Influence of the Exit Channel in $^{235}$U(n,f) and $^{239}$Pu(n,f) Reactions in Time-Dependent Density Functional Theory

原子核の壮大な分裂：引き伸ばされ、弾け、飛び散る物語

原子の心臓部である原子核を、静止したビー玉ではなく、ゆらゆらと揺れる超高密度の液滴として想像してみてください。この極小の宇宙の中では、陽子と中性子が混沌としつつも秩序ある群衆のように踊っています。時として、この群衆は興奮しすぎることがあります。例えば、迷い込んだ中性子がぶつかった時などです。すると原子核は引き伸ばされ始めます。まるで二人の空腹な子供に引っ張られているタフィー（飴）のように、細長く伸びていくのです。やがて、中央が非常に細くなり、それは「核分裂破片」と呼ばれる二つの小さな飛び散る破片へと分裂します。核分裂として知られるこのプロセスは、私たちの夜空を照らす星々と、都市を動かし続ける発電所の両方の背後にあるエンジンなのです。

しかし、ここからが難しいところです。私たちは原子核が分裂することは知っていますが、その「弾ける瞬間」の正確な振り付けについては完全には理解していません。それはカメラで観察できるよりも速く、一瞬のうちに起こります。そしてそこには、微小な粒子に従う奇妙なルールブックである「量子力学」が関わっています。科学者たちは、ウランやプルトニウムのような重い原子が分裂する場合、通常、真ん中で真っ二つに等分されるのではなく、不均等に分かれることを古くから知っています。それは、クッキーが大きな塊と小さな欠片に割れるようなものです。しかし、疑問は残ります。原子核が弾ける「前」にどのように引き伸ばされるかが、破片の飛び散り方に影響を与えるのでしょうか？ 出発点の形状の違いが、異なる種類の爆発を引き起こすのでしょうか？ これを理解することは極めて重要です。なぜなら、放出されるエネルギー量や、結果として生じる破片がどれほど熱くなるかを予測する助けとなり、それはより安全な原子炉の設計から、宇宙で生成される元素の理解に至るまで、あらゆることに不可欠だからです。

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形を変える分裂：この研究が明らかにしたこと

この研究において、研究チームは「時間依存密度汎関数理論（TDDFT）」と呼ばれる強力なコンピュータ・シミュレーション（高性能な物理ビデオゲームのようなものと考えてください）を使用して、ウラン235とプルトニウム239の原子核がどのように分裂するかを観察しました。彼らは単に一種類の分裂を見たわけではありません。分裂直前の原子核がどれほど偏っているか（オクトポール変形しているか）によって定義される、3つの異なる「初期ポーズ」をテストしました。彼らは、通常の「非対称」分裂（大きな塊と小さな欠片）、ほぼ等分に近い「準対称」分裂（ほぼ等しい半分）、そして極端に偏った「高度非対称」分裂を調査しました。

研究者たちは、原子核の初期形状が「運命の地図」として機能し、分裂をそれぞれ独自の個性を持つ3つの全く異なる経路へと導くことを発見しました。

長い首のストレッチ（準対称核分裂）
原子核がほぼバランスの取れた形状（準対称）で始まったとき、それは非常に頑固なタフィーのように振る舞いました。素早く弾ける代わりに、驚くほど長く細い「首」へと引き伸ばされました。この首が非常に長かったため、破片が実際に壊れるとき、二つの破片は約 23.07 fm（フェムトメートル／ウランの場合）離れていました。

• 結果： 壊れるときにこれほど離れていたため、両者の間の電気的な反発力は弱まりました。これにより、二つの破片は通常の分裂に比べて速度が遅くなり、結果として「全運動エネルギー（TKE）」は約 144.70 MeV と非常に低くなりました。
• 熱： エネルギーはどこかへ行かなければならないため、この「失われた」速度は熱へと変わりました。重い破片がこの余剰熱の大部分を吸収し、非常に興奮して「ふにゃふにゃ」とした状態になり、大きな「四重極変形」（卵型に変形すること）を生じさせました。研究は、中性子がより高いエネルギーで原子核に衝突すると、これらの長い首を持つ分裂がより頻繁に起こる可能性を示唆しており、これは原子炉が熱くなるにつれて核分裂破片の平均速度が低下する理由を説明できるかもしれません。

短くて素早い弾け（非対称核分裂）
原子核が適度な偏った形状で始まる「標準的」な分裂が、最も一般的なものでした。ここでは、首はより短く、破片は約 20.09 fm の距離にありました。

• 結果： 近かったことは強い電気的な押しを生み、破片は約 168.02 MeV のTKEでより速く飛び出しました。
• 熱： これらの破片は、準対称な兄弟たちよりも温度が低く、変形も少なかったです。

ワイルドカード（高度非対称核分裂）
原子核が最初から非常に偏っていた、最も極端な分裂は、最も混沌としていました。長い首を作るものもあれば、短いものもありました。

• 結果： これらの分裂は、やはり大きな距離で壊れる傾向があったため、一般的にTKEが最も低くなりました（約 137.49 MeV）。
• 熱： 興味深いことに、熱の分布が逆転しました。これらのケースでは、重い破片ではなく、軽い破片（小さな欠片）が余剰熱と興奮の大部分を受け取りました。

弾けとスプレー（噴霧）
研究では、首が弾ける正確な瞬間についても調査しました。彼らは、長い首を持つ準対称分裂の場合、首は瞬時に消えるのではなく、崩壊に時間がかかり、「弾ける」プロセスが二段階で行われることを発見しました。このゆっくりとした複雑な破断が、中性子の放出方法を変えました。

• スプレーのパターン： 通常の分裂では、中性子は全方向に均等にスプレーされます。しかし、準対称分裂では、首が非常に長く太かったため、中性子の巨大な雲は、前後ではなく、分裂に対して垂直な方向（横方向）に大量に射出されました。これは、爆竹が弾けて（あらゆる方向にスプレー）いるのと、水風船が破裂して（主に横方向にスプレー）いるの違いのようなものです。

この研究が否定したもの
研究者たちは、首の破断が「ランダム」に起こるという考えは、おそらく誤りであることを明確に示しました。古い理論の中には、首の長さのどこでも確率的に壊れる可能性があると考えられていたものもありました。しかし、彼らのシミュレーションは、破断点ははるか前、つまり「外側サドル点」における原子核の形状によって決定されることを示しました。システムは、分裂の全過程を通じてその初期形状を記憶しています。首はさまようことはなく、初期の変形が規定した場所で正確に壊れるのです。

確実性はどの程度か？
これらの知見は、実験室で実際に分裂を捉えた物理的な実験ではなく、コンピュータ・シミュレーションによるものであるという点に注意が必要です。著者らは、得られた「傾向」（例えば、長い首が低いエネルギーにつながることや、中性子の独特なスプレーの仕方など）については自信を持っていますが、現在のモデルが現実世界の実験と比較して、破片の速度をわずかに過小評価している可能性があることも認めています。彼らは、モデルが向上すれば正確な数値は微調整が必要になるかもしれないが、「初期形状が結末を決定する」という物語自体は正しいであろうと示唆しています。

要するに、この論文は、核分裂の物語は最初の音符が奏でられる前にすでに書かれているということを教えてくれます。原子核の初期形状が、速くエネルギッシュな「ポンッ」という音になるのか、それともゆっくりと熱く、横方向にスプレーするような「引き伸ばし」になるのかを決定するのであり、宇宙はその形状を最後まで記憶し続けるのです。