原子炉における臨界状態の仕組み

原子力工学において臨界状態（critical state）とは、原子炉内での核分裂連鎖反応が一定の割合で継続し、中性子数が時間的に変化せず安定している状態を指します。この状態では、核分裂によって生成された中性子の数と、吸収や漏洩によって失われる中性子の数が均衡しています。

臨界状態の分類

連鎖反応の維持状況に応じて、以下の状態に分類されます。

• 未臨界：連鎖反応が持続できず、時間とともに中性子数が減少する状態。
• 臨界：連鎖反応が一定の割合で持続する状態。
• 臨界超過（超臨界）：連鎖反応が時間とともに増加する状態。原子炉の出力を上昇させる際に意図的にこの状態を作り出します。

即発臨界と遅発臨界

核分裂で放出される中性子は、即座に放出される即発中性子と、核分裂生成物の崩壊に伴い時間差を持って放出される遅発中性子に分けられます。

原子炉の制御において重要なのは、遅発中性子の存在です。即発中性子のみで臨界に達する即発臨界の状態では、中性子数が極めて短時間で急激に増加し制御不能となります。一方、遅発中性子の寄与を含めて臨界を維持する遅発臨界の状態では、時間的な余裕があるため、制御棒の操作などを通じて核分裂反応を安定的に制御することが可能です。商用原子炉は、この遅発臨界を利用して安全に運転できるよう設計されています。