原子力における核反応断面積とは？
原子力を知りたい
核反応断面積って何ですか？
原子力マニア
物質に入射した粒子が原子核と反応する確率を表すものです。
原子力を知りたい
単位は何ですか？
原子力マニア
バーン（1 b = 10^-24 cm²）です。
核反応断面積とは。
「核反応断面積」とは、物質に衝突する粒子が物質中の原子核と反応を起こす確率を表します。例えば、単位面積あたりに N 個の原子核を含む薄い物質層に、毎秒 f 個の粒子が垂直に衝突した場合、核反応は毎秒 σfN 回起こります。このときの比例定数 σ が「核反応断面積（反応断面積、または単に断面積）」で、面積の次元を持ち、単位にはバーン（b）が用いられます（1b = 10-24cm2）。
入射粒子はさまざまですが、原子炉物理では主に中性子を扱います。中性子と原子核との反応には、吸収、散乱、核分裂などがあり、それぞれに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（単位体積当たりの原子核数）を掛け合わせたものを「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、単位体積当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用いられます。
核反応断面積の定義
-核反応断面積の定義-
核反応断面積は、原子核が特定の種類の核反応を起こす確率の尺度です。この値は、反応を起こす標的原子核の有効面積を表します。あたかも標的が原子弾の標的に似ていて、入射粒子または核が標的に衝突して反応を起こすかのように考えられます。
核反応断面積は通常、バーン（barn、記号b）という単位で表されます。1 barn は、10-28平方メートルの面積に相当します。断面積の大きさは、反応の種類、入射粒子のエネルギー、標的原子核の安定性など、さまざまな要因によって異なります。
核反応断面積の単位
核反応断面積の単位は、バーン（記号b）で表されます。バーンは、1 cm²の断面積を表す単位であり、原子核の大きさに相当します。1バーンは非常に小さな単位であるため、通常はミリバーン（mb）やマイクロバーン（μb）などのより小さな単位が使用されます。
中性子と原子核との反応
中性子と原子核との反応
原子力において、中性子は原子核反応を引き起こす重要な粒子です。中性子と原子核が相互作用すると、さまざまな反応が起こり得ます。最も一般的な反応は弾性散乱で、中性子は原子核からほとんどエネルギーを失わずに散乱されます。非弾性散乱では、中性子は原子核からエネルギーを失い、原子核を励起状態にします。また、吸収では、中性子は原子核に吸収されて、原子核とその反応生成物が生成されます。
中性子と原子核の反応は、核反応断面積によって決まります。これは、反応が発生する確率を表す物理量です。核反応断面積は、中性子のエネルギー、原子核の種類、反応の種類によって異なります。中性子エネルギーが低い場合、核反応断面積は一般的に大きくなり、中性子エネルギーが高い場合、断面積は小さくなります。
微視的断面積と巨視的断面積
-原子力における核反応断面積-
マイクログラムレベルの微視的断面積とマクロレベルの巨視的断面積という二つの異なる種類の核反応断面積があります。これらの断面積は、原子の核と粒子の相互作用を測定するものです。
微視的断面積は、特定のエネルギーと粒子の種類における単一の核反応の確率を表します。一方、巨視的断面積は、材料の単位体積あたりの反応の総数で、材料の組成と粒子のエネルギーに依存します。
巨視的断面積は、微視的断面積と材料の原子密度を掛け合わせて計算されます。そのため、巨視的断面積は、材料の厚みによって変化し、薄い材料では小さく、厚い材料では大きくなります。原子の核と粒子の相互作用を理解するために、両方の種類の断面積を考慮することが重要です。
炉物理計算における巨視的断面積の利用
炉物理計算において、巨視的断面積は、中性子と原子核が相互作用する確率を表す重要なパラメータです。巨視的断面積は、微視的断面積（原子核1個あたりの相互作用確率）に、原子核の密度を掛け合わせて求められます。
炉物理計算では、中性子が原子核と相互作用する確率を正確に予測することが、原子炉の挙動を解析するために不可欠です。巨視的断面積は、中性子の吸収、散乱、反応などのさまざまな相互作用の確率を定量化することで、原子炉の設計や運転に役立ちます。