新！サブやんの気まぐれ調査研究

原子力発電のしくみ

原子力発電のしくみ

『エネルギー・環境・生命』ケミカルサイエンスと人間社会　鈴木啓三氏著　化学同人

 

　原子力発電(原発)は，原子炉中で核分裂によって発生する熱を使って水を蒸気に変え，その蒸気で発電機を回して電気をつくる方法である．この蒸気を発生させるのに，火力発電では化石燃料の化学エネルギーを使うが，原発では核分裂の核エネルギーを使う．これが両者の異なる点である．原子炉というのは，核分裂連鎖反応を制御しながら連続的に起こすことができる装置である．

　核分裂で放出される中性子がもつエネルギー量はばらばらである．低遠の中性子は相対的に低いエネルギーをもち，高遠の中性子は高いエネルギーをもっている．低速の中性子も高速の中性子もウラン−235の核分裂を起こすことができるが，低速の中性子のほうが核分裂を起こす確率が高い．そのために減速剤が用いられる．減速剤としては軽水(普通の水)，重水(重水素IHからできた水)，黒鉛などが一般に使われている．

　核分裂連鎖反応速度を制御したり，原子炉を停止する必要が生じた場合には，中性子をよく吸収することのできるカドミウムやホウ素の化合物でできた制御株を用いる．

　原子炉の燃料となる核種として，天然のものではウラン−235のみであるが，天然ウランには0.72％しか含まれていない．現在実用化されている原子炉では，天然ウランを濃縮してウラン−235の濃度を３％程度にして用いることが多い．炉心にある燃料株は，酸化ウランの粉末を人差し指大に焼き固めたものを,直径１ｃｍ, 長さ３〜４ｍのジルコニウム合金の薄いさやの中に詰め込んだものである．この細長い株が約200本,小さなすき間を残してぎっしりと束ねられたものが燃料集合体である.100万キロワット(kW)級の原発では，この集合体が100〜200体も集められている(図1.11).したがって，一つの炉心には２万〜４万本の燃料株が備えつけられていることになる．（略）

　日本では，沸騰水型原子炉(ＢＷＲ)と，加圧水型原子炉(ＰＷＲ)が採用されている(図1.12，1.13).両方とも，核分裂反応で熱くなったウラソ燃料を冷やすのに軽水が用いられており，軽水炉といわれている．この軽水は同時に中性子の減速剤の役割も果たしている．

　炉心を通りぬける水は１次冷却水と呼ばれる．ＰＷＲ型では，この１次冷却水は外部から遮断された閉じた回路の中を循環し，その熱だけを蒸気発生器と呼ばれる熱交換器で２次冷却水に伝える．その熱を受けて２次冷却水は蒸気となり，発電用のタービンを回す．これに対して１次冷却水を炉心で沸騰させ，そのまま蒸気にしてタービンを回す型がBWR型である．

　１次冷却水の閉じた回路は，どちらの型も共に高圧に保たれている．ＢＷＲ型の場合，70気圧で沸点は約300℃になっている．それに対しＰＷＲ型では，炉内が150気圧ぐらいに加圧されているので，340°C以下に抑えられている炉心では水は沸騰することはない．

　ＰＷＲ型の場合，原子炉内を回る１次冷却水と，タービン系統を回る２次冷却水とが隔離されているので，システムが正常ならば，炉内が放射能で汚染されてもタービン系統まで汚染されることはないという特徴をもつ．一方のＢＷＲ型の場合には，炉内を回った水が直接タービン系統にも回ってくるため，タービン系統の放射能汚染が問題となる．

　核燃料は，燃やしているうちに次第に燃えにくくなってしまう．そのため，ＰＷＲ型では燃料の1/4，BWR型では1/3が毎年取り換えられる．再処理工場では，使用済み核燃料は核分裂性同位体（再利用される）とそれ以外の放射性廃棄物とに分離される．放射性廃棄物の安全な長期保管の問題は，まだ完全に解決されているわけではなく，原子力発電にとってたいへん重要な課題の一つとなっている．

　原発の場合，原子炉の中で発生したエネルギーのうち，電力に変換されるものはその1/3程度である．最近の火力発電では，この変換効率は40％ぐらいであるから，この点では原発は火力発電に劣る．効率を上げるためには，タービンを回す水蒸気の温度を高くすればよいのであるが，原発の場合には炉内温度を高くするとウラソ燃料捧が傷むので，安全上限界があるわけである．

　一方，発生したエネルギーの2/3は，タービンを回したあとの水蒸気を海水で冷やすという過程を通じて海に棄てられる．そのために周囲の海水の温度は上昇し，その影響が問題となる．

核分裂からエネルギーを得るしくみ

核分裂からエネルギーを得るしくみ

『エネルギー・環境・生命』ケミカルサイエンスと人間社会　鈴木啓三氏著　化学同人

 

　次節で述べる原子力発電の仕組みを理解するためには，まず核分裂からエネルギーを得るしくみを学ばなければならない．そのためには，さらにさかのぼって原子の構造について知る必要がある．

　原子を構成する粒子の発見　原子が物質を構成する最小の粒子であるという従来の考え方は，まず電子の発見により打ち破られた.1897年，イギリスの物理学者Ｊ． Ｊ．　トムソソ(ケンブリッジ大学・キャベソディシュ研究所)は，真空放電の実験から電子の存在を発見した．続いて1911年，その弟子のＥ．ラザフォードは原子核の存在を明らかにした．このあとラザフォードは，原子核のプラスの電気の正体が陽子(水素の原子核)であることをつきとめ，また1932年になって，ラザフォードの弟子J，チャドウィックは，原子核の構成粒子として中性子を発見した．

 

核分裂からエネルギーを得るしくみ　原子の構造

『エネルギー・環境・生命』ケミカルサイエンスと人間社会　鈴木啓三氏著　化学同人

 

　原子は電子と原子核からなり，原子核は陽子と中性子がそれぞれ何回か集まって，核力によってかたく結合したものである(図1.7).電子は最小単位のマイナスの電気量(電荷)をもった粒子であり，陽子のプラスの電荷の大きさは電子のマイナスの電荷と同じである.中性子は陽子とほぼ同じ質量(電子の質量を１としたとき，陽子および中性子の質量はそれぞれ1836，1839である)をもち，電荷はもたない．一つの原子では陽子数と電子数は同じで，原子は全体として中性である．原子番号とは，陽子の数(＝電子の数)に相当する．原子の質量の大部分は原子核に集中しており，原子核に含まれる陽子の数と中性子の数の和を質量数という．原子の種類は，その原子核をつくっている陽子の数と中性子の数によって決まる．原子番号がＺで質量数がy1の元素(原子の種別名)Ｅの場合，

A Z

E

（記号）と書き表される．

　核分裂の発見　チャドウィックが中性子を発見したことによって原子の全体構造がほぼ完全に明らかになったわけであるが，中性子の発見がもたらしたものはそれだけではない．実はこれがウランの核分裂を導き出す引き金となったのである．

　イタリアのE.フェルミは，新しく発見された中性子を弾丸にして，ウランを照射する実験を行った．その結果，化学的性質のまったく異なった幾種類かの放射性生成物のできることを発見した．さらに，原子核にぶつける中性子の速度を，水やパラフィソなど水素を多く含む物質の中をくぐらせて減速すると，より強い放射性物質をつくり出すことができることをも発見した.｢中性子照射による新放射能の発見｣によって，フェルミがノーベル賞を受賞したのは1938年である．

　フェルミの実験は，世界の物理学者たちを強く剌激した．ドイツのカイザー・ウィルヘルム研究所のO.ハーソらは，“おそい中性子"を使って実験を行い，ウランの原子核は二つに壊れるという結論を導き出した.1938年12月のことである．

　コペンハーゲンのＮ．ボーアは，原子核の理論から核分裂の際に巨大なエネルギーが発生することを予測したが，これは実験協力者たちによって確かめられた.1939年１月のことである．

　当時すでにアメリカに亡命していたフェルミは，コロソビア大学の地下室のサイクロトロンを使ってウラソの核分裂を確認し，さらに核分裂の際に何個かの中性子が新たに放出されることをも確認した.

　1939年９月に第二次世界大戦はぼっ発した．当時ヨーロッパからアメリカヘ亡命していた物理学者らは，ナチスドイツの手による原子力の軍事利用を懸念してルーズベルト大統領に原子爆弾開発の働きかけを行い，1939年10月，大統領はこれに応じてゴーサイソを出した．フェルミが原子炉第１号に成功したのは1942年12月である．そしてその成果は，ナチスの頭上ではなく，日本の上空でさく裂した．

　核分裂は，原子核の中での核力*l（*1陽子と中性子(両者を合わせて核子という)を結合させて原子核を構成する力である．原子核が10-15〜10-14 m という微小領域で,かなりはっきりした表面をもって存在していることは,原子　の世界を支配している電磁気的な力に比べて，核力がはるかに強く，到達距離の短い力である　ことを示している．核力の本性が強い相互作用にあることを最初に解明したのが湯川の中間子　論であった．核力は実験的にも理論的にもまだ完全にはわかってはいない。）の引力と，電気的斥力(陽子のプラス電荷間の反発)との間の微妙なバランスに関連している.ほとんどすべての原子核では核力が支配的であるが，ウランの原子核の場合，核力の優位さは低下する．中性子を照射してウランの核を細長く変形させると(図1.8),核力は到達距離が短いので，電気的斥力のほうが優位になってますますその変形を助長させようとする効果が働く．そして，変形がある臨界点を超えると，核力は電気的斥力に屈服して，核は二つに分裂する．オーストリアの女流物理学者L.マイトナーは，生物学の細胞分裂にちなんで，この現象に核分裂という名を与えた.ウラン−235（質量数235のウランを意味する．天然ウランには，そのほかに質量数234と238の同位体(原子番号が同じで，質量数の異なる元素)が存在する．ウラン−234，−238は中性子を吸収するが，通常，分裂はしない．）の核分裂によって，より小さい原子核のいくつかの組合せのうちのどれかが生じるわけであるが，代表的なものとして次のような例がある。

（略）

　原子核を構成するひとつひとつの核子(陽子と中性子)に分解するためには，外部からある量のエネルギーを加えなければならない．このエネルギーをその原子核の結合エネルギーという．遂にばらばらの核子が集まって核をつくるときには，結合エネルギーに等しいエネルギーを放出する．ウラン−235の核分裂反応*（＊核分裂反応では大きなエネルギーを放出すると共に，質量の欠損が検知される．アインシュタインにより，質量欠損△ｍとエネルギーEと間に，E＝c²△ｍ(ごは光速度)の関係が明らかになった(1905年)．質量１ｇが減少すると9×1010kJのエネルギー発生することになる．

　図1.9は核子１個当たりの結合エネルギーが，核種の質量数により変化することを示している．質量数200の原子核が質量数100の２個の原子核に分裂したとすると，およそ200yガ電子ボルト(ＭｅⅤ)の核エネルギーが発生することが，この図からも求められる．）では,分解に必要なエネルギーより放出されるエネルギーのほうが200×106電子ボルトほど大きい.核エネルギー(原子力ともいう)は,同じ質量の石油や石炭などがもっている化学エネルギーに比べて６けた以上も大きい．

　１個の中性子を消費して複数の中性子を生じるのが，この種の核分裂反応の特徴である．そして，生成した中性子も引き続いて核分裂を起こすことができる．このように,次から次へと継続して起こる反応を連鎖反応という(図1.10).ひとつひとつの核分裂反応は一瞬にして起こるので,連鎖反応の広がりも遠く，多量の核分裂が瞬時にして起こる．広島の原爆はウラン−235が核種として用いられ，それが10万分の１秒よりもっと遠い時間で一気に爆発したと考えられる．長崎の原爆はプルトニウム−239が使われた．