“原子核が割れると質量がエネルギーに変わる”――そんな教科書の一文を、たとえで腹落ちさせます。高校物理の範囲で核分裂のしくみ・スケール感・安全対策まで一気に理解しましょう。
監修
大手電力会社・原子力部門で10年以上規制対応を担当。
施工管理からプラント設計まで一貫して携わる 現役原子力エンジニアが監修しています。
1. 核分裂とは？
一言で：重い原子核が 2つの軽い原子核＋数個の中性子＋大量のエネルギー に変わる反応。
- 代表選手：ウラン235 (U-235)、プルトニウム239 (Pu-239)
- 自然界ではまれだが、原子炉では中性子を当てて意図的に誘発できる。
2. 原子核のしくみと質量欠損
2-1. 原子核の中身
| 構成粒子 | 記号 | 役割 |
|---|---|---|
| 陽子 | p | 正電荷を持つ |
| 中性子 | n | 電荷ゼロ、核力の糊 |
2-2. 質量欠損 Δm
- 核になると**(陽子＋中性子)** 単体の質量よりわずかに軽くなる。
- この質量差 Δm は、原子核を結びつける結合エネルギー として現れます。
鉄-56付近が“結合エネルギーの山頂”
- 軽い元素は**くっつく（核融合）**と山頂へ → エネルギー放出
- 重い元素は**割れる（核分裂）**と山頂へ → エネルギー放出
3. E＝mc² を数字で体感
| 比較単位 | 発生エネルギー*1 | 差（核分裂 / 化学反応） |
|---|---|---|
| U-235 1原子の分裂 | ≈ 200 MeV ≈ 3 × 10⁻¹¹ J | ― |
| 石炭分子 1個の燃焼 | ≈ 4 eV ≈ 6 × 10⁻¹⁹ J | 約5,000万分の1 |
| U-235 1 g の分裂 | ≈ 8 × 10¹³ J | ― |
| 石炭 1 g の燃焼 | ≈ 3 × 10⁴ J | 約300万分の1 |
*1 1 eV = 1.6 × 10⁻¹⁹ J
ここがポイント
- “1個”でも“1 g”でも桁違い──核分裂は化学反応の数百万〜数千万倍。
- 少量燃料で大電力を取り出せる反面、制御を失うと巨大な熱が瞬時に発生する。
4. ウラン235の連鎖反応 ― ドミノ倒しが加速！
- 中性子1個がU-235を割る。
- 中性子が2〜3個に増産され、エネルギーが放出。
- 増えた中性子が次のU-235を割り、指数関数的に拡大。
| ステップ | 何が起こる？ | 反応の増え方 |
|---|---|---|
| ① トリガー | 中性子1個がU-235に衝突 | スタート |
| ② 分裂 | U-235 → 分裂片2個＋中性子2〜3個＋エネルギー | 最大3倍 |
| ③ 拡大 | 飛び出した中性子が次のU-235を割る | ドミノ倒し |
- 臨界：1回→1回（出力一定）
- 超臨界：1回→1回超（暴走）
- 亜臨界：1回→1回未満（停止）
原子炉は制御棒（ホウ素・カドミウム）で中性子を吸い、ほぼ臨界に保つ。
5. 核分裂発見ヒストリー
- 1938年：ハーンとシュトラスマンがウラン→バリウムを検出。
- 1939年：メイトナーとフリッシュが**“核分裂 (fission)”**と命名、理論的解釈を発表。
- 1942年：シカゴ大学で世界初の持続連鎖反応成功（フェルミ）。
6. エネルギー利用：発電・医療・宇宙探査
| 分野 | 具体例 | メリット |
|---|---|---|
| 発電 | 軽水炉・高速炉 | CO₂フリー、安定供給 |
| 医療 | Tc-99m生成 | 画像診断に不可欠 |
| 宇宙 | 放射性同位体電池 (RTG) | 太陽光の届かない深宇宙探査 |
7. 課題と安全対策
| 課題 → リスク → 対策 | ★ポイント（実例） |
|---|---|
| 反応暴走 → 出力オーバー → 制御棒・反応度係数 | 福島事故後、制御棒挿入速度を短縮 |
| 燃料溶融 → コア損傷 → 非常用注水系・受動冷却 | AP1000炉では自然循環で72時間冷却 |
| 廃棄物処理 → 10万年単位の管理 → ガラス固化体＋地層処分 | オンカロ処分場（フィンランド）が先行 |
8. 高校生が覚えておくべき5キーワード
- 質量欠損
- 結合エネルギー
- E＝mc²
- 臨界・超臨界・亜臨界
- 制御棒
9. まとめ
- 核分裂は**“重い原子核が割れて質量がエネルギーに変わる”**現象。
- U-235 1分裂で約200 MeVと中性子を放出し、連鎖反応で指数増幅。
- 人類は発電・医療・宇宙探査に活用する一方、暴走防止・冷却・廃棄物という課題と向き合う。
- 質量欠損・結合エネルギー・E＝mc²を押さえれば、核分裂のエネルギー源がクリアに見える！
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