中性子増倍率とは? わかりやすく解説

中性子増倍率

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2022/01/01 04:24 UTC 版)

反応度」の記事における「中性子増倍率」の解説

原子炉内の核分裂によって発生した高速中性子は、減速材によって減速され熱中性子になり、他のウラン235原子核吸収され核分裂反応起こさせる核分裂反応発生した高速中性子 n 1 {\displaystyle n_{1}} 個が熱中性子になり、次の核分裂反応を起こさせて n 2 {\displaystyle n_{2}} 個の高速中性子発生させるとする。この時、 k = n 2 / n 1 {\displaystyle k=n_{2}/n_{1}} を中性子増倍率と呼ぶ。 k {\displaystyle k} が 1 未満の時、発生する中性子時間の経過と共に減ってゆき、やがて連鎖反応停止する。 k {\displaystyle k} が 1 より大きい時、中性子急激に増えてゆき、連鎖反応増大してゆく。 k = 1 {\displaystyle k=1} の時、中性子増減はなく、連鎖反応持続する。この状態を臨界と呼ぶ。 実際原子炉では発生した全ての高速中性子核分裂反応使用することができない発生した高速中性子一部は、減速材制御棒原子炉構造物吸収されたり、周囲ウラン238吸収されたり、原子炉の外へ飛び出したりする。したがって中性子増倍率は、 k {\displaystyle k} にある係数をかけた実効中性子増倍率 k e f f {\displaystyle k_{\rm {eff}}} として考えねばならない

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中性子増倍率

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2021/07/06 16:52 UTC 版)

連鎖反応 (核分裂)」の記事における「中性子増倍率」の解説

実効中性子増倍率 (effective neutron multiplication factor) k は新たな核分裂引き起こす中性子の数の平均値である。核分裂放出され中性子中には次の核分裂起こすことができなかったり、原子核衝突せずに系から出て行くものもある。核分裂起きている2つ物質合わせた場合全体の k の値は、常に個々物質の k よりも大きくなる場合によっては、個々物質の k の和が合体後の物質の k に等しくなることもある。これらの違い程度は、核分裂性物質同士配置だけでなく、両者速度や距離にも依存する核分裂性物質でできた「弾丸」で、弾丸と同じ形の窪みを持つ核分裂性物質標的を撃つような場合や、核分裂性物質開けた小さな穴の中を核分裂性物質からなる小さな球が通過するような場合には、特に k の値は大きくなる核分裂連鎖反応は k の値によって次の場合分けられる。 k < 1(臨界量未満): 1回の核分裂から始まったとすると、その後の核分裂回数の合計は平均で 1/(1 − k) となる。連鎖反応は始まったとしても急速に停止する。 k = 1(臨界量): 1個の自由中性子から始まったとすると、これから生じる中性子の数の期待値はどの時刻でも 1 である。時間とともに、開始した連鎖反応が停止する確率は減っていき、これを補償するように、複数個の中性子が存在する確率が増加する。 k > 1(臨界量超過): 1個の自由中性子から始まったとすると、中性子次の核分裂起こさない確率もしくはいったん開始した連鎖反応停止する確率無視できない値で存在する。しかし、いったん自由中性子の数が数個以上になると、非常に大きな確率でこの数は指数関数的に増える。系の中に存在する中性子の数(すなわち核分裂自発的に起こる確率)と反応始まって以来核分裂回数総計は、ともに e ( k − 1 ) t / g {\displaystyle e^{(k-1)t/g}} に比例する。ここで g は中性子平均世代時間で t が経過時間である。この状態はもちろん永遠に続くわけではない。未反応核分裂性物質の量が減るにつれて k は減少するし、物質配置密度変化しうる。未反応核物質四散すればその配置大きく変わるが、ただ融解した吹き飛ばされるだけで終わる場合もある。 k が 1 に近い場合には上記計算中性子倍加時間 (doubleing time) をいくらか過大に見積もっている。ウラン原子核中性子吸収すると、この原子核は非常に寿命の短い励起状態になり、その後いくつかの経路に従って崩壊する典型的な場合には2個の破片、すなわち核分裂生成物分裂する典型的な核分裂片ヨウ素セシウム同位元素である。これとともにいくつかの中性子放出される核分裂生成物はそれ自体が不安定さまざまな範囲寿命を持つ。典型的にはこの寿命は数秒で、さらに中性子放出して崩壊する通常核分裂放出される中性子即発中性子 (prompt neutron) と遅発中性子 (delayed neutron) の2種類分けられる典型的には、遅発中性子比率 (delayed neutron fraction) は中性子全体1%未満である。原子炉内部では、中性子増倍率 k は典型的に 1 前後安定した反応過程となっている。反応作られる中性子全てについて k = 1 に達した時、その反応臨界状態(または遅発臨界)にあると言う原子炉ではこのような状態になっている。この状態では出力変化ゆっくりとしていて、制御棒などを用いて制御することが可能である。即発中性子のみについて k = 1 になっている時、この反応即発臨界の状態にあると言う。この場合には中性子倍加時間は k - 1 の値に応じて通常の臨界よりもずっと短い値をとる。通常の臨界から即発臨界達するまでに必要な反応度相対的反応度単位ドルdollar)と呼ぶ 。すなわち反応度1ドルであるときこれを即発臨界と定義でき、1ドル以上となれば原子炉制御は困難となる。 核分裂性物質中性子反射体囲まれていると k の値は増加する。また核分裂性物質密度増加するとやはり k の値は増加する。これは、中性子単位長さ移動するまでに原子核衝突する確率密度比例するに対して中性子が系から脱出するまでに移動する距離は密度立方根でしか減少しないためである。核兵器爆縮過程では、核分裂性物質通常爆薬圧縮して密度上げることによって爆発起こす

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