なぜ冷やすと放射線量が減るのか教えてください

使用済み燃料棒の入ったプールに放水すると、少しだけでも放射線量が減っているようですが、そもそもどうして冷却すると放射線量が減るのでしょうか？
冷やすのは崩壊熱による燃料棒の破損を防ぐためだと思っています。ジルコニュウムの皮膜が破損すると、そこから放射線漏れが起こると理解しています。
冷やすとそれ以上の燃料棒の破損を防げると思いますが、破損した部分は修復されていないので、漏れる放射線量は増えないで済むけど減りはしないように思えます。

実際には、冷却の効果として放射線量が減ることが期待されていますが、そもそもなぜなのでしょうか？　

ひとつ考えついたのは、使用済み燃料棒には多くの種類の放射性元素が含まれていて、１時間単位でも放射線量がかなり減衰していく性質のものだということ。言い換えれば、半減期が１時間程度の物質が多い場合が考えられるかと思っています。

どなたか教えてください。

No.15 回答者： fuuuun 回答日時： 2011/03/21 22:31

No.7 です。

制御棒を入れたあとも燃料棒が発熱し、徐々に冷えていく理由について、チェルノブイリの科学者が説明している記事をみつけました。（下記ＵＲＬ）

ウランの反応は止まっているが燃料棒の中に副生物として発生している放射性ヨウ素やセシウムが崩壊して安定物質になるまで熱を出すのだそうです。放射性ヨウ素の半減期は８．５日ですから多少時間がかかる訳ですね。

圧力装置の底がメルトダウンで抜けたときのために圧力装置の下におかれている　core capture chanber のコンクリートに黒鉛が混ぜられていることもこの資料で知りました。

参考URL：http://www.eiichihojiro.jp/blog/?p=149

No.14 回答者： ryu_chan 回答日時： 2011/03/20 19:27

最近の報道を受け、ネットで調べまくっている素人です。

質問をしようと思いここに来たのですが、素人なりの考えが妥当かどうか知りたく回答にまわってみます。

まず燃料が水で満たされれば、他の方が回答されている通り水による遮蔽効果が期待できると思います。

高い放射線量を示したのは、蒸気により放射性物質の拡散が増したのが一要因ではと推測しています。さらに、蒸気が出ないまでも、温度が高くなると（自然）対流が起き、それによる放射性物質の拡散も考えられます。

冷却することにより、以上による拡散が減少するため放射線量も減るのではと推測します。

[補足を見ての回答]
下記サイトによりますと、水の中だとほとんどの放射線は遮断できるようです。

Lec-放射線
http://laboratory.sub.jp/phy/33.html

おそらく検出されている放射線は、飛散した放射性物質がアルファ崩壊/ベータ崩壊/ガンマ崩壊したことによる放射線が大半ではないかと推測されます。

実は私のしたかった質問は、今、燃料は核分裂を起こしているかどうかですが、私の調べたところでは自発核分裂というのがあり、中性子がなくても核分裂を起こしているようです。その自発核分裂により中性子が放出されていると思います。

ただし、圧力容器内では制御棒により、保管プール内では燃料棒同士が距離をもって置かれているので臨界までにはいたらないようです。

No.13 回答者： sak1919 回答日時： 2011/03/20 17:53

No.9からNo.7様へ

質問を誤解していました。失礼しました。

確かによくわからない情報ですね。仮に、単純に一度上がってしまった水温を下げるのに時間がかかるということをおっしゃられているのだとしても、熱交換器の容量がそんなに小さいとも思えません。

専門家のかたが、だれだかわかりませんが、大学の先生であれば、連絡先は大学のwebサイトから分かることが多いので、直接質問してみるのがよいかとおもいます。

No.12 回答者： noname#154447 回答日時： 2011/03/20 16:34

A No.10です。

お礼欄拝見致しました（有り難うございました）

当該欄で挙げられた質問者さんの３つの指摘
１．制御棒の役割は、核分裂の連鎖反応の防止を目的とした中性子の吸収。
２．直接的な崩壊の危機が迫っているのは燃料棒。
３．水の持つ中性子の減速効果はむしろ核分裂を促進するもの。

この内、１．、２．については質問者さんの仰るとおりで、こちらの記述は完全に誤っていました。訂正の上お詫び申し上げます。
問題は３．です。ここも先の私の記述は間違っており質問者さんの指摘は正確でした。しかしながら、以下のwikipedia「減速材」の項目（抜粋）をご覧下さい。

引用ここから
減速材の減速効果は、核分裂の連鎖を促す役割だけでなく、炉心から外部に中性子が漏れることを防ぐ目的でも使用される。このような目的で用いられる場合は、材質が同じであっても、反射体と呼ばれることになる。
引用ここまで

「ソースはウィキペディア」というのが何なんですが…自然崩壊を起こす原子がある一定空間内に一定濃度以上あれば、減速材は核分裂を促進させる中性子を生成するが、空間と物質濃度いずれかが条件を満たさない場合には中性子の漏出を抑えるのではないでしょうか？

さて、質問者さんは「核分裂」と「（原子の）自然崩壊」という用語を使い分けていらっしゃいます。ここから質問者さんは私より本件について見識が高いのではないかという可能性に行き着きました。もしお時間がございましたら、減速材のいわば「二面性」の件、コメント頂けると有り難いです。

参考URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B8%9B%E9%80%9F% …

この回答へのお礼

ご指摘ありがとうございます。
私は専門家ではないのですが、自分の理解を述べさせていただきます。本当の正解はどなたか専門家のご指摘をぜひいただきたいと思っています（なので、そもそもトピを立てたともいえます）

炉心内で核分裂の連鎖反応を継続するための策として、ウラン235にできるだけ中性子が吸収されるようにすること（減速する/他に中性子吸収力の高い物質を使わない）と、中性子が外に漏れないようにすることがあります。後者が反射体であり水も反射体として作用しているので、中性子の漏洩を防ぐ効果も持っていることになります。

ここから先が良くわからないのですが、アルファ崩壊（ヘリウム原子核）・ベータ崩壊（電子）・ガンマ崩壊（ガンマ線）ともに中性子は出さないので、これらの崩壊から出てくる放射線にも水は反射材として作用するのか？？？　直感的にはヘリウム原子核には効果があるかもしれない気もしますがよくわかりません。（これが正しければ、シーベルト値減少には大きな貢献になります）
そもそもアルファ崩壊・ベータ崩壊・ガンマ崩壊のうち、今起きている放射線に寄与しているのは何なのかも私はわかっていません。中性子線も放射線ですから、中性子を出す反応が別に起きているかもしれないし（核分裂が散発的に起きているとか）・・・。

というわけで、引き続き皆さんのご見識がいただければ幸いです。

お礼日時：2011/03/20 18:51

No.11 回答者： fuuuun 回答日時： 2011/03/20 11:53

No.7からNo.9様へ、

　私の投稿が舌足らずだったようです。「正常の状態では冷却に２日かかる」と書いたのは、このような事故になる以前の正常運転時には、使用済み燃料は通常２日で冷やせるという意味です。ＴＶで専門家が言われていた数字です。この際、何故２日もかかるのか、というのがＮｏ．７で私が伺いたかったことでした。

この回答への補足

質問者は直接回答できないシステムのようなので、回答に対する補足欄で投稿させていただきます。
まず、多くの皆さんよりご回答いただきありがとうございます。

元の質問そのものに対する解としては、「核反応（自然崩壊/核分裂）の頻度は温度の関数ではないので、冷却により放射線そのものの発生を抑制する効果は無い。外部に漏れる放射線が減少している原因は、単純に水の遮蔽効果による」ということになりそうです。

今の関係者の決死の努力が奏功することを切望してやみません。

仮に今の危機的状況が克服され、定常的な冷却が可能になったとして、その先がやはり気になります。
つまり、損傷を受けている燃料棒はそのままですから、核物質が露出して燃料棒そのものからの放射線量は増大していますから、それをどのように安全に処理するかということが問題になりそうです。
数年単位の冷却後のことなのか、早急な対策が必須のことなのか不明ですが、安全な処理を完遂することが原子力エネルギーの将来を決めそうです。

補足日時：2011/03/20 12:41

No.10 回答者： noname#154447 回答日時： 2011/03/20 10:49

以下は新聞およびWeb検索からの情報に、以前担当していた品質管理の知識を混ぜ合わせたコメントです。

断定調で記述していますが、すべて「自説」です。この点にご留意下さい。
また、質問者さんの本来の質問の答は下記４．だと思うのですが、そこに至る説明のため冗長な項目（下記１．～３．）を設けております。まず４．をご確認頂き、分からない場合に１～３をご覧頂くのが適切かと思います。

１．プールの温度管理実施の理由は何か
本当は水温そのものが重要なのではなく「水温の上昇が止められるか否か。任意の水温に制御できるか否か」である。

冷却水の温度が上がりつづけるという事象は冷却水の供給量が足りていないことを表す。
↓
意図しない水温の上昇は何を意味するか
↓
冷却水の供給量より、液体としてプール中に存在できなくなった水分（≒蒸発する水分）が多いということであり、最終的には完全に冷却水が喪失する。
↓
ゆえに「冷却が適切になされているか＝冷却水が適切に供給されているか」を温度という指標を用いて報告・連絡している。

２．なぜ冷却水が必要か
冷却水は核分裂反応を直接的に抑制する物質ではない（これは厳密には正しくないが詳細は後述する）。また何らかの理由によって核燃料の温度を低下させる事ができたとしてもそれによって核分裂という現象は止まらない。止まるのは「核分裂する原子の数の増大」である（これも後述）
↓
現在「冷却水」と呼ばれるものについてできるだけ正確に表記しようとするなら「核燃料および制御棒用冷却水」とするべきである。
↓
制御棒の存在意義は「核燃料および放射線を外界へ漏出させない」である。

３．今何が危機的なのか
只今現在直接的な崩壊の危機が迫っているのは「制御棒」である。制御棒の崩壊・喪失により放射線はすべて外界に漏出する。
また核燃料が外界にむき出しになり、放射性物質（＝放射線が発生する物質）が外界に飛散する可能性が増大する。

４．冷却水の役割は冷却だけではない。
（少なくともウランの）継続的な核分裂には「適切な運動エネルギーを持った中性子の衝突」が必要である。水は中性子の持つ運動エネルギーを殺ぐ能力がある。つまり水にはＡという原子が分裂することを止める事はできないが、「Ａから発生した中性子が別の原子に衝突し分裂させる事態を起こさせない役割」が期待されている。なお、中性子で構成される中性子線は放射線の一種である。また、ある程度の容積の水は放射線であるα、βの放射線を遮断する。よって放射線量を外界で観測していた場合「一定量の水の存在」によって「一定量の水の存在」する前よりもその観測点での放射線量の数値は減少する。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。水の遮蔽効果が大きいことが良く理解できました。
前後の部分で、多少理解が異なる部分がありますので、記述します。

>　制御棒の存在意義は「核燃料および放射線を外界へ漏出させない」である。
制御棒の役割は、中性子を吸収することにより、核分裂の連鎖反応を起こさないことにあると思います。
その結果、核分裂反応そのものが起きなくなります。

>　只今現在直接的な崩壊の危機が迫っているのは「制御棒」である。
制御棒ではなく燃料棒だと思います。

>　、「Ａから発生した中性子が別の原子に衝突し分裂させる事態を起こさせない役割」が期待されている。
水の持つ中性子の減速効果はむしろ核分裂を促進するものだと思います。中性子が高速の場合、個々の原子核と中性子の相互作用が可能となる時間が短くなり、それだけ中性子が原子核が吸収されて核分裂を誘発する機会が失われるため、水により減速して相互作用可能時間を長くしていると理解しています。
現在は核分裂反応は止まっており、単なる自然崩壊が起きているだけなので、放水していることによる悪影響は全く心配する必要はないですけど。

お礼日時：2011/03/20 13:00

No.9 回答者： sak1919 回答日時： 2011/03/20 01:42

私なりにコメントします。

最近の、テレビ、新聞などを読むとこのような疑問を持たれるのは当然だと思います。
私の理解では、「冷却の効果として放射線量が減る」というのは厳密には間違いです。
冷却する目的は、高温になったジルコニウム合金が溶け出すことを防ぐことです。
冷却するために、水を供給する必要があり、水を供給した結果、水で放射線が遮断され放射線量が減るのだと思います。

つまり、
水を入れる　結果　冷却される
水を入れる　結果　放射線量が減る
であり、
水を入れる　結果　冷却される
冷却される　結果　放射線量が減る
わけではないのだと思います。

Ｎｏ．７に対するコメントです。
（正常な状態で）使用済み燃料棒を冷やすのに１～２日かかるのは何故か。

これは、単純に、放水で供給できる水の量がプールの水量に比べて少ないからだと思います。
熱を持っている量は、使用済み燃料棒よりも、残ってるプールの水の方が多いですよね。

仮に縦29m * 横12m * 高さ11m のプールに80℃の水が半分（高さ5.5m)残っている状態だとすると、0℃の水を高さ5.5m分入れると結果、水温は40℃になります。
5.5m分の水を毎時180トンの水を放水できる放水車で水を供給しようとすると、
(29 * 12 * 5.5)/180=10.6 時間
くらいかかります。
実際には、どの程度連続放水できるか、放水した水のうちどの程度がプールに入るかという問題もあるので、１～２日程度かかるという予想は非常に妥当なように思えます。

No.8 回答者： hamada0317 回答日時： 2011/03/20 00:52

原子力発電はそもそも穏やかな核分裂反応の熱を利用して発電するシステムです。

穏やかなとは
核分裂反応を制御棒でコントロールしながら抑えるやり方です。具体的には燃料棒（核物質）からの
中性子量を制御棒で吸収する。現状、この核分裂反応は停止させている状態（制御棒で燃料棒を囲んでいる状態）。また、崩壊熱が燃料棒・制御棒を損壊させる＝炉心溶融（メルトダウン）が起こらないように冷却しています。只、この冷却水は燃料棒に触れているので放射性物質を含む。また、使用済み核燃料も冷却水で覆われているので放射性物質を含む。今回、この冷却水が沸騰し気化して放射性物質を拡散させるので冷却水を１００℃以下にする為に放水していると理解しています。また、参考URLに載せてあるとおりに最悪の事態にならないように冷却することが肝要と思います。
脅すわけではありませんが、チェルノブイリでもスリーマイル島でも事故を起こしたのは１基です。
でも今回は３基で使用済み核燃料が１基、リスクは３倍と以上と思います。政府が情報開示をしないのでわかりませんが、１基が最悪の状態になればどれぐらいの放射性物質が拡散するか？３基であればどうか？ということを説明する義務があると思う。また、１基が最悪の状態になった場合でもその他の２基を収束させる為に日本全国からの原発関係者・操作者を集めて待機させることはリスク管理上実施すべきと思います。本当に日本が生きるか死ぬかの瀬戸際で、今回、事態収拾に尽力されている方々の努力が報われるように祈っています。また、過激な事を書いて気分を悪くされたらお詫びいたしますが、日本人として（本当に美しい日本の国土と優しい日本人を愛する者として）心配で何もできない自分が腹立たしいと思っています。

参考URL：http://www.asahi.com/special/10005/TKY2011031801 …

No.7 回答者： fuuuun 回答日時： 2011/03/19 23:30

回答ではありません。

私も最初の質問者と同じ疑問を持っていましたので期待を持ってよんでいましたが、まだどの回答者からも知りたいことには答えていただけていないと思っています。

私なりに質問を繰り返します：

（正常な状態で）使用済み燃料棒を冷やすのに１～２日かかるのは何故か。燃料棒自体は直径１ｃｍ程の細いものです。普通ならすぐに芯まで冷える筈です。それが１～２日かかるのは何故か。中の反応が最初は活発で徐々に鎮静化するのだろうと想像してしまいます。だとすれば徐々に鎮静化するのは何故か。臨界状態は脱していますので連鎖反応はすでに抑えられているはずです。残るは自然崩壊だけだとすれば、これは温度には関係無いはずです。では徐々に沈静化するのは何故か。

どなたか、ご教授いただければ幸いです。

この回答へのお礼

フォローありがとうございます。

自然崩壊はその過程で崩壊熱を生じるので、それにより継続的に発熱していると思います。
沈静化というのは、発熱量と冷却力が平衡に達し一定温度で保持されることだと思います。


余談ですが、ときどき記事用で「余熱」という表現が使われていますが、そもそも使用済み燃料棒自体が継続的に発熱しているので、余熱という言葉は誤解を招くので使わないほうが良いと思っています。

お礼日時：2011/03/20 13:10

No.6 回答者： iBook-2001 回答日時： 2011/03/19 18:16

回答＃３のiBook-2001です♪

お礼を書き込んでいただき、ありがとうございます。

さて、追加質問に付いてですが、

(1)使用済み燃料棒の中で　核分裂は起こっているのか？
起っていません。地震の震度（揺れ）により、緊急停止は正常に行われています。

(2)放射性物質の自然崩壊と温度
放射線放出量が半分に成る「半減期」と言う意味でしたら、基本的に温度や圧力による変化は無いと考えて良いでしょう。
炭素の同位体検査から年代測定出来るのも、同じ性質の事象からです。

今は放射性物質を含む空気や水蒸気が閉じ込められていないので、放射線がダダ漏れ状態、高温に成ると燃料自体が崩壊するよりかなり速い段階で容器や建物構造が融けて崩壊してしまいます。その時の衝撃で燃料自体が粉砕し拡散すると二度と近づけ無い状態に成るので、冷やす事が重要に成ります。
水蒸気が出ていると言う事は、圧力が高い内部は別として、それ以外は水の沸点、１００°程度に押さえられているはずです。

しかし、水蒸気にも放射性物質が含まれているので、水蒸気が発生しない温度まで下げようと、これから連続放水なども計画されているようですし、話題に出て来ていなかった５、６号機はプールの水循環に成功したとか、、
さらに、近くの東北電力から電力を貰って地下等に有るポンプを１～４号機でも稼働させようとがんばってくれているようです。

まだまだ困難も有るでしょうが、徐々に収束へ向かってほしい物です。
ここ数日、１週間程度で方向性が見えてくるかと想像します。

東京電力と自衛隊と、東京消防特殊やら機動隊やら、オールジャパン総動員（＆米軍の監視サポートや特殊作業アドバイスも、、）　がんばってくれ～～～♪