核反応とは：定義・種類（核融合・核分裂・放射性崩壊）と利用例

核反応の定義から核融合・核分裂・放射性崩壊の違いと発電・医療・宇宙での利用例まで図解でわかりやすく解説。

核反応とは、原子核または複数の原子核が関与する過程のことである。一般に核反応では、原子核の構成（陽子数・中性子数）が変化し、エネルギーが放出または吸収される。核反応は、保存則（質量数・電荷、エネルギー・運動量・角運動量、レプトン数など）に従って進行し、反応のエネルギー差はしばしば「Q値」として表される。最も一般的な種類は以下の通りである。

種類（主な核反応）

1. 核融合、2つ以上の粒子が衝突する反応。その結果、最初の粒子とは異なる新しい粒子が生成される。

   核融合は、軽い原子核同士が結合してより重い核を作る過程で、一般に大量のエネルギーを放出する（太陽での主なエネルギー源）。融合を起こすには、陽子間の反発（クーロン障壁）を克服するために非常に高い温度・圧力が必要で、人工的にはトカマクや慣性閉じ込め装置などの方式で実験的に実現を目指している。代表的な反応例は重水素（D）と三重水素（T）との融合で、D + T → 4He（アルファ） + n（中性子）という反応がよく知られている。図^6の例では、Liは重水素と融合します。これによりベリリウムが生成され、これが2つのアルファ粒子に崩壊します。実用化が進めばクリーンな大量エネルギー源となる可能性があるが、技術的課題（高温プラズマの閉じ込め、材料の中性子照射など）が残る。

2. 核分裂、原子核が粉々に砕け散る。

   核分裂は、重い原子核が中性子などの刺激によって二つ以上の断片核（核分裂生成物）と中性子、ガンマ線を放出して分裂する反応で、通常は大量のエネルギーを放出する（1回の分裂で数百MeV程度）。ウラン235やプルトニウム239などが代表的な燃料で、放出される中性子がさらに別の核分裂を誘起することで連鎖反応が進行する。原子炉は、核反応を利用して熱や電気を作る。連鎖反応の制御は減速材や制御棒により行い、制御不能になれば爆発的にエネルギーを放出する（兵器）。分裂生成物は高い放射能を持ち、廃棄物管理や冷却（崩壊熱の処理）などが重要な課題となる。

3. 放射性崩壊とは、原子核が何かを吐き出し、別の種類の原子核に変化すること。

   放射性崩壊（自然崩壊）は核反応の一種で、アルファ崩壊（α粒子放出）、ベータ崩壊（β−、β＋、電子捕獲）、ガンマ崩壊（励起核の遷移）などがある。崩壊は確率的で、一定の崩壊定数λに従って減衰する。核種の量N(t)は時間に対して指数関数的に減少し、半減期（t1/2 = ln2/λ）という概念で特徴付けられる。放射性核種は医療（診断用トレーサーや放射線治療）、年代測定（例：14C年代測定）、工業用のトレーサー、食品滅菌など幅広い用途がある。

利用例と発生場所

利用例としては、核分裂や核融合で得られるエネルギーを利用して蒸気を作るために（原子力発電所のように）発電する方法、爆弾のエネルギーとして利用する方法、放射性同位体を医療や産業に利用する方法などがある。加速器は核反応を起こして放射性物質を作ることがある。工学的には中性子照射による材料試験や同位体生産、放射線照射処理など多様な応用がある。

発生場所は、自然界では主に太陽や他の恒星内部（核融合）、宇宙空間（高エネルギー粒子の衝突）、そして地球大気中（宇宙線が作る二次粒子による核反応で微量の放射性同位体が生成される）などである。人工的には原子炉、粒子加速器、研究炉、発電所、各種実験装置などで核反応を起こす。宇宙からの粒子が地球の大気中で核反応を起こし、空気をわずかに放射性物質にします。

特徴と注意点

核反応は化学反応と異なり、反応に触媒を「必要としない」こと、反応で扱うエネルギーが通常の化学反応より桁違いに大きいことが特徴である。また、放射性物質の崩壊に関してはその確率的性質のため、一般的に外部から一時的に止めたり大きく速めたりすることはできない（電子捕獲のように電子状態によりわずかな変化が起こる例はあるが、劇的に制御できるものではない）。

放射線や放射性物質を扱う際は、適切な遮へい・距離・時間の管理、適切な廃棄処理、放射能測定によるモニタリングが必要である。放射線の種類によって遮蔽材が異なる（例：α線は紙で止まる、β線はプラスチックや薄い金属で遮へい、γ線や中性子は鉛やコンクリート・水などが有効）。さらに、核反応で生成される副生成物の放射能と半減期は管理上の重要な要素である。

基礎的な理論

核反応を記述するには、反応断面積（反応確率を表す量）、入射エネルギー、反応断面のエネルギー依存性、反応率（フラックスと断面積の積）などの概念が重要である。また、核反応には強い相互作用（核力）、電磁相互作用、弱い相互作用が関与する場合があり、反応の種類によって支配的な力が異なる。実験的にはスペクトル測定や崩壊定数の測定、放射線検出器による同位体同定などが行われる。

以上のように、核反応は自然界と人工環境の両方で重要な役割を果たし、エネルギー供給、医療、産業、基礎研究など多方面で利用されているが、安全性と廃棄物管理が常に重要な課題となる。

核反応は化学反応とは異なり、触媒を必要としません。また、放射性物質の崩壊を止めたり、加速したり、減速したりすることも基本的にはできません。

質問と回答

Q: 核反応とは何ですか?

Q: 核融合はどのように行われるのですか?

Q: 核分裂の結果はどうなるのですか?

Q: 放射性崩壊は他の種類の反応とどう違うのですか?

Q: 原子核反応はどこで起こるのですか?

Q: 核反応によって放出されるエネルギーにはどのような用途があるのでしょうか?

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