核分裂クイズ！【問題 全10問・答え付き】 | 2026年03月版

核分裂生成物の中でセシウム137（半減期30.2年）とストロンチウム90（半減期28.8年）は、長期間にわたって放射能が問題となる代表的な核種です。両者とも半減期が約30年と長く、放射線防護上重要な核種とされています。セシウム137はベータ線とガンマ線を放出し、体内に取り込まれると全身に分布します。ストロンチウム90はベータ線のみを放出しますが、カルシウムと化学的性質が似ているため骨に蓄積しやすく、内部被ばくの観点で特に注意が必要です。これらは原子力事故時の環境汚染や廃棄物処理において長期管理が必要な核種として重要視されています。

実効増倍率（keff）は、ある世代の中性子数に対する次世代の中性子数の比を表し、連鎖反応の状態を示す重要なパラメータです。keff 1の場合は超臨界状態で、中性子数が世代を経るごとに増加し、反応が加速します。原子炉の運転では通常keff = 1の臨界状態を維持し、出力調整時のみ一時的に超臨界や未臨界状態にします。この概念は原子炉制御の基本原理となっています。

ウラン235が熱中性子を吸収して核分裂を起こす際、平均して約2.4個の中性子が放出されます。この値は核分裂における重要なパラメータで、連鎖反応の維持に直結します。放出された中性子のうち一部は核分裂性物質に再び吸収されて次の核分裂を引き起こし、一部は吸収されずに系外に逃げたり他の物質に吸収されたりします。連鎖反応を維持するためには、次世代で少なくとも1個の中性子が有効な核分裂を起こす必要があり、この条件を満たすための臨界質量の計算にこの値が使用されます。

ウラン235の核分裂では、生成される核分裂片の質量分布は非対称的な双峰分布を示します。最も生成確率が高いのは質量数95付近の軽い核分裂片と質量数140付近の重い核分裂片の組み合わせです。この非対称分裂は、核分裂片の核構造、特に魔法数と呼ばれる安定な陽子数・中性子数の組み合わせに起因します。対称分裂（質量数117付近の同程度の核分裂片2個）の確率は非常に低く、全体の1%程度しかありません。この質量分布は核分裂のエネルギー放出量や放射性核種の種類を決定する重要な要素です。

制御棒は中性子を効率的に吸収して核分裂の連鎖反応を制御する役割を持つため、中性子吸収断面積が大きい材料が使用されます。ホウ素、カドミウム、ハフニウムはいずれも中性子吸収断面積が非常に大きく、制御棒材料として広く使用されています。一方、ベリリウムは中性子吸収断面積が小さく、むしろ中性子を反射する性質があるため減速材や反射材として使用され、制御棒材料としては適していません。また、ベリリウムは（n,2n）反応により中性子を増倍させる効果もあるため、反応を抑制する制御棒の材料としては逆効果となります。

プルトニウム239の生産は、天然に存在するウラン238に中性子を照射することから始まります。まずウラン238が中性子を吸収してウラン239となり、このウラン239がベータ崩壊（半減期約23.5分）してネプツニウム239が生成されます。その後、ネプツニウム239がさらにベータ崩壊（半減期約2.36日）してプルトニウム239が生成されます。この一連の反応：U-238 + n → U-239 → Np-239 → Pu-239は、原子炉内でウラン燃料を使用する際に自然に起こる反応であり、使用済み燃料にプルトニウム239が蓄積される理由でもあります。このプロセスは核燃料サイクルの重要な部分を構成しています。

ウラン235の核分裂反応では約200MeVのエネルギーが放出されますが、その大部分（約167MeV、全体の約80%）は核分裂片の運動エネルギーとして放出されます。核分裂片は電気的反発力により高速で飛び散り、この運動エネルギーが周囲の物質との衝突により熱エネルギーに変換されます。残りのエネルギーは、中性子の運動エネルギー（約5MeV）、即発ガンマ線（約7MeV）、遅発放射線（ベータ線、ガンマ線など、約23MeV）として放出されます。原子力発電では、この核分裂片の運動エネルギーが最終的に熱エネルギーとなり、蒸気を発生させてタービンを回転させる原動力となっています。

熱中性子（エネルギー0.025eV）に対する核分裂断面積は、ウラン235が約585バーン、プルトニウム239が約750バーンであり、プルトニウム239の方が約1.3倍程度大きくなっています。これは選択肢の中では「プルトニウム239の方が約2倍大きい」が最も近い値です。この差は、両核種の核構造の違いに起因します。プルトニウム239は奇数の中性子数を持つため、中性子吸収時の結合エネルギーが大きく、核分裂を起こしやすくなります。この性質により、プルトニウム239はウラン235よりも効率的な核燃料として利用でき、高速炉や一部の軽水炉で重要な役割を果たしています。

核分裂で放出される中性子の約99.35%は即発中性子（核分裂と同時に放出）ですが、残り約0.65%は遅発中性子として核分裂生成物のベータ崩壊後に数秒から数分の時間遅れで放出されます。この遅発中性子の存在により、連鎖反応の時定数が即発中性子のみの場合の約10^-5秒から約0.1秒程度に延長されます。これにより人間の反応速度や機械的な制御システムでの反応度制御が可能になります。もし遅発中性子が存在しなければ、原子炉の出力変化は極めて高速となり、安全な制御が困難になります。遅発中性子は原子炉の安全性と制御性を確保する上で不可欠な要素です。

1942年12月2日、エンリコ・フェルミ率いるチームがシカゴ大学で世界初の制御された核分裂連鎖反応を実現しました。この実験装置は「シカゴ・パイル1号（Chicago Pile-1、CP-1）」と呼ばれ、天然ウランと黒鉛を積み重ねた構造でした。この成功により人類は原子力エネルギーの制御技術を獲得し、後の原子力発電や核兵器開発の基礎となりました。フェルミはこの功績により「原子力の父」と呼ばれています。