第21章核化学

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 47–54練習問題 47–54

Exercise 47問題 47

Write the balanced nuclear equation for the production of the following transuranium elements:

次の超ウラン元素を生成する、つり合いの取れた核反応式を書きなさい。

(a) berkelium-244, made by the reaction of Am-241 and He-4

(a) Am-241とHe-4の反応で作るバークリウム244

(b) fermium-254, made by the reaction of Pu-239 with a large number of neutrons

(b) Pu-239と多数の中性子の反応で作るフェルミウム254

(d) dubnium-260, made by the reaction of Cf-249 and N-15

(d) Cf-249とN-15の反応で作るドブニウム260

Solution解き方

(a)

_{95}^{241} Am +_{2}^{4} He ⟶_{97}^{244} Bk +_{0}^{1} n;

(b)

_{94}^{239} Pu + 15_{0}^{1} n ⟶_{100}^{254} Fm + 6_{−1}^{0} e;

(c)

_{98}^{250} Cf +_{5}^{11} B ⟶_{103}^{257} Lr + 4_{0}^{1} n;

(d)

_{98}^{249} Cf +_{7}^{15} N ⟶_{105}^{260} Db + 4_{0}^{1} n

(a)

_{95}^{241} Am +_{2}^{4} He ⟶_{97}^{244} Bk +_{0}^{1} n;

(b)

_{94}^{239} Pu + 15_{0}^{1} n ⟶_{100}^{254} Fm + 6_{−1}^{0} e;

(c)

_{98}^{250} Cf +_{5}^{11} B ⟶_{103}^{257} Lr + 4_{0}^{1} n;

(d)

_{98}^{249} Cf +_{7}^{15} N ⟶_{105}^{260} Db + 4_{0}^{1} n

Exercise 48問題 48

How does nuclear fission differ from nuclear fusion? Why are both of these processes exothermic?

核分裂と核融合はどう異なるか。どちらも発熱過程なのはなぜか。

Exercise 49問題 49

Both fusion and fission are nuclear reactions. Why is a very high temperature required for fusion, but not for fission?

核融合も核分裂も核反応である。核融合には非常に高い温度が必要なのに、核分裂には必要ないのはなぜか。

Solution解き方

Two nuclei must collide for fusion to occur. High temperatures are required to give the nuclei enough kinetic energy to overcome the very strong repulsion resulting from their positive charges.

核融合には、2つの原子核が衝突する必要がある。正電荷による非常に強い反発を克服できるだけの運動エネルギーを原子核に与えるため、高温が必要になる。

Exercise 50問題 50

Cite the conditions necessary for a nuclear chain reaction to take place. Explain how it can be controlled to produce energy, but not produce an explosion.

核連鎖反応が起こるために必要な条件を挙げなさい。爆発を起こさずエネルギーを生むように、どのように制御できるか説明しなさい。

Exercise 51問題 51

Describe the components of a nuclear reactor.

原子炉の構成要素を説明しなさい。

Solution解き方

A nuclear reactor consists of the following:

原子炉は、次の要素からなる。

A nuclear fuel. A fissionable isotope must be present in large enough quantities to sustain a controlled chain reaction. The radioactive isotope is contained in tubes called fuel rods.
核燃料。制御された連鎖反応を持続させるのに十分な量の、核分裂性同位体が必要である。放射性同位体は、燃料棒と呼ばれる管の中に入れる。
A moderator. A moderator slows neutrons produced by nuclear reactions so that they can be absorbed by the fuel and cause additional nuclear reactions.
減速材。核反応で生じる中性子を減速し、燃料に吸収されて新たな核反応を起こせるようにする。
A coolant. The coolant carries heat from the fission reaction to an external boiler and turbine where it is transformed into electricity.
冷却材。核分裂反応の熱を外部のボイラーとタービンへ運び、そこで電気に変える。
A control system. The control system consists of control rods placed between fuel rods to absorb neutrons and is used to adjust the number of neutrons and keep the rate of the chain reaction at a safe level.
制御系。燃料棒の間に置かれて中性子を吸収する制御棒からなる。中性子の数を調整し、連鎖反応の速さを安全な水準に保つために使う。
A shield and containment system. The function of this component is to protect workers from radiation produced by the nuclear reactions and to withstand the high pressures resulting from high-temperature reactions.
遮蔽・格納設備。核反応が生む放射線から作業員を守り、高温の反応によって生じる高圧に耐える役割をもつ。

Exercise 52問題 52

In usual practice, both a moderator and control rods are necessary to operate a nuclear chain reaction safely for the purpose of energy production. Cite the function of each and explain why both are necessary.

通常、エネルギー生産のために核連鎖反応を安全に運用するには、減速材と制御棒の両方が必要である。それぞれの役割を挙げ、両方が必要な理由を説明しなさい。

Exercise 53問題 53

Describe how the potential energy of uranium is converted into electrical energy in a nuclear power plant.

原子力発電所で、ウランの位置エネルギーがどのように電気エネルギーへ変わるか説明しなさい。

Solution解き方

The fission of uranium generates heat, which is carried to an external steam generator (boiler). The resulting steam turns a turbine that powers an electrical generator.

ウランの核分裂で生じた熱を、外部の蒸気発生器（ボイラー）へ運ぶ。そこで生じる蒸気がタービンを回し、発電機を駆動する。

Exercise 54問題 54

The mass of a hydrogen atom

(_{1}^{1} H)

is 1.007825 amu; that of a tritium atom

(_{1}^{3} H)

is 3.01605 amu; and that of an α particle is 4.00150 amu. How much energy in kilojoules per mole of

_{2}^{4} He

produced is released by the following fusion reaction:

_{1}^{1} H +_{1}^{3} H ⟶_{2}^{4} He .

水素原子

(_{1}^{1} H)

の質量は1.007825 amu、トリチウム原子

(_{1}^{3} H)

は3.01605 amu、α粒子は4.00150 amuである。次の核融合反応で、生成する

_{2}^{4} He

1 molあたり何kJのエネルギーが放出されるか。

_{1}^{1} H +_{1}^{3} H ⟶_{2}^{4} He .

chain reaction

連鎖反応

repeated fission caused when the neutrons released in fission bombard other atoms

核分裂で放出された中性子がほかの原子に衝突し、繰り返し核分裂が起こること。

containment system

格納設備

(also, shield) a three-part structure of materials that protects the exterior of a nuclear fission reactor and operating personnel from the high temperatures, pressures, and radiation levels inside the reactor

遮蔽ともいう。原子炉内部の高温・高圧・高い放射線量から、核分裂炉の外部と運転員を守る、3部分からなる構造。

control rod

制御棒

material inserted into the fuel assembly that absorbs neutrons and can be raised or lowered to adjust the rate of a fission reaction

燃料集合体に挿入する、中性子を吸収する材料。上下させて核分裂反応の速度を調節できる。

critical mass

臨界質量

amount of fissionable material that will support a self-sustaining (nuclear fission) chain reaction

自ら持続する核分裂連鎖反応を維持できる、核分裂性物質の量。

fissile (or fissionable)

核分裂性の

when a material is capable of sustaining a nuclear fission reaction

物質が核分裂反応を維持できること。

fission

核分裂

splitting of a heavier nucleus into two or more lighter nuclei, usually accompanied by the conversion of mass into large amounts of energy

重い原子核が2個以上の軽い原子核に分かれること。通常、質量が大量のエネルギーへ変わることを伴う。

fusion

核融合

combination of very light nuclei into heavier nuclei, accompanied by the conversion of mass into large amounts of energy

非常に軽い原子核が結びついて、より重い原子核になること。質量が大量のエネルギーへ変わることを伴う。

fusion reactor

核融合炉

nuclear reactor in which fusion reactions of light nuclei are controlled

軽い原子核の核融合反応を制御する原子炉。

nuclear fuel

核燃料

fissionable isotope present in sufficient quantities to provide a self-sustaining chain reaction in a nuclear reactor

原子炉内で自ら持続する連鎖反応を起こせるだけの量が存在する、核分裂性の同位体。

nuclear moderator

中性子減速材

substance that slows neutrons to a speed low enough to cause fission

中性子を、核分裂を起こせるほど十分に低い速度まで減速する物質。

nuclear reactor

原子炉

environment that produces energy via nuclear fission in which the chain reaction is controlled and sustained without explosion

爆発させずに連鎖反応を制御・維持し、核分裂によってエネルギーを生み出す環境。

nuclear transmutation

核変換

conversion of one nuclide into another nuclide

ある核種を別の核種へ変えること。

particle accelerator

粒子加速器

device that uses electric and magnetic fields to increase the kinetic energy of nuclei used in transmutation reactions

電場と磁場を使い、核変換反応に用いる原子核の運動エネルギーを増加させる装置。

reactor coolant

原子炉冷却材

assembly used to carry the heat produced by fission in a reactor to an external boiler and turbine where it is transformed into electricity

原子炉内の核分裂で生じた熱を、外部のボイラーとタービンへ運び、そこで電気へ変えるための設備。

subcritical mass

未臨界質量

amount of fissionable material that cannot sustain a chain reaction; less than a critical mass

連鎖反応を維持できない核分裂性物質の量。臨界質量より少ない。

supercritical mass

超臨界質量

amount of material in which there is an increasing rate of fission

核分裂の速度が増加していく状態にある物質の量。

transmutation reaction

核変換反応

bombardment of one type of nuclei with other nuclei or neutrons

ある種類の原子核へ、ほかの原子核や中性子を衝突させること。

transuranium element

超ウラン元素

element with an atomic number greater than 92; these elements do not occur in nature

原子番号が92より大きい元素。これらの元素は自然界には存在しない。