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ぱろっと・すたじお

技術メモなどをまったりと / my site : http://parrot-studio.com/

とても大雑把な「ウラン核分裂」の説明

はてブ 放射線

以前、原子のエネルギーをベースに、
「放射線とは何か?」を、大雑把に書きました


とても大雑把な「放射線」の説明 - どっかのBlogの前置きのような


あれの最終的な目的は、
「ウランの核分裂で何が起こっているか?」だったものの、
そこまで書くと面倒冗長かなと思い、あそこで切り上げました


そもそも、原子のエネルギーは研究室の関連分野でしたが、
核反応までくると専門ではなかったこともあり、
それを書いちゃっていいものかな・・・と(´-ω-)


でも、一応は学部の授業で習った話ですし、
自分でもいろいろ調べたのもあるので、
前回同様、OUTPUTでより理解を深めることを目的にまとめてみます


最終的な目的は、「○○が検出された」というニュースに対し、
冷静に対処できるようになること、です


仕組みを知り、調べ方を知っていれば、
いちいちパニックにならなくて済みますからね(`・ω・´) b


なお、この記事は元々4月頃に書いていて、
誰も読まないだろうとお蔵入りしていました


でも、未だに「○○が検出」というニュースが絶えないので、
自分で整理する意味でも、公開することにします
時系列等が変だったらごめんなさい(´・ω・`)


前提


今回は「式」みたいなものがたくさん出てくるので、
先に記号とか約束事をまとめておきます


前回書いたように、原子は「陽子」「中性子」「電子」でできていますが、
中性子(neutron)」を「式」の中で単体で出てくるので、
その場合は「n」と書くことにします


念のため、他も含めて書くとこうなります

  • 陽子:p (proton)
  • 電子:e (electron)
  • 中性子:n (neutron)

頭文字を取っただけなので、簡単ですね(`・ω・´) b


あと、前回は同位体の話がメインだったので、
原子核中性子と陽子の合計=粒子数」がわかればよかったのですが、
今回はそれぞれ意味を持つので、以下のように書きます

元素記号(原子核の粒子数/陽子数)

例:C(12/6) 炭素(陽子6個)が12-6=6個の中性子をもつ場合

核反応の大前提


数学の恒等式や、化学式と同じように、
核反応の「式」でも「式の前後で原子核の粒子数は一定」です
(前回書いた「エネルギー保存則」と大雑把な考え方は同じです)


例えば、前回も書いた・・・

C(14/6) -> N(14/7)

・・・で考えると、中性子が一個陽子に変わってますが、
原子核として合計した数は14で変わってません

核反応あれこれ


この辺から徐々に難しめの話に入っていきます
ゆっくりいきましょう...φ(・ω・`)


一口に「核反応」といっても、いくつかの種類があります
一つずつ見ていきましょう

捕獲


前回も書いた、原子が安定するときに投げ捨てた「放射線」ですが、
それはどこに行ってしまうのでしょうか?


最終的にそれらは、他の原子核にぶつかって、
そこで取り込まれる(合体する)ことで止まります
これを「捕獲」といいます


特に中性子は、それを取り込んでも「同位体」になるだけで、
原子の性質が大きく変わるわけではないので、
比較的取り込まれやすいようです


例えば、宇宙からはいつも中性子が降り注いでいます
これを、地表の炭素が捕獲すると、こんな風になります

C(12/6) + n -> C(13/6) (安定)
C(13/6) + n -> C(14/6) (放射性)
C(14/6) -> N(14/7) (安定)

これが、自然界に放射性物質が存在する理由(の一つ)です


また、この例のように、中性子捕獲の結果、
原子が放射性同位体になること
を、「放射化」といいます


一時期話題になった(らしい)放射性塩素Cl(38/17)は、
海水中の塩分(NaCl)に含まれる安定塩素Cl(37/17)が、
原子炉内で中性子捕獲して放射化したものだそうです

Cl(37/17) + n -> Cl(38/17)

原子炉内には(止まったとはいえ)いくらか中性子があるので、
こういった反応が起こるわけです

崩壊


前回も書いたように、坂の途中で落ち着かない原子が、
坂を転がり落ち、最終的に放射線を出して安定する現象を、
「(原子の)崩壊」といいます


崩壊といっても、原子の状態や種類が変わるだけで、
原子の数そのものは一個のままです


前回は省きましたが、崩壊にはいくつかの種類があります
代表的なものを挙げておきましょう

  • α(アルファ)崩壊


原子から陽子が2個と中性子が2個飛び出す崩壊です
このとき飛んでいったものをα線といいます

例:Sm(149/62) -> Nd(145/60) + [He(4/2)]
※ヘリウムそのものではなく、ヘリウムの原子核

このように、粒子数が4、陽子が2減ります


陽子2個と中性子2個というのは、
言い換えればヘリウムHe(4/2)の原子核がすっ飛んでいくわけで、
他に比べれば「重い」放射線になります


重たいのであまり飛ばないですし、
大きいので紙一枚で簡単に弾かれてしまいますが、
当たると痛いので、細胞に直接当たるとわりと危険です

  • β(ベータ)崩壊


非常に大雑把な言い方をすえば、
中性子が陽子と電子に変わる」崩壊です
当然、原子は一個のままです


例えば、さっき出てきた炭素C(14/6)はβ崩壊しています

C(14/6) -> N(14/7)

粒子の総数が変わらず、陽子の数が一個増えてますよね?


すっ飛んでいくものは電子で、これをβ線といいます
α線のように重くないので、そこそこ飛んでいきますが、
プラスチックの板一枚で防げますし、ダメージもα線よりはるかに小さいです


なお、核分裂でできた原子は、中性子が多すぎる場合が多いので、
釣り合いが取れるところまでβ崩壊を繰り返す、
つまり、粒子数が変わらないまま陽子が増えていく場合が多いようです

  • γ(ガンマ)崩壊


不安定な原子が、自分の一部ではなく、
「光」に乗せてエネルギーを放出する崩壊です
このため、原子の種類等は一切変わりません


このとき出てくるエネルギーをもった「光」
他同様にγ線と呼びますが、
「光」なので何かでブロックすることが難しい放射線です


体を簡単にすり抜けていきますし、
その過程で細胞を傷つけやすいようです
防ぐためには鉛や鉄の板が必要になります


レントゲンに使われるX線も「光」の一種なので、
γ線と似ていますが、エネルギーとしてはずっと低いものです
とはいえ、「放射線」の一種ではあります

分裂


一つの原子が二つ以上の原子や粒子になることを、
「(核)分裂」といいます


その意味だと、α崩壊やβ崩壊も「分裂」と呼べそうですが、
一般的にはα線(=ヘリウム原子核)より重いものを「分裂」と呼ぶようです
通常は、外から中性子を捕獲することで「分裂」するようです


一例として、原子炉の中で起こっている、
「ウランU235の核分裂」の中の一つはこんな感じになります(´・ω・)っ

U(235/92) + n -> Y(95/39) + I(139/53) + 2n
(Y:イットリウム I:ヨウ素)

これはあくまで一例でですが、式の左右で粒子の数が一致してますよね?


こんな風に、一度の崩壊反応でより多くの中性子が生成されるので、
ウランの核反応が連鎖して、そのたびにエネルギー=熱を出す、
というのが原子力発電の原理です

融合


分裂の逆で、二つの原子核がくっついて一つになるものです
太陽の中で起こってるのがこれです


「崩壊」や「分裂」に比べると、無理矢理なイメージですが、
実際大量のエネルギーを必要とします


世界的なプロジェクトとして「核融合炉」ってのが研究されてますが、
まだ実用レベルにはほど遠いようです(´-ω-)

ウランU235の分裂と崩壊


さて、ここまでをふまえて本題です...φ(・ω・`)


原子炉の燃料であるウランUですが、
自然に存在するのは99%以上はU238というもので、これは核分裂しません
中性子を捕獲すると、よく聞く「プルトニウム」ができます

U238 + n -> U239 -> β崩壊 -> β崩壊 -> Pu239


原子炉の中には大量の中性子があるので、
よく原子炉の廃棄物としてプルトニウムが出てくるわけです
(自然界にもU238からできたPuが少量あるそうです)


ちなみに、ウランは昔から知られている鉱物で、
なんとガラスに混ぜて使うこともあったとかΣ(゚Д゚)ガーン
Wikipedia:ウランガラス


で、肝心の燃料になるウランはU235で、
自然界にごくわずかに存在するのを、
(2〜3%に)濃縮して燃料にしています*1


これが中性子を捕獲すると、分裂して中性子をいくつか出します

U235 + n -> ? + ? + n * 2〜3


じゃあ、この「分裂してできるもの」がどれくらいあるかって話なのですが・・・


なんでこれを調べたいのかといえば、事故から時間が経つにつれ、
聞いたことがない物質名が次々出てきたからです
(で、「だから原子炉が"再臨界"=勝手に動き出した」・・・と)


原子が存在することを調べるのはとても手間で、
放射線量が多いもの(例えばヨウ素I131)が他にたくさんあると、
それに紛れてしまい、少ないものが検出できなかったりするそうです
(ヨウ素I131の半減期は8日ですから、32日経てば1/16になっているはず)


つまり、「それなりの量生成され」「半減期の長いもの」であれば、
後から見つかっても何も不思議ではありません


ということで調べはじめたものの、
「どうせ多くてもたかが知れてるから、そこから崩壊パターンを書き出して・・・」
とか思っていたのですが、非常に甘い考えでした


たまたま見つけた資料によると、
U235の分裂でできるもの」はこんなにあります(; д ) ゚ ゚


http://ie.lbl.gov/fission/235ut.txt


左が原子の同位体の名前、その次が半減期
その次がよくわからなくて、最後がその原子が生成される確率です
つまり、最後の確率が高いほど、たくさんできる可能性があります


前回も書いたように、原子の世界では確率でしか決められないことがあり、
ウランの核分裂もこうして確率でしか決められないわけです(´-ω-)


ということで全部は不可能なので、wikipedia:核分裂反応に記載されている、
比較的生成される確率が高いものについて、
そこからどのように崩壊していくのかを書きだしてみます


- セシウムCs(133/55) (安定)


安定しているので崩壊はしないのですが、
中性子を取り込んで放射化するそうです

Cs(133/55) + n -> 中性子捕獲 -> Cs(134/55) (半減期2年)
Cs(134/55) + n -> 中性子捕獲 -> Cs(135/55) (半減期膨大)
Cs(134/55)  -> β崩壊 -> Ba(134/56)  (安定)
Cs(135/55)  -> β崩壊 -> Ba(135/56)  (安定)

Ba:バリウム


- ヨウ素I(135/53) (半減期6時間)

I(135/53) -> β崩壊 -> Xe(135/54) (半減期9時間)
Xe(135/54)  -> β崩壊 ->  Cs(135/55)(半減期膨大)
Cs(135/55)  -> β崩壊 -> Ba(135/56)  (安定)

Xe:キセノン

話題になったI131と違い、こちらはγ線を出しません
そもそも半減期が短いので、もうほとんど残ってないと思われます
(実際、話題になってません)


- ジルコニウムZr(93/40) (半減期膨大)

Zr(93/40)  -> β崩壊 -> Nb(93/41)

Nb:ニオブ

半減期が膨大なので、存在したとしても、
ベクレル(Bq)の値は非常に小さい=Svも小さいはずです
ちなみに、ジルコニウムは燃料棒の被覆材料として使われているそうです


- セシウムCs(137/55) (半減期30年)

Cs(137/55) -> β崩壊 -> Ba(137/56)  -> γ崩壊

話題のCs137です
崩壊したバリウムBaがγ線を出すため、
他に比べると体に影響が出やすいと思われます


- テクネチウムTc(99/43) (半減期かなり長い)

Tc(99/43) -> β崩壊 -> Ru(99/44) (安定)

あまり聞かない元素ですが、医療の分野では使われているそうです
ウランから生じたものは半減期が長いため、
放射線についてはあまり考えなくて良さそうです


- ストロンチウムSr(90/38) (半減期28.8年)

Sr(90/38) -> β崩壊 -> Y(90/39) (半減期2.6日)
Y(90/39) -> γ崩壊
Y(90/39) -> β崩壊 -> Zn(90/40) (安定)

Y:イットリウム

これも途中にγ崩壊を含むため、危険度が高いようです
Cs137と同じくらいできるのに、こちらが出てこない理由は、
気体として放出されることが少ないからのようです


- ヨウ素I(131/53) (半減期8日)

I(131/53) -> β崩壊 -> Xe(131/54) -> γ崩壊

これも話題になったI131ですが、
半減期が短く、しかもγ線を出すために、
事故の初期段階で(目立つ放射線を出すがゆえに)問題になったと思われます


数ヶ月経った現在、もうほとんど残ってないと思われるので、
逆にI131が「新たに」検出されるようだと、まずい状況の可能性はあります

情報に惑わされない方法


ここまでがウラン核分裂の原理的な話で、
ここからは応用・・・というか、流れてきた情報にどう対処するか、です


例えば、地震からちょうど1ヶ月の頃、どこかのジャーナリスト(?)が・・・


「テリリウム129が見つかったらしい。
 (これの半減期は短いので)これは原子炉が再臨解している証拠だщ(゚Д゚щ) 」


・・・と、騒いでおりました
これをちょっと考えてみましょう

  1. 物質名をWikipediaで検索してみる
    • 出てこなかったら、Googleで検索して正式な名前を調べる
    • Wikipediaで当該原子のページを開く(wikipedia:周期表あたりからがおすすめ)
  2. ページ内の「同位体」のページを開く
    • その同位体に解説があるか?
  3. その同位体の半減期を調べる
    • 数時間なのか、数日なのか、何年なのか
  4. 解説がなかった場合、周期表で一つ前の原子を調べてみる
    • 多くはβ崩壊なので、元々は一つ前の原子だった可能性が
  5. それはウランから生成されたものではないか?
    • 違うならば、中性子捕獲が怪しい(例:塩素Cl(38/17))


「テリリウム」というのは正式名称ではなかったので、
ググったところ、「テルルTe」が正式でした*2
wikipedia:テルル / wikipedia:テルルの同位体


確かにTe129の半減期は「69.6min」とあるので、1時間強ですから、
これが「検出可能なほどに」存在しているとすれば問題でしょう*3


ただ、今回の場合、Te129は一種類ではなく、
「高いエネルギー状態のTe129」(mとついているやつ)が存在し、
これの半減期は「33.6d」、つまり一ヶ月以上あります *4


これは少々難しいケースですが、先ほどのウラン核分裂生成物のリストにも
「129Te-m」が存在し、それなりの割合(0.09%)生成されているので、
初期の放出に含まれていたものが、今検出されたというのは十分ありえる話です


本当に「再度ウラン核分裂が始まった」ならば
そんなマイナーな同位体原子よりも、それよりはるかに生成率の高い、
I131やCs137が山ほど生成されて、それが各地で検出されるはずです


そもそも、原子によって検出の方法は異なりますし、
先ほども書いたように、他の原子が崩壊することで、
やっと検出可能になるケースもあります


外から新しい原子が入ってこない限り、放射性同位体原子は崩壊によって減っていくわけで、
増えない限りは初期の放出によるものと考えられ、
少なくとも「新たに問題が起きていないこと」はわかります


同時に、その「検出された」という情報が、
いつ採ったサンプルものであるか、というのも重要です


たいていは、事故当時のサンプルを分析していたら出てきた、
というものが多いので、情報として「今」出てきても、
それが「今の状況」を表しているとは限りません




今回はちょっと難しくなってしまったものの、
最低限、これだけのことを軽く知っておけば、
「何が起きているか」はだいたい判断できるようになります


「よくわからないから恐い」のであって、
仕組みを理解してしまえば、「正しく怖がる」ことができるはずです


他にも、専門家の方がいろいろ書いてますので、
参考にして見てください(´・ω・)っ

*1:参考までに、爆弾に必要な濃縮率は90%以上らしく、相当高い濃縮技術が要求されるとか。逆に言えば、原子炉が爆弾のように爆発することはない、ということです。もっとも、原子炉が壊れる原因はウランの「爆発」だけではないはずですが

*2:こういった情報はほとんど「正式名でない名前」で流れてくる場合が多いです。まあ、知らないからこそ、その恐怖感から情報が拡散しやすいのでしょうけども

*3:前回も書いたように、崩壊は確率で決まるので、存在する可能性は十分あります。ただ、それが何らかの手段で検出できる量なのかはまた別です

*4:この「高いエネルギー状態にある原子」を「励起状態(の原子)」と呼びますが、難しいので省略

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