臨界量

臨界量とは

臨界量（りんかいりょう）、または臨界質量（りんかいしつりょう）とは、核分裂性物質において、原子核分裂による連鎖反応が持続するために必要とされる最小限の質量を指す物理量です。

連鎖反応の持続

核分裂が起きると、原子核から複数の高速な中性子が放出されます。これらの放出された中性子が、別の核分裂性物質の原子核に衝突し、さらに新たな核分裂を誘発することがあります。このように、一つの核分裂が次々と新たな核分裂を引き起こす反応の連なりを「連鎖反応」と呼びます。適切な条件が整えられ、核分裂の発生数が一定に保たれ、連鎖反応が安定して持続する状態を「臨界状態」と称します。臨界状態に達した核分裂性物質は、外部からの人為的な操作や、自壊による物質の減少などがない限り、理論上は連鎖反応を維持し続けます。

臨界量を左右する要因

核分裂性物質を一定量以上集めると、内部で発生する中性子が外部へ逃げ出す量より、核分裂を誘発する量が多くなり、連鎖反応が持続するようになります。この連鎖反応が持続するために必要な物質の最小量を臨界量といいますが、この値は単一の固定値ではなく、様々な要因によって大きく変動します。

主な変動要因は以下の通りです。

核分裂物質の種類: ウラン235やプルトニウム239など、物質の種類によって核分裂の性質や中性子放出数が異なるため、臨界量も異なります。
形状: 物質の形状が、内部で発生した中性子の外部への漏れやすさに影響します。中性子が外部に逃げにくい球状が最も臨界量が少なくなり、細長い形状や薄い板状では中性子が逃げやすいため臨界量が大きくなります。
密度: 物質の密度が高いほど原子核が密集しているため、中性子が原子核に衝突しやすくなり、臨界量は減少します。
周囲の状況（反射体）: 物質の周囲に中性子を反射する性質を持つ物質（例えば、水やコンクリート、金属など）が存在する場合、外部に逃げ出しそうになった中性子を内部に戻す働きをするため、実質的な臨界量は減少します。
中性子のエネルギー: 中性子のエネルギー（速度）も影響します。特にウラン235などでは、エネルギーの低い「熱中性子」の方が核分裂を誘発しやすいため、中性子を減速させる物質（減速材）が存在すると、臨界量は減少する傾向があります。
圧力: 圧力が高いほど物質中の原子密度が高くなるため、臨界量は減少します。

なお、プルトニウム240のように自発的に核分裂を起こす性質を持つ同位体を含む物質の場合、常に一定数の中性子が発生しているため、臨界量は極めて小さくなるか、あるいは明確に定義できない場合があります。

臨界量の決定と危険性

初期の臨界量は、実験的手法によって決定されました。これは、核分裂物質の塊に別の小塊を近づけたり離したりしながら、発生する中性子の量を測定するといった方法です。しかし、この種の実験は臨界状態に非常に近づくため極めて危険を伴い、「竜の尾を踏む実験」とも呼ばれました。実際に、アメリカのロスアラモス研究所では、臨界量決定実験中に誤って物質を落下させるなどの事故が発生し、研究者が被曝死する痛ましい事例（「デーモン・コア」と呼ばれたプルトニウム塊による事故）も記録されています。

原子爆弾における臨界量

原子爆弾は、核分裂連鎖反応を意図的に制御不能な状態（超臨界状態）にすることで、莫大なエネルギーを一気に解放する兵器です。実用化された原子爆弾では、通常は臨界量以下の複数の核分裂物質を用意し、爆薬などを用いてこれらを瞬時に集合させて臨界量を超過させることで起爆します。

ガンバレル型: 核分裂物質の一部を、火薬の爆発力で別の核分裂物質の塊に高速で衝突させ、全体として臨界量を超過させる方式（例：広島型原子爆弾）。
インプロージョン型: 球状に配置した核分裂物質の周囲から爆薬を同時に起爆させ、発生する強力な衝撃波（爆縮波）で中心の物質を圧縮・高密度化することで臨界量を超過させる方式（例：長崎型原子爆弾）。

原子力施設等における臨界安全管理

原子力関連施設において、核分裂性物質を安全に取り扱うためには、意図せず臨界状態に達することを防ぐための厳格な管理（臨界安全管理）が不可欠です。これは、少量の物質でも、誤った取り扱いによって臨界に達する可能性があるためです。

主な管理手法として、以下のものが挙げられます。

質量管理: 取り扱う核分裂物質の総量を、常に臨界量以下に制限する。
形状管理: 物質の形状を、中性子が外部に逃げやすいような形状（例えば、細長い容器や薄い板状）に制限する。体積に対して表面積が大きいほど中性子が逃げやすくなります。
濃度管理: 溶液状の核分裂物質の場合、濃度を制限することで臨界量を増大させる。
核的制限値: これらの管理基準を具体的な数値として定め、設計および運転時にこれを逸脱しないように厳密に管理する。
ユニット管理: 核分裂性物質を取り扱う機器（ユニット）間を十分な距離で隔てるか、間に中性子遮蔽材を設置することで、あるユニットで発生した中性子が別のユニットに影響し、全体として臨界に達するのを防ぐ。
中性子吸収材: 核分裂性の溶液中に、中性子を吸収する物質（例えばホウ素を含むガラス片）を配置することで、連鎖反応を抑制する。

臨界管理の事例（JCO事故）

臨界管理の重要性を示す痛ましい事例として、1999年に日本で発生したJCO臨界事故があります。この事故は、正規のマニュアルに反し、形状管理されていない大容量の容器で高濃度のウラン溶液を処理したこと、さらにその容器が中性子反射体となる冷却水に囲まれていたことなどが重なり、本来到達しないはずの量で臨界状態に達したことによって引き起こされました。これは、ずさんな管理によって臨界安全の原則が破られた結果であり、多数の被曝者を出す重大事故となりました。

核分裂性物質の安全な運搬

核分裂性物質を輸送する際には、交通事故や自然災害などによって輸送容器が破損しても、物質が臨界に達しないような設計と評価が求められます。輸送容器は、落下試験、荷重試験、貫通試験、耐火試験、浸漬試験など、厳しい条件下での安全性を確認する試験に合格することが義務付けられています。これにより、万一の事故の際にも、核分裂性物質が臨界状態に陥り、重大な事態に至ることを防いでいます。

（注：最後の段落が途中で切れています。意図的に短縮されたか、元の入力に不足がある可能性があります。辞書記事としては最後の部分を加筆・修正するのが望ましいですが、指示に従い入力情報を基に再構成しました。）

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