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福島の原発の核分裂や化学種についての自分のまとめ (2011年4月下旬)


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20120311-fukushima-nuke-no3-no4.jpg


 昨年の2011年4月下旬、福島原発や放射線の話が出ていたときに、自分の当時の放射線関係で仕入れた情報をまとめようと頑張っていたけど、途中で挫折した記事。普通はこんな記事を 震災から1年たって、こういう当時考えていたことを載せておくのも悪くないと思って途中書きだけど何となく公開します。 何か問題あったら消します。



 福島の原発事故を見てるとヨウ素、セシウム、ストロンチウムなどといった元素名が出てくるのだが、今回の件でかなり調べて、色々勉強になったものは多いが、余りにも複雑すぎて正直混乱してきたので、自分のまとめとして書いてみる。 まあ大したことは書かないけど、所詮専門じゃない素人だしあくまで自分のまとめだから間違っていても知らないよと最初に書いておこう。
 あと自分の知ってるレベルがベースなので同位体がどうとかそういう中学、高校レベルの話は割愛。



核分裂反応

 まず、ウラン235(235U)に中性子が当たって核分裂を起こすと、2つの核種と平均2-3個の中性子(0-5個らしい)が出てくる。 とりあえず中性子は置いておいて、2つの核種はだいたい原子量90と140くらいのものに分かれるってことか。これが確率的に起こるので余り聞いたことがないような元素、原子量のものがたくさん出てくるわけで。

核分裂反応
図1:Wikipedia 核分裂反応より
Fission product yields by mass for thermal neutron fission of U-235, Pu-239,
図2:Wikipedia :Nuclear Fission より

 自分のなかでは、ウランの核分裂反応はビリヤードをイメージしてしまうのだが、ビリヤードだと玉を陽子や中性子に似せるのはいいが、白玉を当てると玉の固まりがバラバラになってしまうので、ウランの核分裂反応とは異なり余り良いモデルではないな。 あと何で3つや4つに分裂しないのかとも思うが、物理屋じゃないし上の右の図のように実験でも2つに分かれているのでそこは深く考えないでおこう。

 じゃあ分裂した元素は何があるかというと当然様々なものが出てくるのだが、この手の情報が少ないのだが、Wikipediaの英語の方には主な核分裂生成物として少しまとめてあった。 
 Fission products (by element) http:// http://en.wikipedia.org/wiki/Fission_products_(by_element)
 あと、IAEAに収率までのっている少し内容が違うのもある。つーかFissoin Productでググれば、わかりづらいが色々出てくる。
 http://www-nds.iaea.org/wimsd/fpyield.htm#T2

次にどういった元素が出てくるか見てみる。




 Wikipediaに載ってるのじゃない元素もIAEAの方に載っているが、とりあえずWikipediaのだけでもクリプトン(83Kr)からテルビウム(161Tb)までの数十元素と同位体があってクラクラする。しかもこれらがβ崩壊でコロコロと原子番号が変わってくことを考えると発狂しそうだ。

 こういうときは周期表使って図でざっくり考えようということで、クリプトンからテルビウムまでを枠で囲んでみた。


ウラン235の核分裂生成物を抜き出した周期表
図3 核分裂生成物だけ抜き出した周期表


 こうやってみると金属元素が多いなと。原子炉内からベントで空気中に放射性物質が拡散しやすいのは気体か、水蒸気や水沫に混じった水溶性の化合物と思われるので、この図の分類でいうところの遷移金属元素や金属元素を含む化合物はたいてい水に不溶なものが多いし、常温で気体なんてなりようがない。 こういったのは原子炉に穴が開いて水がだだ漏れでもしない限り外にはでてこないと勝手に推測。 
 ということで遷移金属や金属元素を省いてみると、希ガスのクリプトン(Kr)、キセノン(Xe)。アルカリ金属のルビシウム(Rb)、セシウム(Cs)。アルカリ土類金属(希土類、レアアース)のストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)。 半金属のアンチモン(Sb)、テルル(Tl)、ハロゲンのヨウ素(I)、と最近のニュースで見慣れた元素が多くなってくる。

20110424-periodictable3
図4 金属を抜いたもの


 本当かどうか不安だったが、ふと思い出すと以前出回ったKEKの野尻美保子らが訳したBen Monre教授のスライドを見返してみたら、まあ大体あってるかな。Sbが不活性金属に分類されてるのが違うか。あとテクネチウムは水溶性があるんだな。元々は人工元素だし一般的に扱える金属じゃないからそんなの知らんかった。

ucsb-table1-1図5   ucsb-table2-1図6



 話は少し変わるがこの資料の下の図のものだが、核分裂生成物の輪の部分が安定同位体の黒い帯から少し離れている。ウラン235の場合は元素番号が92で陽子が92個、中性子が235-92=143個あるわけで原子核には中性子が陽子よりもかなり多い。
 酸素や炭素なんて小さい元素の場合は原子核の陽子と中性子の数が同じになるのだけど、重い元素ほど中性子が多くなる。ウランのような重い元素の核分裂生成物は、その元素に不釣り合いな中性子の数を持ってるから、β崩壊なりして原子番号をあげるというか陽子数を増やして安定して化していく。青い輪の部分を上に持って行って黒帯に行き着くために安定化しようとするのが崩壊熱の元、というのが物理的には変だけど自分なりに理解しやすい理由付け。

20110424-ucsb-table3
図7



 それで、原子炉が上手く動いていればこの核分裂生成物が第一の壁たるウランペレットの中に残るわけだが、金属系元素はペレットの中に残っても良いんだけど、キセノン(Xe)なんかは気体だし体積大きいしペレットの中に残ってくれるんだろうか?わからん。まあ第二の壁の被服菅もあるのでそこでとどめてくれてるのだろう。
 セシウムやヨウ素もペレット上で、単体でいられるのだろうか。この2つなら簡単にヨウ化セシウム(CsI)になりそうだが、とりあえず単体であるとしておこう。

 今回のような事故が起これば、ニュースで何度もやっているようにジルコニウムの被服菅がボロボロになって穴があくのだろうが、そうすれば燃料ペレットが圧力容器の中の空気や水蒸気にさらされて外に出だすわけだ。  金属セシウムは600-700℃で揮発するが、水蒸気が周りにあれば速攻で反応してCsOHになるよな。普通に考えて。ヨウ素分子(I2)も百数十度で揮発するが、水に溶けるしイオン化もするかな。 CsIやI2が海風が塩を運ぶように水の飛沫に溶けて空気中にでて、そのまま漂ってフォールアウトするんだろうと仮定してみる
 キセノンやクリプトンみたいな希ガスは軽い元素ではないけど気体だしダダ漏れだろう。普通の空気の窒素分子や酸素分子に比べても重いので、水素やヘリウムといった軽い気体なら風船のように上空に上がっていくけど重い気体は地べたを這い周りやすい。


 とここまで考えて本当かどうか不安なので、(以下続きません。終わり)

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