核分裂とは｜定義・発見（1938）・仕組み・連鎖反応と原子炉・核兵器への応用

核分裂の定義から1938年の発見、仕組み・連鎖反応、原子炉や核兵器への応用まで、図解と歴史でわかりやすく解説

核分裂は核反応の一種です。原子が分裂して小さな原子になることです。核分裂反応の中には、大きなエネルギーを発するものもあり、核兵器や原子炉などに利用されています。核分裂は、1938年12月にドイツの核化学者オットー・ハーンと助手のフリッツ・ストラスマンによってベルリンで発見されました。

原子は化学元素（水素、酸素、マグネシウムなど）を構成する最小の粒子です。すべての原子は非常に小さい。原子は3つの成分または粒子でできています。陽子、中性子、電子です。陽子と中性子は、原子の中心にある「核」と呼ばれるボールの中に集まっています。電子は「電子雲」の中で原子核の周りを周回しています。ウランやプルトニウムのように大きな原子核を持つ元素は、核分裂させることができます。

非常に大きな（比較的）原子核が、ゆっくりと動く中性子に当たると、不安定になって二つの原子核に分裂することがあります。原子核が分裂（または核分裂）すると、エネルギーが放出され、主にガンマ線と熱として放出されます。また、一部の中性子が原子核から放出されることもあります。

いくつかの同位体（陽子の量が同じで中性子の量が異なる原子）では、核分裂によって多くの中性子を放出することができます。その中性子が他の原子に当たると、他の原子が分裂してしまいます。このようなことが何度も起こります。これは核の連鎖反応と呼ばれ、非常に大きなエネルギーを素早く放出することができます。核の連鎖反応で放出されるエネルギーの量は、キロトンで表されます。1キロトンは、1000トンのTNT（トリニトロトルエン）のエネルギーと同じです。

核爆弾では、非常に大きな爆発を起こすためには、非常に早く起きなければなりません。原子炉では、これは熱を作るためにゆっくりと起きなければなりません。その熱で水を沸騰させて蒸気にし、蒸気タービンを回して発電します。

核分裂の定義と基本的な性質

核分裂は、重い原子核が二つ以上の軽い核に分かれる核反応です。分裂の際に放出されるエネルギーは、分裂生成物の運動エネルギー（熱）や放射線（ガンマ線や中性子など）として現れます。1回の核分裂で放出されるエネルギーは典型的に約200 MeV（メガ電子ボルト）で、これは化学反応で得られるエネルギーをはるかに上回ります。

1938年の発見とその後の解釈

あなたが上で示したように、核分裂の最初の実験的発見は1938年にドイツのオットー・ハーンとフリッツ・ストラスマンによってなされました。彼らはウランに中性子を当てた実験で軽い元素（バリウムなど）が生成されることを観測し、重い核が「割れた」ことを示しました。その結果の理論的説明は、オットー・ハーンの同僚たちや亡命中の物理学者リゼ・マイトナーとオットー・フリッシュによって行われ、英語では“fission（フィション／分裂）”と命名されました。これが核分裂の概念確立につながり、後の連鎖反応や応用研究へと発展しました。

核分裂の仕組み（もう少し詳しく）

• 中性子吸収：重い原子核（例：ウラン-235やプルトニウム-239）が中性子を捕獲すると、励起状態の複合核になります。
• 形状変形と分裂：複合核はエネルギーを受けて変形を始め、最終的に二つ（またはそれ以上）の断片に分かれます（「スキッティング」）。
• 放出されるもの：分裂片（核分裂生成物）は互いに反発して高い運動エネルギーを持ちます。また、通常2〜3個の中性子（平均約2.4個、同位体による）とガンマ線やベータ線を放出します。これらの中性子が周囲の核に当たると、新たな分裂を引き起こす可能性があります。
• エネルギーの帰結：分裂片の運動エネルギーは周囲物質に吸収されて熱になります。原子炉ではこの熱を利用して蒸気を作り発電します。

連鎖反応、臨界、制御

核の連鎖反応は、分裂で放出された中性子が別の原子核に当たってさらに分裂を引き起こす過程です。連鎖の度合いは乗数因子kで表されます。

• k = 1（臨界）：1つの分裂につき平均1個の新たな分裂を起こす→反応は安定して続く（原子炉の理想状態）。
• k < 1（亜臨界）：反応は自然に収束する。
• k > 1（超臨界）：反応が増速する。非常に短時間で急激に増えると爆発的になる（核兵器）。

制御のためには主に次を利用します：減速材（モデレーター）（軽水、重水、黒鉛など）で中性子を熱中性子にして核分裂の確率を高める方法、制御棒（ボロンやカドミウム、銀-インジウム-カドミウム合金など）で中性子を吸収して反応率を調整する方法です。重要なのは「遅延中性子」と呼ばれる、分裂生成物の崩壊で後から放出される中性子が原子炉の制御を可能にしている点です。原子炉は主に遅延中性子に依存して安全に制御できますが、核兵器は遅延中性子が間に合わないように超高速で臨界を突入させます。

原子炉での応用

原子炉（商用原子力発電所など）では、核分裂をゆっくりと持続させて安定した熱を取り出します。典型的な軽水炉（LWR）では燃料は約3〜5％に濃縮されたウラン-235を含むペレットで、これを燃料集合体として炉心に配置します。炉心で発生した熱は冷却材（軽水など）で運ばれ、蒸気タービンを回して電力を生み出します。

原子炉の重要な側面：

• 冷却系と炉心の健全性、複数の安全系（非常用炉心冷却系、停止用系統など）
• 遮蔽と格納容器による放射線防護
• 使用済燃料の管理（放射性廃棄物としての処理・貯蔵）
• 核拡散防止の観点からの燃料・技術管理（国際原子力機関（IAEA）等の査察）

核兵器での応用

核兵器は連鎖反応を極めて速く増大させ、短時間で大量のエネルギーを放出する装置です。代表的な方式は次の通りです：

• ガンタイプ：二つの亜臨界部分を銃のように結合して臨界質量を作る方式（例：広島で使われた「リトルボーイ」）。
• インプロージョン型：爆薬を使って高密度に圧縮して一気に超臨界にする方式（例：長崎で使われた「ファットマン」、プルトニウム兵器に多い）。

核兵器は設計、材料（高濃縮ウランやプルトニウム）、製造技術の観点から強い拡散リスクを伴います。核爆発は即時の熱・衝撃波・放射線被曝をもたらし、加えて長期的な放射性降下物（フォールアウト）による環境・健康被害を引き起こします。

核分裂生成物と放射性廃棄物

核分裂で生じる核分裂生成物には放射性核種が多く含まれ、代表例はヨウ素-131、セシウム-137、ストロンチウム-90などです。これらは半減期や放射線の種類が異なり、短期から長期まで健康や環境に影響を与えます。原子力利用では使用済燃料の取り扱い、濃縮廃棄物や燃料棒の中間貯蔵・最終処分（地層処分など）が重要な課題です。

安全性と国際的枠組み

原子力の平和利用は安全基準の順守、厳格な査察、透明な情報公開が不可欠です。事故例（スリーマイル、チェルノブイリ、福島第一など）は設計や運用、自然災害・人的要因が相互作用して深刻な結果を生むことを示しました。国際原子力機関（IAEA）を中心とした国際協力、各国の規制当局による厳格な規制が続けられています。

まとめ

核分裂は重い原子核が二つ以上に分かれる核反応で、膨大なエネルギーと放射性物質を生み出します。発見は1938年に始まり、以後、発電という平和利用と兵器という軍事利用という二面性を持つ技術として発展しました。原子炉では安全に制御された連鎖反応から得られる熱を電力に変換しますが、放射性廃棄物の管理や拡散防止、事故リスクの低減など多くの課題があります。

質問と回答

Q:核分裂とは何ですか?

Q: 核分裂を発見したのは誰ですか?

Q:原子は何からできているのですか?

Q: 核分裂を起こさせることができる元素は?

Q:核分裂の連鎖反応はどのように起こるのですか?

Q:核分裂で発生した熱はどのように利用されるのですか?

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