【臨界/未臨界】核分裂連鎖反応が長続きする条件とは？

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

核分裂連鎖反応が起きやすくなるかも？と専門家が考えているのは、中性子と重さが等しい"水素"が存在する場合。水素(要は水)がなければ再臨界にはならない。 また今現在、注水して水が存在しているけど、twitter.com/hyd3nekosuki/s…なので、現状としては深い未臨界状態にある

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

仮に、注水して再臨界→再沸騰→冷却→再臨界…のサイクルが続くとしたら、注水しても水温下がらない。なので、注水して水温が下がる状態にあるということは、未臨界状態が保たれているだろう

2012-07-24 21:06:53

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

あとは、逆に、水が多すぎても核分裂の連鎖が長続きしません。 twitter.com/hyd3nekosuki/s…

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

ウランの原子核数に比べて、水素の原子核があまりに多すぎると、遅くなった中性子がウラン235と核分裂反応起こす前に、水素に食べられてしまう割合が増えます。なので水素が多過ぎると、核分裂反応の起きる数そのものが減り、臨界状態になりにくくなります

2012-03-30 01:31:19

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

水素の中性子捕獲反応のポンチ絵→vine.co/v/OlYYYpQattB twitter.com/hyd3nekosuki/s…

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

中性子くんは陽子さんと夫婦になって、安定した暮らしをしたい

2015-04-19 18:54:33

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

あと、おおざっぱな理解として、スピードが速い中性子では中性子が食べられるような核反応(例えば捕獲や核分裂)は起きにくくて、中性子のスピードが遅くなるにつれてこういった核反応が起こりやすくなります。 イメージとしては、キャッチボールで豪速球より遅いボールのほうがキャッチしやすい感じ

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

あと、核燃料の体積(量)が同じだったとしても、「形」が違うと核分裂連鎖反応の起こりやすさが変わります。表面積が大きな形(例えば平ぺったい板)のほうが、燃料から中性子が漏れやすくなり、燃料内で起こす核分裂連鎖が少なくなるため。 pic.twitter.com/RoXRLobeFf

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Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

twitter.com/hyd3nekosuki/s… 核分裂反応を起こしやすくするには、中性子のスピードを遅くする必要がある。そのためには、中性子が原子核と「散乱反応」を何度か起こして原子核にエネルギーを与えなければならない。その時の肝が「中性子と衝突する原子核の重さ」

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

例えば、ウラン235は核分裂反応を起こしやすい核と知られてますが、よりスピードの遅い(エネルギーの低い)中性子がぶつかった時のほうが、核分裂反応を起こしやすい性質があります

2012-03-30 00:14:15

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

このイメージとしてはtwitter.com/hyd3nekosuki/s…

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

これを直感的に体験するには、財布から小銭を二枚取り出して、一つの小銭を標的としておはじきをしてみるのも良いかもしれない。10円標的に10円玉をぶつけた時と、500円標的に10円玉をぶつけた時とで、どちらのほうが衝突後の10円玉の速さを遅くできるか、とか

2012-03-30 00:33:25

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

例えば、500円玉(重い原子核)を標的として1円玉(中性子)をぶつけても、500円玉はちょっとしか動かず、1円玉は勢いよく散乱される。 pic.twitter.com/2rqVM52lvv

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

一方、1円玉(中性子と同じ重さの原子核、要は水素)を標的として1円玉(中性子)をぶつけると、標的の1円玉がかっ飛んで(エネルギーが移って)、ぶつけた1円玉のスピードはそのぶんだけ遅くなる。 (動画の1円玉の裏表に注意) pic.twitter.com/7JX1hKEoTg

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

100トンのUO2だけを単純に固めて(例えば、直径2.7mの球状)、その周りをどれだけの厚さの水で巻いたところで、臨界(k≧1)にはならない。 条件を新燃料としてMVP/JENDL-4で計算しても、実効増倍率k≒0.7で深い未臨界。UO2に被覆管等が混じれば、さらにkは下がる。

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

twitter.com/hyd3nekosuki/s…で述べた、実効増倍率kの計算条件は以下のとおり→ pic.twitter.com/kLFEYC2EfS

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Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

@hyd3nekosuki 専門家が「実効増倍率k≧１となるような厳しい条件」を考えた場合、例えば次図のような体系となる。UO2が大きな塊となるのではなく、サイズ1cmオーダーの燃料片の間に、適度な量の水が"減速材"として存在する形 pic.twitter.com/JEu0dA85HZ

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Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

未臨界状態というのは、体系の中に1個の中性子をぽんと投入した時に、それを種火とした核分裂の連鎖反応がいつか終息し、連鎖反応の長さが定義出来る状態。中性子増倍率Keff=0の場合は一切連鎖反応が起こらない。Keffが1に近づくにつれて連鎖反応の長さがどんどん長続きするようになる

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

(敢えてぷよぷよで例えるならば、深い未臨界(Keffが0に近い状態)ではふぁいや～ぐらいしか続かない、臨界状態に近づく(Keff→1)とふぁいや～→あいすすと～む→…→ばよえ～ん×nの連鎖が長続きする。正に臨界状態(Keff=1)では、ばよえ～ん×∞の状態とも言える)

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

自発核分裂中性子源を種火とした未臨界増倍については→twitpic.com/7aqjmt　体系が未臨界(中性子増倍率k<1)の場合、自発核分裂数がS [fission/sec]の倍、毎秒起こっている全核分裂数(自発核分裂数)としてはS/(1-k) [fission/sec]

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Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

要は、全核分裂数がS＋k×S＋k×k×S＋k×k×k×S＋…という無限等比級数の和の形となるため、無限等比級数の和の公式よりS/(1-k)となる。つまり、未臨界状態とはいえ、元々のSが1/(1-k)倍に増幅されることになる

Tomohiro ENDO @hyd3nekosuki

例えば、k=0.5の場合には1/(1-k)=2なので、全核分裂数Fは元々の自発核分裂数Sの2倍(F=S/(1-0.5)=2×S)となる。同様にk=0.90ならば、全核分裂数FはSの10倍まで増幅されることになる