原子力発電の仕組み

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核分裂を利用

核分裂とは

原子力発電所では核分裂によって発生するエネルギーを発電に利用しています。
質量数が２３３及び２３５のウラン、２３９や２４１のプルトニウムの原子核が中性子を吸収すると、原子核が分裂します。これを核分裂といいます。
核分裂すると、核分裂生成物と呼ばれるさまざまな新しい原子核が誕生すると同時に、中性子が放出されます。またウランやプルトニウムの質量の一部が消失します。放出された中性子は次の核分裂のきっかけになり、消失した物質の質量は熱エネルギーとなります。これが連鎖的に継続することによって発電ができます。
原子炉を新設した場合、最初に運転する時には、最初の核分裂を起こさせる中性子が必要になります。この最初の核分裂を起こさせる中性子を供給する物質を中性子源といいます。中性子源には、自然に核分裂して中性子を放出する人工の放射性物質であるカリホルニウム２５２をステンレス管に入れたものが使われています。
原子炉を点検等で停止させ、運転を再開する時は、ウラン235のなかに生成されたキュリウム242や244が放出する中性子で核分裂させることができますので、中性子源は不要です。

核分裂とエネルギー

物質は不生であり、不滅です。つまり、０から物質が生まれることはなく、物質が消滅して０になることはありません。たとえば、紙に火をつけると燃えて灰になり、大きさも小さくなり重さも減ります。しかしこれは紙が消滅したのではなく、主に燃えた時に発生した熱エネルギーと灰に変化しています。
核分裂は、原子核が分裂する際に質量が消失するため大きなエネルギーを放出します。このエネルギーを熱に変換し、水を蒸気にしてタービンを回します。するとタービンに接続された発電機が回転し発電されます。

軽水炉と減速材

減速材の役割

核分裂によって放出される中性子は、高速中性子という大きなエネルギーを持った中性子です。ウランやプルトニウムは高速中性子を吸収しにくいので、中性子を減速して吸収されやすい熱中性子にする必要があります。この減速に用いられるものを減速材といいます。減速材として重水・軽水・黒鉛などが使用されます。

軽水炉の減速材は水

軽水炉とは、減速材に軽水（＝Ｈ２Ｏ）、つまり水を用いています。
軽水は中性子の減速効果が大きい反面、中性子を吸収してしまう性質も大きいので、天然ウランをそのまま核燃料として用いても、核分裂を継続することができません。そのため軽水炉にはウラン濃度を天然の１％以下から３％程度まで濃縮した、濃縮ウランを使用します。

減速材温度効果

減速材の温度が上昇すると、密度が低下します。すると高速中性子が減速されにくくなり熱中性子の量が減少するため、原子炉の出力が低下します。これを減速材温度効果といいます。

ボイド効果

減速材の温度が上昇すると、気泡が増加します。これもまた減速材の密度が減少することのなりますので、原子炉の出力が低下します。これをボイド効果といいます。

ドップラー効果

ウラン２３８は中性子を吸収する特徴があります。燃料であるウランにはウラン２３５と２３８が混在しており、ウラン２３８は温度が上昇すると中性子を吸収する効果が増大するため、ウラン２３５の核分裂に寄与する中性子が減少し、原子炉の出力が低下します。これをドップラー効果といいます。

原子炉の種類

沸騰水型原子力発電（ＢＷＲ）

ＢＷＲは、核分裂により得た熱エネルギーを原子炉内の冷却水と呼ばれる水が吸収して直接蒸気に変化します。その蒸気でタービンを回し発電機にて発電します。タービンに放射能を含む蒸気が流れるため、放射線管理区域が比較的広くなります。

加圧水型原子力発電（ＰＷＲ）

ＰＷＲは、核分裂により得た熱エネルギーを原子炉内の冷却水と呼ばれる水が吸収して高温水に変化します。原子炉内は高圧に加圧されているため、冷却水は１００℃以上の高温水になります。その高温水を蒸気発生器という熱交換器に流して蒸気を発生させ、タービンを回し発電機にて発電します。
熱交換器で原子炉内冷却水とタービン駆動用蒸気の水が絶縁されているため、タービンに放射能を含む蒸気が流れることはないため、放射線管理区域が比較的狭くなります。

プルサーマルとは

プルサーマルは核燃料の有効利用

使用済核燃料を処理して、核分裂生成物とウランやプルトニウムを分離させ、回収することを再処理といいます。再処理で回収されたウランやプルトニウムは再度加工され核燃料となり、軽水炉に使用されます。これをプルサーマルといいます。プルサーマルという名称は、プルトニウムとサーマルリアクター（熱中性子炉）から作られた造語です。

原子炉の多重障壁

万が一に備える多重障壁

万が一原子炉の故障や事故がおきても放射性物質が漏洩しないよう、原子炉は多重障壁という対策がとられています。
多重障壁は、
１・燃料であるウランを焼き固めてペレットとし、分散しないようにする。
２．ウランのペレットを燃料被覆管という管に収めて、さらに分散しないようにする。
３．原子炉の冷却水系統を密閉し放射性物質の漏洩を防ぐ。
４．原子炉自体を格納容器に収めて放射性物質の漏洩を防ぐ。
５．原子炉の建物で放射性物質の漏洩を防ぐ。
という構成になっています。

原子力発電の特徴

原子力発電は、発電の過程で二酸化炭素を発生しません。二酸化炭素は地球温暖化の原因となっている温室効果ガスですので、火力発電に比べ原子力発電は環境にやさしいといえます。
また、燃料であるウランは供給が安定していて価格が安く、高騰する可能性は低いので、エネルギーセキュリティに優れています。
原子力発電所は、固定費が高く、燃料費が安いという特性があります。負荷によって出力調整することは不利であり、電力需要へのベース電力供給に適しています。つまり、高稼働することが望ましい発電です。

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