講座新シリーズ

「非核と科学」

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 原発と原爆の同異(2)
 ―どちらもイニシエーターが必要―

松山奉史

 原発と原爆は核分裂反応で放出される核エネルギーを利用しています(前回参照)。反応の特徴は中性子(以下nと記す)を仲立ちとする連鎖反応ですが、その進行具合は原発と原発では異なっています。その差異を解説している図(U-235が核分裂で2個の核分裂片に分かれ、その際2個のnが放出されることを仮定している)を目にすることがありますが、その図を反応に与かるnの数に注目して追いかけてみると、
原発の場合:n(i)→n(1G)→n(2G)→n(3G)→・・・   (Ⅰ)
原爆の場合:n(i)→2n(1G)→4n(2G)→8n(3G)→・・・(Ⅱ)
但し,
 n(i):最初にU-235に吸収されて分裂を誘起するn(iは“初めの”の意),
 1G、2G、・・・:第一世代、第二世代・・・の意,
のようになっています。式Ⅰは各世代で生まれる2個のnのうち常に1個のみが次の反応に与かる(実はそうなるように反応は制御棒等で制御されている)ことを述べており、原発が定常運転の状態にある臨界状態の様子を示しています。式Ⅱは各世代で生ずるnの全てが如何なる制御も受けずに反応に寄与し、核分裂がネズミ算式に途方もない数へと増大していく様子を示しています。つまり、原発と原爆では連鎖反応の進行にこのような差異があるというわけです。
 ところで、式Ⅰ、Ⅱの反応が起きるためには最初にU-235に吸収されるn(i)が何処から来るのか知りたくなりますが、上述した反応解説図にはその由来(出所)の明確な指摘はありません。そこで、n(i)として自然界から飛来するnとかU-235やU-238の自発分裂で放出されるnを利用してもよいように思われるのですが、こうしたnの候補は数も少なく気まぐれにしか飛んで来ませんから、思い通りに利用することは実際のところ非常に困難なのです。原発や原爆を使用するに当っては、必要なときには任意にⅠ、Ⅱの反応を開始させ、両者の機能を自由自在に確実に発揮させたいのですから、n(i)は(通常の燃焼における火種のように)何時でも供給できるように何らかの形で別途用意されていることが必要になります。それがイニシエーターあるいは中性子源と呼ばれるもの(例えば、ローソクに点火するライターに相当)で、原発にも原爆にも必須の装置になっています。
 教科書によれば、酸化アメリシウム(Am)-241とベリリウム(Be)金属の粉末の混合物を圧縮してペレット化したAm-Be中性子源が原発用イニシエーターの一つになっています。Am-241のα崩壊で放出されるα線をBe金属に当ててnを発生させ、これをn(i)とするわけです。この装置は典型的には1秒間に約200万個のnを発生するそうですから、原発ではU-235が含まれている燃料体のあちこちで反応開始点がつくられⅠの反応が進行していることになります。原爆用イニシエーターの構造については詳しい情報を持ち合わせていませんが、α線を使ってnを発生させこれをn(i)とする方式には変わりがないようです。

 原発と原爆の同異(1)
―どちらも原理は同じ―

松山奉史

 核分裂とはウラン(U)やプルトニウム(Pu)のような重い原子核が、質量があまり違わない二つ以上の原子核に分裂する現象で、核反応の一種です。核分裂を起こす性質をもつ原子核を核分裂性核種といい、U—235、Pu—239などのことです。これらの原子核には外から手を加えずとも自発的に分裂する確率もありますが、外から中性子、陽子、α粒子、γ線などで刺激(照射)すると分裂が起こりやすくなります。また、分裂にともなって2~3個の中性子が新たに放出される性質があるので、この中性子を外部刺激として再利用すれば次の新たな核分裂を誘起することができます。この過程を繰り返し持続させた状態を連鎖反応と呼びます。
 ところで、核分裂を発見したのはドイツのオットー・ハーンで1938年のことです。ウランに中性子をぶつける実験で発見し、アインシュタインの有名な公式を用いると、一つの核分裂で約200メガ電子ボルトのエネルギーを放出することが明らかになりました。このエネルギーは莫大で、通常の化学反応(燃焼)で放出されるエネルギーの約100万倍に相当します(1グラム当り)。誇張かもしれませんが、この核エネルギーを利用すれば世界のエネルギー問題は永久に心配しないで済むだろうと思われるほどの画期的な大きさなのです。
 ところが、このエネルギーを実用化するための本格的研究の開始は原爆開発という軍事を目的としたものでした。開発に成功した原爆は1945年に広島と長崎に投下され、人類に大きな災いをもたらしたことはご存知の通りです。次に研究されたのは潜水艦用の動力源としてで、軽水型原子炉が開発されました(1954年)、そして、軍事用に開発したこの原子力潜水艦用原子炉を商業用発電炉へと転移したのが、現在の原発の出発点となりました。
 上で述べたように、原発と原爆は核エネルギーを利用するという点で原理的に全く同じであり、実用化の原動力は軍事研究にあったことも共通しています。とはいえ、電力生産のための原発と兵器としての原爆とでは何から何まで全く同じであるというわけではありません。次回以降もしばらくの間、科学的な視点から両者の同異について述べる予定です。

NO5
X線とγ線の違い(2)

 前回はX線の話しでしたが、今回はγ線の話しです。
 現在、存在が確認されている元素の数は118(人工合成元素を含む)ありますが、これらのうち外から何ら手を加えずとも自然に自ら放射線を出している元素として最初に知られたのは天然に存在するウランでした。1896年のことですからX線発見の翌年です。
 この大発見がきっかけとなって新たな天然存在の放射性元素が次々見つかり、放射線についてはラザフォード(英) が3種類あることを明らかにしました。まだ正体は不明でしたので3種類を区別するために、ギリシャ文字を借りて便宜的にα(アルファ)線、β(ベータ)線、γ(ガンマ)線と名付けました(1902年)。今ではこれらの自然放射線は次のように判明しています;
 α線:ヘリウムの原子核(陽子2個+中性子2個)。α粒子ともいう。電離作用が強く、透過力は小さい。
 β線:中性子が陽子と電子に変化するときに出る電子。電離作用、透過力はα線とγ線の中間。
 γ線:波長の短い電磁波。電離作用は小さく、透過力が大きい。
 放射線のすがたがここまではっきりすると、ある元素が自ら放射線を出すのは、もとの
元素が別の元素へ変化(崩壊、壊変)しようとして放射線を出している現象であると理解できます。なぜなら、α線を出して元素が変わる場合をα崩壊、β線を出す場合をβ崩壊といいますが、どちらも陽子数の変化を伴なっているからです。原子で考えると、原子の中心にある原子核が元の原子核から新たな原子核に変化(崩壊)する現象になっているのです。つまり、核の崩壊=元素の崩壊、なわけです。
 ここで、α・β崩壊が起きる直前の原子核(元の核)はその核の最も安定なエネルギー状態にあるのですが、崩壊直後の新しい原子核は、多くの場合、最も安定な状態よりもエネルギー的に高い状態で生成されます。この高いエネルギー状態は核にとっては非常に不安定な状態で居心地が悪いため、もっと安定な状態(エネルギーの低い状態)に移ろうとします。このとき、高いエネルギー状態ともっと安定なエネルギー状態との差に相当するエネルギーをγ線として放出します。それ故、γ線はα・β崩壊に伴なって核から放射される電磁波なのです。また、このγ線放射で新しい元素が生じることはありませんが、同じ核のなかでγ線を放出して新しいエネルギー状態へ変化していますから、これも放射性崩壊の一種とみなしてγ崩壊と呼ばれています。
 前回と今回の話しから表題の結論は、“X線は電子が放出する電磁波でγ線は核が放出する電磁波ですが、同じ電磁波であっても発生の起源が全く異なっているというこの点にX線とγ線との本質的な違いがある”ということになります。

松山奉史

NO4
X線とγ線の違い(1)

X線もγ線も放射線ですが、その違いは何かとよく質問を受けます。今回はX線の話です。
 数学では未知数の符合としてXを用います。転じて、正体不明のものをXと表すことがあります。
 ドイツのレントゲンはクルックス管(注)という装置を用いて真空放電の研究をしているとき、管の内部からガラス管壁を通して管外部へ未知のものが放射されていることを発見しました(1895年)。正体は不明だったので、これをX線と名づけました。発見のいきさつは、黒紙に包んで装置近くに置いてあった写真乾板が感光していることに気づいたことです。今では、X線は電磁波の一種(光や電波の仲間)であることが分っています。その波長は、おおまかにいえば、紫外線より短くγ線より長い範囲にあります。
 X線が発生する理由は、クルックス管内の陰極から飛び出した電子が陽極に入射し、二種類のクーロン相互作用を行って自身のもつ運動エネルギーを失うからです。相互作用の一つは陽極物質を作っている原子の核(正電荷をもつ)との相互作用、もう一つは核の外側を回っている軌道電子(負荷をもつ)との相互作用です。核との相互作用では、使用した陽極物質に関係なく連続スペクトルのX線が発生し(制動輻射)、軌道電子との相互作用では、用いた陽極物質それぞれに固有の特性X線(線スペクトル)が発生します。ここで、レントゲンが行った実験条件の下では、二つの相互作用の前と後で物質原子の状態には何の変化も起きていません。したがってX線は、陽極に入射した電子のもっている運動エネルギーが二つの相互作用を通してX線に変換されたのだ、と考えることができます。つまり、X線とはもっぱら電子が放射したものなのです。
 こうしてX線の正体は判明したのですが、当初名づけられたX線という名は今日でもそのまま使用され続けています。そして放射線としては最初に発見され、しかも人工放射線の最初の例となっています。

(注)クルックス管:クルックス(英)が初めて用いたガラス製真空管。内部の真空度は10パスカル以下。陰陽2個の電極を内蔵しており、電極間に電圧をかけると陰極側から出た電子が加速されて陽極板に飛び込む。

松山奉史


NO3
放射線による材料劣化と教育

 6月6日、茨城県大洗町の日本原子力研究開発機構大洗研究開発センターで作業員5人がウランとプルトニウムが入った保管容器を点検していたところ、放射性物質が漏れて被爆したとの報道がありました。この事故の詳細はまだ明らかでは有りませんが、今後のためにこの件を十分調査して、教訓にしてほしいと思います。なぜなら、原子力発電所を稼働させた国々共通の課題として燃焼前のウランやプルトニウムそして使用済み核燃料物質を気の遠くなるほど長く安全に保管する重要な責任があるからです。10万年先を見通すこれらの保管・廃棄場所はすぐには決まらなくとも、少なくとも住民の安全性を確保しながら厳格に管理・継続していける技術や体制について十分な実証研究が要請されています。わずかな期間でも注意を怠ると、放射性物質の飛散から最悪なアルファ線等による人体の内部被爆事故を引き起こすからです。

 先日の当事業所でのウランとプルトニウムは1991年にポリ容器に入れ、ビニール袋に包んで保管容器に26年間保管していたとの事であった。私が驚いたのは「ポリ容器に入れ、ビニール袋に包んでいた」が容器開封時にビニール袋が破れ、内部の粉状の放射性物資が飛散したことです。私は学生時代にポロニウム線源を実験に使用したことがあり、線源の入ったアクリル製の容器の蓋を開けると、蓋の内側が餅を焼いたように膨れ上がっていた事がありました。生体や有機物にウランやプルトニウム等が密着することがあると、アルファ線等でそれらに大きな損傷を残します。わずかの時間でもポリ容器やビニール袋に密着させるとその材料が劣化したり、ガスへと分解する可能性があります。「ビニール袋が破れることを想定していなかった」と事業所が記者会見しましたが、とりあえず一時的に保管するにしろ放射線による材料劣化の問題は常時留意する必要があります。

 日本だけでなく、原子力をエネルギー源として利用した国々はこれ等で用いたウラン、プルトニウム、使用済み核燃料等を何万年単位の時間で安全に保管する義務があります。
わずか30年足らずの保管でこの様な事故発生は何だろうと思います。私が気になることは学生にアンケート調査をすると残念ですが、「難しい課題は行政や専門家へ任せる」という回答が多かったことです。これでは安全性や超長期間の防護体制は育っていかないのではと思うのです。私は学校教育の段階で児童・生徒が生活の基礎により関心を持ち、安全のための知識を得て、自ら意見を持ち判断できる力の育成に期待しています。まず、皆が関心をもつことです(跡部紘三)。

NO2
原子力災害時の「想定外」と「緊急対応」跡部紘三

ドナルド・レーガン.jpg 過酷な耐久競技のラリーで自動車の安全技術は様々に試され、磨き上げられてきました。車両自体の問題で大きな事故もあまり聞きません。理論のみではなく、徹底的に実験され、試験を通過した技術のみが社会に受容されていきます。この自動車の安全技術の発展過程から、また実験を中心にした長年の仕事から、私は以前より原子力の巨大システムでも単なる理論や計算を中心にした安全性の主張には大きな疑問をもってきました。地震や津波も含めて、この災害を乗り越えられるものは『実物サイズ』での過酷試験が必ず必要と考えています。もしこれが、技術的・経済的にも、社会的にも不可能であれば事業として推進すべきものとは考えません。原子力災害で周辺住民の方々へ大変な運命を押付けることになりかねませんし、国土や海を荒廃させ危険地域にしてしまうからです。日本のように古来、地震、津波が度々起きる地震列島で原子力事業を推進した政府や会社の『想定外』、『予見不可能』の主張は空しいものです。物事を進めたい人間の深層心理として都合の悪い結果は想定したくない気持ちが責任をもつ側に強く働くのかもしれません。
  もう一つ、福島原発事故時の印象的な事態は各国政府の迅速な対応です。アメリカは原子力災害に極めて敏感で、この時すぐに原子力空母や在日アメリカ軍を被災地の救援に向かわせました。同時に在日アメリカ人の安全を担保するため自主避難区域を原発より80km外と設定し、厚木や横須賀から脱出・帰国させ、福島上空を無人偵察機で独自の放射能観測を続けました。フランスや他国も在日国民を集めて飛行機で緊急に帰国させました。核戦争も含めてアメリカは原子力災害に即応態勢を有し、核の先制攻撃を排除せず、また核の攻撃が察知されたら、即時の報復核攻撃を行う体制が常に維持されています。
オバマ前大統領も広島に『核のボタン』を持参したように緊急事態への対応策・手順は具体的・現実的です。日本は原爆の被災国として、また、原発災害を経験してきた国として『想定外』事後の後始末、後追い思想から脱し、想像力をもって核兵器廃絶のマニュアル・手順を事前に世界へ発信すべきと思います。

NO1
「科学的検証の切実さと歯がゆさ」 跡部紘三

 2011年3月11日の東日本大震災とそれに続いて起こった福島第一原子力発電所の事故から、もう6年経とうとしています。目に見える復興の世界とは違い、「目に見えない放射線の世界」はどうなっているのでしょうか。この地で暮らしていく住民にとって最大の関心事は、「放射線の人体への影響」であろうと思われます。農業等を営み、その地で子や孫と暮らしていく方々とっては極めて切実な情報にも関わらず、これが、分りやすく説明されていない(できない)事に苛立ちや、歯がゆさ、限界を感じている住民、行政関係者、研究者等の方は多いのではないでしょうか。「一体、何シーベルトまでなら被ばくして良いのか?」これに対して「100ミリシーベルト以下は・・・」このようなやり取りが、延々と行われてきたと思います。説明する側も、される側も、もう一つ納得しているようには思えません。人体への影響として、非常に高い放射線量被ばくで問題となるのは、確定的影響とされる影響(発がんを除く)である数値以上の被ばくで大量の細胞死による影響が現れます。大部分は組織・臓器を構成している細胞の死が原因です。影響が出るとされる量がある程度分っているので、臨床的症状も予測できます。しかし、その福島の多くの方々が不安を抱いているのは、もう一つの確率的影響で発がんや遺伝的影響だと思います。世界的に権威ある国際放射線防護委員会(ICRP)の勧告による「しきい値なし直線モデル」と云われるものでどんな低い線量でも細胞の遺伝子上の変化が起こり、線量の増加と共にそれらの発生率が増加するという考え方です。被ばくと発症の因果関係を示す明確なデータは存在せず、広島・長崎の原爆や原子力事故等の調査結果からの推定です。研究機関や研究者による評価法の違いがしばしば生じるのは避けられません。人体実験はできませんが、この長期低線量率被ばくの真実に迫ろうと云う努力が新しいモデルと生物学的実験で続けられています。当面は、より慎重に、安全側に重点を置いたICRPモデルでの対応が必要と考えます。

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