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最先端の物理学

核反応と核分裂

核分裂事象とその中性子増殖をモデル化します。モデルパラメータを変えて増殖率 keffk_{\mathrm{eff}} を 1 未満・ちょうど 1・1 超に動かし、Q=(minitial−mfinal)c2Q=(m_{\mathrm{initial}}-m_{\mathrm{final}})c^2 から放出エネルギーを見積もります。

発展

⚠ 実際の核分裂実験は電離放射線と中性子源を伴い、許可された施設・遮蔽・線量測定が必要です。施設外で放射性物質を扱わないでください。

器具

  • 破片と二次中性子を放出する 3D 核分裂モデル
  • スライダー「パラメータ」（中性子増殖を制御）
  • スライダー「ノイズ」「物理パラメータ」
  • 連鎖の時間発展を回す「時間実行」コントロール

手順

  1. 一回の核分裂を見る

    事象を起こし、重い核が二つの破片と二次中性子に分裂するのを見ます。電荷と核子数は保存されます。典型的な 235^{235}U 事象では破片は約 200 MeV の運動エネルギーを持ち、Q=Δm c2Q=\Delta m\,c^2 と一致します。

  2. 増殖率を調整する

    時間発展を回しながらパラメータスライダーを掃引します。臨界未満（keff<1k_{\mathrm{eff}}<1）では中性子集団は消え、keff=1k_{\mathrm{eff}}=1 で自給し、1 を超えると指数関数的に増えます — 連鎖がちょうど自給する設定を見つけましょう。

  3. ノイズを加えて領域を比較

    ノイズスライダーを上げて keff=1k_{\mathrm{eff}}=1 付近で再実行します。統計ゆらぎが個々の連鎖の存続を決めます。核分裂あたりのエネルギー（約 200 MeV =3.2×10−11=3.2\times10^{-11} J）を見積もり、1 GW 炉に必要な毎秒の分裂数を計算しましょう。

シミュレーション

実験の歴史

オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンは1938年12月、中性子で照射したウランの生成物にバリウムを観察しました — 核が分裂しない限り化学的に不可能な結果です。リーゼ・マイトナーとオットー・フリッシュは数週間後にこれを核分裂として説明し放出エネルギーを見積もり、フリッシュは1939年初めに実験で確認しました。 レオ・シラードは直ちに連鎖反応の可能性に気づき、エンリコ・フェルミのシカゴ・パイル1号は1942年12月2日に初の自給連鎖を達成しました。この物理はその後、発電炉と兵器に分岐し — 同じ keff>1k_{\mathrm{eff}}>1 の領域が両者を支えるため — 核セキュリティにもつながりました。

関連する物理学者

マリー・キュリーAlbert Einstein

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