原子力の話 of 震災日報

安心するにも恐れるにも、まずは正しい化学知識…というわけで、自分の勉強を兼ねて原子力エネルギーについてまとめてみた。
まだ知識や理解が不完全だし、図ももう少し追加したいので、暫定的なものだと思って欲しい。

この世の中のあらゆる物を作っている原子がどのようなものなのか見ていこう。
すべての物質の基となっている粒子を素粒子と言うが、クォークという種類の素粒子によって、陽子と中性子が作られ、その陽子と中性子によって原子核というものが作られている。

陽子の数で種類が決まる

原子核の陽子が１個なら水素（Ｈ）、２個ならヘリウム（Ｈｅ）…２６個なら鉄（Ｆｅ）…原子力発電に使われるウラン（Ｕ）は９２個、プルトニウム（Ｐｕ）は９４個である。
陽子の数はそのまま原子番号として種類分けに使われている。
電子の重さは無視できるほど軽いので、原子の重さはほとんど陽子と中性子による。つまり原子番号が大きいほど物理的に重いわけだ。
天然の元素の中で最も重いのがウランである。より重い元素は、人間が陽子の数を人工的に加えて作り出した人工元素である。プルトニウムもそのひとつだ。

同じ原子でも中性子の数が違うのが同位体

同じ原子でも、中性子の数が違うものがある。これを同位体という。
たとえば水素の原子核は陽子だけで中性子がないものがほとんどだが、陽子１個＋中性子１個の重水素という同位体もある。
同位体は陽子の数＋中性子の数を原子の名前の後に付けて呼ぶ。前者は水素１、後者は水素２となる。

いくつかの陽子と中性子によって原子核が作られ、その周りを陽子と同じ数の電子が飛び回ることで原子ができている。

原子の陽子と電子の数は同じだ。陽子は電気的にプラスの性質、電子はマイナスの性質を持っているため、同じ数どうしであれば電気的にプラスでもマイナスでもないということになる。
だが、電子の数が多かったり少なかったりする状態もあり、それをイオンという。
電子の数が少なくて電気的にプラスの性質を持つものを陽イオン、逆に電子が多くて電気的にマイナスの性質を持つものを陰イオンという。

原子力発電で燃料として使われるのはウランの同位体であるウラン２３５だ。
この「２３５」という数字は、質量数といって原子核を構成している陽子と中性子の個数の合計だ。
ウラン２３５は陽子９２個＋中性子１４３個からなる。

核分裂と核融合

何かの作用によって原子核が分裂することを核分裂といい、原子力発電所でこの時に出るエネルギーを利用している。
分裂した原子核は、陽子の数によって様々なより軽いいくつかの原子核になるほか、原子核に取り込まれなかった中性子などが放出される。

原子核どうしがくっついて一つになることを核融合といい、太陽などの恒星の中心部で起こっている。
鉄はあらゆる原子の中で原子核の結びつきが最も強く、安定しており、核分裂も核融合もしにくい。

鉄より軽い原子核が融合すると、融合する前の原子核の合計よりも質量が軽くなり、軽くなった分のエネルギーが生じる。
鉄より重い原子核が分裂すると、分裂する前の原子核よりも質量が軽くなり、軽くなった分のエネルギーが生じる。
質量１gの物質を全てエネルギーに変換できた場合、石油2,000tを燃焼したのと同じだけの莫大なエネルギーに相当する。

放射線

原子を電離（イオン化）する能力を持った高いエネルギーの流れが放射線である。
放射線の強いエネルギーによって電子が原子の外にはじき出してしまうため、原子がイオンになるのだ。
そうしたものの総称が放射線なので、放射線という特定の物質があるわけではないので注意したい。
放射線の種類にはアルファ線、ベータ線、中性子線、ガンマ線、エックス線などがある。

放射性物質

崩壊時に一緒に放射線が出る元素を放射性元素といい、その物質を放射性物質という。

放射能

放射能というのは、正確な意味では物質が放射線を出す能力のことだが、一般的には放射性物質のことを指すことが多い。

原子崩壊

重い原子核になればなるほど原子核は不安定なものが増え、陽子や中性子を放出してもっと軽く安定した原子になろうとする。これを原子崩壊という。
崩壊する際にどんな放射線を出すかによって、アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊などと呼ぶ。

ウラン２３５の核分裂パターンその１
ウラン２３５の核分裂パターンその２
原子力発電で使用される燃料は前述のウラン２３５だ。
なぜウラン２３５が選ばれているかというと、核分裂しやすいからだ。
ウラン２３５は中性子が１個核に入り込むと２つに核分裂する性質を持っている。
この核分裂時に莫大な熱エネルギーが生じるので、その熱で水を沸騰させ、水蒸気でタービンを回して発電している。
ウラン２３５が核分裂すると、原子核の中性子が飛び出して他のウラン２３５の原子核に入り込み、さらに核分裂するという連鎖反応が起きる。
原子力発電所ではこの連鎖反応が少しずつ進むように制御されている。一気に連鎖反応するようにしたのが原子爆弾。


ピンポン玉を載せたねずみ捕りを使い、核分裂の連鎖反応を模した動画。
他の動画をまとめたサイト／カラパイア「ネズミ捕りを大量に配置し疑似核分裂連鎖反応を起こさせる映像7連発」

放射線を出しながら軽い元素に変わっていくことを崩壊（原子崩壊）という。
ウランの核分裂によってできるより軽い原子（核分裂生成物）として、セシウム、ヨウ素といった原子がある。
これらの物質も、さらに放射線を出しながらさらに軽い原子核へと崩壊していくものが多い。

ある原子核が崩壊して別の軽い原子に変わるのは、一瞬で行われるものもあれば、長い年月をかけて行われるものもある。
１００個の放射性元素があったとして、それが一時に崩壊するのではなく、少しずつ崩壊していく。
それが半分の５０個崩壊するまでの時間は、原子の種類によって決まっており、その期間を半減期という。
ウラン２３８の半減期は４５億年、プルトニウム２３９は２万４０００年という膨大な長さとなる。
あくまでも「ある原子からの放射線量が半減する」ということであり、「半減期を過ぎれば安心」というわけではない。
１０あった放射性物質の数は半減期には５になるが、次の半減期には４分の１の2.5になる。さらに次の半減期には８分の１の1.25になる。

放射線を出して崩壊することで新たな放射性物質に変化した場合、今度はその物質が出す放射線の危険もあるが、原発による生成物は一部の物質を除いて半減期が数秒〜数日程度である。
ゆっくり崩壊していくということは、逆に言えば単位時間あたりの放射線量は少ないことになる。

原子炉内では、水によって核分裂時に放出された中性子の速度を落としている。そうしないと中性子が速すぎて連続的な核分裂が起きにくいのだという。
原子炉の水がなくて空焚き状態なら、核分裂はまず起きないという。（朝日新聞４月４日２７面）