向に進んだ場合にはより長時間Ｕ－２３８の海の中に滞在することになり、また、一旦軽水中に出たｎでも十分低速になる前に再び燃料棒中に戻ることもあり得るということです。これらの現象があるということは、ｎがＵ－２３８と相互作用してＵ－２３８の核分裂を引き起こしたりＵ－２３８に捕獲される（Ｕ－２３９になる）確率がまだ残っている（完全にゼロにはできない）ことを意味します。後者についていえば、Ｕ－２３９はβ崩壊でＰu－２３９になり、このＰu－２３９が溜まりだすとさらにｎを吸収してＰu－２３９の核分裂を起こしたり（Ｐu－２３９は核分裂性物質です）、Ｐu－２４０、２４１も生成され得ることになります。新品の核燃料が炉心に装荷されると３～４年間燃やし続けますから、例えこれらの確率が小さいとしても蓄積された結果は相当大きなものになります。それを使用前の新品燃料と使用済燃料（発電後）に含まれるＵに関連した重量成分比でみてみると、使用前にはＵ－２３５が３％、Ｕ－２３８が９７％であったものが、使用後にはおよそＵ－２３５が１％、Ｕ－２３８が９５％，Ｐuが１％、核分裂生成分が３％になっています。新たに生成されているＰuの起源は明らかにＵ－２３８にあり（そのためＵ－２３８は減少している）、Ｕ－２３５の減少分は２％なのに核分裂生成物が３％になっているのはＵ－２３８、Ｐu－２３９の核分裂やＰu以外の超ウラン元素の生成があることを示しています。この結果から、原発の出力にはＵ－２３５だけでなくＵ－２３８やＰu－２３９の核分裂による寄与もあるという結論になります。（以下次号に続きます）