金属ウラン体系 ウランの固まり中では、何もしなくてもウランの自発核分裂で発生した中性子が分布している。そのエネルギー分布は、図中の黒い曲線のようになる。
核分裂で発生した中性子のエネルギー分布は、おおよそ下式で表すことができ、100[ｋeV]以上の高速領域が99％程度を占める。
中性子がウランと衝突すると、弾性散乱、非弾性散乱、放射捕獲、核分裂の４つのプロセスを経る。ウランは中性子の240倍程度の質量があるので、弾性散乱してもただはじき返されるのみで、中性子のエネルギーは殆ど変化せず運動方向が変わるのみである。 水（水素）が有ると、弾性散乱でも中性子のエネルギーは大きく変化し、共鳴領域をすり抜けて熱領域に至る。通常の軽水炉の臨界問題が極めて難しくなるのは、水素と弾性散乱した中性子が、複雑な共鳴領域をどのようにしてすり抜けるか、そのモデル化が極めて難しくなるからである。そなると、ウランとの弾性散乱による極僅かなエネルギー変化も、共鳴領域ではかなり粗い近似でも無視できない効果となり、ますます難しくなってくる。金属ウランの固まりの臨界計算を軽乗用車の運転とすると、水を含む体系の臨界計算はF1の運転ほどの差があろう。しかし、基本的な仕組みは全く変わらない。世間で流布されている妄想の殆どは、軽乗用車の仕組みも知らない人たちがF1の課題を言い立てているようだ。それで商売になるようだから羨ましいかぎりである。 有限体系で漏れがある場合には、弾性散乱が重要となるが、金属ウランの固まり（洩れのない無限体系）の粗い近似の臨界計算では、弾性散乱は無視しても構わない。粗い近似と認識するのであれば、むしろ無視した方がよい。 金属ウランの固まりで、中性子のエネルギー変える要素は、非弾性散乱である。非弾性散乱では、ウランが中性子を吸収し８[MeV]ほど励起された複合核を形成し、複合核から中性子が蒸発するようなイメージで中性子を放出する。その際、中性子のエネルギーはかなり減少する。非弾性散乱後の中性子のエネルギー分布は図中の赤い曲線のようになり、この分布はおおよそ下式で表すことができる。
図を見ると、核分裂で生じた中性子は平均して2[MeV]のエネルギーであるが、非弾性散乱をおこすと0.6[MeV]まで低下する。金属ウランの臨界問題では、非弾性散乱が重要となる。もしも非弾性散乱がなかったならば、この世にウランは存在しなかったかもしれない。 放射捕獲反応、（n,γ）反応とも言う、では、中性子を吸収した後、複合核がガンマ線を放出して、中性子は1個消滅する。核分裂反応では核分裂を起こした後、ν個（約2.5個）の中性子を放出し、放出された中性子は、図中の黒い曲線で表されたエネルギー分布となる。 金属ウランの固まりであろうと、酸化物ウランの固まりであろうと、通常の原子炉のように円筒状のウラン燃料が均等に配置されていようと、中性子の分布は中性子輸送ボルツマン方程式
を解けば求めることができることはわかっている。記号の意味は、ここを見て欲しい。非常に複雑な体系になると、ボルツマン方程式を記述し、それを解くことが非常に難しくなる。 これでは高校生どころか、博士課程修了者でも理解できないであろうから、ボルツマン方程式を簡略化していく。 |
