原子力用語：反応断面積
原子力を知りたい
先生、反応断面積って何ですか？
原子力マニア
粒子が原子核と反応する確率を表す指標だよ。記号はσで、単位はバーン（b）なんだ。
原子力を知りたい
単位が面積の次元ってどういうことですか？
原子力マニア
粒子が核と反応する確率を、核の面積で表しているんだ。だから面積の次元をもつんだよ。
反応断面積とは。
原子力では、「反応断面積」という用語が使用されています。これは、物質に入射した粒子がその物質の原子核と反応する確率を表しています。
たとえば、毎秒f個の粒子が1cm²あたりN個の原子核を含む薄い物質層に垂直に入る場合、反応は毎秒σfN回起こります。このときの比例定数σが「反応断面積」です。この定数は面積の次元を持ち、単位としてb（バーン、1b=10⁻²⁴cm²）が用いられます。
反応を起こす粒子はさまざまですが、原子炉物理学では主に中性子が対象となります。中性子と原子核の反応には、吸収、散乱、核分裂などがあり、それぞれについて反応断面積が定義されています。
ここで定義した断面積は「微視的断面積」とも呼ばれます。これに対して、微視的断面積に物質の原子核密度（単位体積あたりの原子核数）を掛けたものを「巨視的断面積」といいます。巨視的断面積は長さの逆数の次元を持ちます。
中性子束密度と巨視的断面積を掛け合わせると、単位時間、単位体積あたりの反応数が得られます。そのため、炉物理計算などでは巨視的断面積が使用されます。
反応断面積の定義
反応断面積とは、原子核反応を起こす現象における、ある粒子と原子核が衝突する確率を表す物理量です。原子核反応とは、入射粒子が原子核に衝突することで、原子核の構造や組成が変化する現象です。反応断面積は、この衝突によって反応が起こる確率を、原子核の断面積という形で表したものと考えられます。原子核の断面積は、原子核の大きさに相当します。
単位と次元
-反応断面積の単位と次元-
反応断面積は、粒子と標的との相互作用の確率を表す物理量です。その単位は「barn」（バーン）です。1 barn は 10-28 m2 に相当し、原子核の典型的な大きさです。
次元解析では、反応断面積は面積の次元を持ちます。相互作用する粒子のエネルギーが異なるため、次元にはエネルギーの依存性がありません。つまり、反応断面積は、エネルギーに関係なく、粒子と標的の相互作用がどの程度起こりやすいかを表す純粋な面積の単位で表されます。
入射粒子と反応の種類
原子力用語における「反応断面積」は、入射粒子とターゲット核との反応が起こる確率を表す指標です。この反応は、入射粒子の種類と反応の種類によって異なります。
入射粒子としては、中性子、陽子、電子、アルファ粒子などが挙げられます。反応の種類としては、弾性散乱、非弾性散乱、核融合、核分裂などがあります。各反応の断面積は、入射粒子のエネルギーやターゲット核の性質によって変化します。これらの断面積は、原子炉設計や核医療など、原子力分野のさまざまな分野で重要な役割を果たしています。
微視的断面積と巨視的断面積
-反応断面積-
反応断面積には、微視的断面積と巨視的断面積の2種類があります。
微視的断面積とは、特定の核反応が発生する確率を表す断面積で、原子核の大きさの何倍かに相当します。
一方、巨視的断面積とは、物質全体の反応断面積を表し、物質の密度と厚みに依存します。
巨視的断面積が大きいほど、物質が反応を阻害しやすくなります。
炉物理計算における活用
炉物理計算における原子力用語「反応断面積」の活用とは、原子炉の挙動をシミュレートするための計算において、原子核が特定の種類の放射線と相互作用する確率を表す値のことです。この「反応断面積」は、原子炉の設計や燃料管理に必須のデータです。
原子炉内で発生する核反応のタイプと速度を予測するために、「反応断面積」を使用します。これにより、原子炉の臨界性（自己持続的な連鎖反応を維持できる状態）を制御できます。つまり、「反応断面積」のデータは、安全で効率的な原子炉の運転を確保するために不可欠なのです。