原子炉物理学（炉物理）とは？ 千葉 豪 エンリコ・フェルミ（1901-1954）： イタリア、ローマ出身の物理学者。統計力学、核物理学お よび量子力学の分野で顕著な業績を残しており、放射性元 素の発見*で1938年**のノーベル賞を受賞。実験家と理論 家との２つの顔を持ち、双方において世界最高レベルの業 績を残した、史上稀に見る物理学者であった。 （Wikipedia） *「中性子衝撃による新放射性元素の発見 と熱中性子による原子核反応の発見」に よる（中性子が原子核実験に有効なことに 着目したことが重要）。 **核分裂反応の発見は1年後の1939年。 エンリコ・フェルミ（1901-1954）： ・正確な計算ではなく、おおよその値を計算する「概算」の達 人であったといわれる。 ・アラモゴードの最初の原爆実験での爆発力を評価した（紙 を落として爆風にさらし、飛んだ距離から爆弾の爆発力を算 出）という逸話が残っている。 エンリコ・フェルミ（1901-1954）： ・1942年、シカゴ大学で世界最初の原子炉「シカゴ・パイル １号」を完成させ、核分裂連鎖反応の制御に史上初めて成 功。 ・中性子と原子核との反応 （核分裂や中性子の減速）と いう微視的な現象と、ウラン と減速材との集合体での核 分裂連鎖反応という巨視的 な現象を共に理解することに より、原子炉を実現（精緻な 実験データや高性能の計算 機が無い時代に！）*。 *神田幸則「フェルミの天才性について」、 核データニュース、No.81, p.94 (2005). 仁科芳雄（1890-1951）： 日本の物理学者である。日本に量子力学の拠点を作るこ とに尽くし、宇宙線関係、加速器関係の研究で業績をあげ た。日本の現代物理学の父である。（Wikipedia） ・光子のコンプトン散乱の有効 断面積を計算し、クライン＝ 仁科の公式を導出。 ・速い中性子による対称核分 裂の発見（1940年）。 原子炉：原子力発電のエネルギーの源 原子炉 この限られた空間で膨大なエネルギーを産み出す。 原子炉：原子力発電のエネルギーの源 原子炉 ここで起こっていることの理解が原子力利用には必須であ り、それを可能とする唯一の学問体系・技術体系が「原子 炉物理学（炉物理）」である。 なぜ、原子炉「物理」学？ 放射性捕獲 複合核 β、α 放射性崩壊 核分裂 複合核 核分裂 ①中性子と原子核との相互作用（いわゆる「原子物理学」） に基づいているから、ということが言えるかもしれない。 なぜ、原子炉「物理」学？ ②原子炉という巨視的なシステムで起こっている物理現象 を理解するための学問であったから、ということが言えるか もしれない。 現在の原子炉物理学では、現象を支配する方程式 は既知である。 また、中性子と原子核との相互作用は、物理定数と して取扱う（陽に考えない）。 なので、「物理」とは言えないかもしれない。 定常状態の中性子輸送方程式： 定常状態の中性子輸送方程式： ただし、この方程式の正しい解を得ることは容易ではない。 → 原子炉物理学の分野において種々の近似理論・ モデルが開発され、実用に供されてきた。 → 現在では、計算機の高性能化に沿って、理論・ モデルの改良が図られている。 空間の取扱い：原子炉の複雑な炉心構造 中性子のエネルギー（速度）の取扱い： 中性子と原子核との反応確率が中性子エネルギーに依存 ウラン238の中性子捕獲反応断面積 中性子のエネルギー（速度）の取扱い： 中性子と原子核との反応確率が中性子エネルギーに依存 中性子束のエネルギー分布 中性子の進行方向の取扱い： P.T.Petkov, et al., J. Nucl. Sci. Technol., 35, p.874 (1998). 時間依存の問題の取扱い 原子炉の状態が時間とともに変動する場合、それによっ て原子炉内で起こっている物理現象も変わってくる。 → 時間に対する依存性も考慮しなくてはならない 原子炉の安全性を担保するための事故解析・実験も必要であり、そ こに原子炉物理学が必要となる（→SPERT等の動画）。 原子核の変換の取扱い 中性子と原子核の反応により、原子炉内の物質の組成 が時間とともに変動することを考慮しなくてはならない。 定常問題については、最近は、計算機能力の著しい向上 により、近似を導入することなく、直接方程式を解く方法も 可能となりつつある。 名古屋大学・ 山本章夫研究室HPより 計算機の有効活用とともに、実際の原子炉を用いた「実験 原子炉物理学」も変わらず重要である（下の写真は京都大 学原子炉実験所での風景）。 定常状態の中性子輸送方程式： ただし、この方程式の正しい解を得ることは容易ではない。 → 原子炉物理学の分野において種々の近似理論・ モデルが開発され、実用に供されてきた。 → 現在では、計算機の高性能化に沿って、理論・ モデルの改良が図られている。 定常状態の中性子輸送方程式： この講義では、主に、下記で示した「種々の近似理 論・モデル」について解説を行います。 基礎的な数学、物理学に立脚したこれらの理論・モ デルは、実際に原子炉で起こっている物理現象を理 解する上で極めて有益です。 → 「原子力の物理」を勉強しましょう！ ただし、この方程式の正しい解を得ることは容易ではない。 → 原子炉物理学の分野において種々の近似理論・ モデルが開発され、実用に供されてきた。 → 現在では、計算機の高性能化に沿って、理論・ モデルの改良が図られている。
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