水にも軽さと重さの程度の違いがあるのでしょうか？核兵器を作るのになぜ重水が必要なのでしょうか？

水には軽さと重さの程度の違いがありますか?もちろん、私たちが日常的に飲んでいる水は「軽水」であり、その反対は「重水」です。

重水とは何ですか？名前の通り、普通の水よりも重いです。私たちが日常的に飲んでいる軽水の分子量は 18.0153 ですが、重水の分子量は 20.0275 です。重水の質量は軽水よりも約11%高いことがわかります。この余分な質量はどこから来るのでしょうか?それは実際には中性子の質量です。自然界には水素、酸素、炭素、鉄などさまざまな元素が存在します。それぞれの元素は対応する原子で構成されており、原子は原子核と電子で構成されています。原子核には陽子と中性子が存在します。陽子の数によって元素の種類が決まります。たとえば、陽子が 1 つある原子は水素原子であり、陽子が 2 つある原子はヘリウム原子です。

自然界にはさまざまな元素が存在するほか、同じ元素でも中性子の数によって決まる同位体がいくつか存在します。

たとえば、水素には、陽子、重水素、三重水素という 3 つの同位体が存在します。これら 3 つの同位体はすべて同じ数の陽子、つまり 1 つの陽子を持っていますが、陽水素の原子核には陽子が 1 つしかなく中性子は存在せず、重水素には中性子が 1 つ、三重水素には中性子が 2 つあります。 2 つの水素原子と 1 つの酸素原子で構成される水分子の分子式は、最も一般的な軽水である H2O として知られています。 2 つの重水素原子と 1 つの酸素原子で構成される水分子の分子式は D2O と書かれ、これは重水です。重水は軽水よりも中性子が 2 個多いため、質量は当然大きくなります。

重水は軽水よりも中性子が2個多いだけであるが、もはや「生命の源」ではない。重水は生命の源ではないだけでなく、飲むと死に至ることもあります。

しかし、自然界では重水の割合は非常に小さいので心配する必要はありません。軽水に混ぜますが、その割合は0.02％未満です。重水は飲用には適していませんが、原子爆弾の製造など他の用途にも使用されています。原子爆弾は核分裂反応を利用して巨大な破壊力を生み出す兵器です。その力は主に内部の「電荷」から生まれます。現在、原子爆弾の原料として使用できる元素は、ウラン 235 とプルトニウム 239 の 2 種類です。どちらの元素を使用する場合でも、精製する必要があります。ウラン235を例に挙げてみましょう。ウラン鉱石中に含まれる割合はわずか0.7％で、残りはウラン238です。核兵器を製造するには、ウラン235の濃度を少なくとも85％まで精製する必要があります。これはあくまで理論上の最小値です。実際の原子爆弾の製造工程で要求される純度はさらに高い。

ウラン235の濃度を高めるには、多数の先進的なガス遠心分離機を使用して繰り返し濃縮を行う必要があり、これは多くの国にとって克服できないハードルとなっている。

ウラン235を原子爆弾の推進剤として使う場合は重水は必要ありませんが、プルトニウム239を使う場合は重水が不可欠です。ウラン 235 とは異なり、ウラン 235 は自然界に存在します。私たちがしなければならないのは、それをウラン 238 から分離することだけです。しかし、プルトニウム 239 は自然界には存在しないため、人工的に生成する必要があります。どうやってやるんですか？これはウラン 238 から始まります。原子爆弾が強力なのは、「連鎖反応」の原理を利用しているからです。

いわゆる連鎖反応とは、簡単に言えば、ウラン 235 が中性子を吸収した後、核分裂を起こしてエネルギーを放出し、2 つの中性子を放出することを意味します。これらの 2 つの中性子は他のウラン 235 に吸収され、連鎖反応を引き起こします。

しかし、ウラン235と混合されたウラン238も中性子を吸収しますが、中性子を吸収した後は核分裂しません。そのままウラン239に変わります。ウラン235の核分裂で発生した中性子はウラン238に静かに食べられ、連鎖反応は起こりません。ウラン 238 はウラン 235 に比べて冗長ですが、プルトニウム 239 の製造に非常に役立ちます。ウラン 238 は中性子を吸収するとウラン 239 になります。ウラン 239 は不安定で、β 崩壊によってネプツニウム 239 に崩壊します。ネプツニウム 239 は再び崩壊してプルトニウム 239 を生成します。プルトニウム 239 を生成するには原子炉が必要であり、原子炉は使用する冷却材によって軽水炉と重水炉に分けられます。

軽水炉と重水炉はどちらもプルトニウム239を生成できますが、軽水炉で生成されたプルトニウム239は原子爆弾の製造には使用できません。

これは、軽水炉で生成されるプルトニウム239に大量のプルトニウム240も混ざっているためです。プルトニウム240は、時々自発核分裂を起こす非常に不安定な元素です。プルトニウム 239 にプルトニウム 240 が過剰に混ざると、何が起こるかは皆さんもご存知でしょう。それは、いつ何が起こるかわからない爆発です。したがって、プルトニウム239中のプルトニウム240含有量が19％を超えると、埋め立てなければならない廃棄物となります。 7%～19%が燃料として使用できます。しかし、原子爆弾の製造に使う場合はプルトニウム240の含有量を7％以下に抑える必要があり、これは軽水炉では絶対に達成不可能です。したがって、原子爆弾を製造したい場合、重水炉を使用してプルトニウム239を生成しなければなりません。制限を超えたプルトニウム240は、なぜさらに精製されるのではなく、埋め立てられなければならないのでしょうか?プルトニウム 239 とプルトニウム 240 の間には中性子が 1 個だけ異なります。これは、群れの中に他の牛よりも毛が 1 本少ない牛が数頭いるようなものです。それらを選び出すことは不可能です。

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