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原子力発電の仕組み

石油などの化石燃料の高騰や、地球温暖化対策で脚光を浴びるているのが原子力発電です。
運転中は勿論のこと、廃棄後も長期間に渡って放射能を放出する厄介な代物ですが、実用化され、福島原発の事故前には、私たちが使う電気の3割が原子力発電で賄われていました。

原子力発電の構造はどうなっているのでしょうか?
原子力発電は原子の中心部にある「原子核」の結合エネルギーを熱エネルギーとして取り出し、この熱によって高圧の水蒸気を作り、水蒸気タービンを回して発電機を回しています。
原子核が持っている結合エネルギーとは、幾つかの「陽子」と「中性子」を原子核という塊にしているエネルギーです。
原子核には、プラスの電気帯びた陽子と、プラスの電気もマイナスの電気も帯びていない中性子しか無いので、本来なら原子核という塊にはなりません。
電気を帯びたものは自分とは異なる電気を帯びたものとの間では強い力で引き合いますが、同じの電気を帯びたものとは強い力で反発するからです。
+と+、−と−は反発する。
(プラスの電気を帯びた陽子同士を結び付けているのが中性子の役割です)

ところで、電気を帯びた物同士の引き合う力、或いは反発し合う力がどれほど強いかを表す話があります。
地球は太陽の周りを回り、月は地球の周りを回っているのは万有引力によります。
ニュートンの逸話で有名な、リンゴが落ちるのも万有引力です。
地球や月のように大きなものを引きつけるのですから万有引力はさぞかし大きいと思われますが、プラスチック製の下敷きと紙切れを1cm離して置いてみます。
当然、二つの物の間には万有引力が働いていますが、下敷きも紙切れも動きません。
ところが、下敷きをこすって静電気を帯びさせると紙切れは下敷きに吸い寄せられて付いてしまいます。
万有引力より電気の力ははるかに大きいのです。
この例だけでも、極近接している陽子同士を離れないようにしておく結合エネルギーというものが、如何に大きいか推測できるかと思います。

この結合エネルギーを取り出す方法には 「核融合反応」と「核分裂反応」があります。

核融合、核分裂反応共に、原子核の持っている結合エネルギーは、原子量が60ぐらいが低く、原子量がこれ以上小さくても大きくても大きい という性質を利用しています。
(鉄の原子量が約55.8なので、結合エネルギーの観点では鉄が一番安定している元素です。
宇宙では、水素原子の核融合からヘリウムが生まれ、次にヘリウムの核融合、というように核融合によって生まれた原子が次の核融合の元になって核融合を繰り返し、最後に鉄が生まれます)

例えば、原子量235の原子を分裂させて原子量140の原子を作ったとします 。
このときは原子量235の原子核が持っている結合エネルギーは、原子量140の原子核が持っている結合エネルギーより大きいので、この差が核分裂反応によって放出されます。

逆に、原子量2の原子を融合させて原子量4の原子に変えた場合には、原子量2の原子核が持っているエネルギーの方が 原子量4の原子核が持っているエネルギーより大きいので 、この差が核融合反応によって放出されます。

上に挙げた、 核分裂反応は現在実用化されているウラン235による核分裂反応です。
核融合反応は太陽などの恒星のエネルギー源である重水素(普通の水素の原子核が陽子1個だけなのに対して、 重水素は原子核が陽子1個と中性子1個で出来ている)を利用したものです。
また、重水素を利用した核融合反応を実用化したものが水爆です。

核分裂反応は、原子核がより小さな原子核に分裂するもので、 どんな元素の原子核でも起こりますが、 核分裂反応が起こり易いウラン235が使われます。

ウランには、原子量が238と235の二つが存在します。
原子量は、陽子の数と中性子の数を足したものです。

原子力発電で使われるのはウラン235で、 自然界ではウラン全体の0.7%しかありません。
ウラン235が微量しか無いことは、ある意味幸せなことです。
それは、なぜか? ウラン235を大きな塊にしておくと、 自然に核分裂が連鎖的に起きて核爆発になってしまうのです。
自然に核分裂が連鎖的に起きることを臨界、それを引き起こす量を「臨界量」と言います。
では、なぜ、自然と核分裂が起こるのでしょう。
ウラン235は自然界に放置された状態でも中性子を放出しています。
中性子は電気を帯びていないので、 電気を帯びている陽子や電子に引き寄せられることがなく空中に散ってしまいま す。

ところが、ウラン235を大きな塊にしておくと、一つのウラン原子から飛び出した中性子が空中に飛散する前に 他のウラン原子核に衝突する確率が高くなります。
中性子がウランの原子核に衝突すると、衝突されたウランの原子核は分裂し、複数個の中性子を放出します。
放出された中性子は、別のウラン原子核に衝突、 原子核が分裂、膨大な原子核の結合エネルギーの放出すると共に 複数個の中性子を放出します。
この中性子が原子核に衝突、原子核の分裂、原子核エネルギーの放出、複数個の中性子の放出という過程をウラン235が無くなるまで繰り返します。
核分裂の度に衝突した中性子より多くの中性子を放出することになるので、核分裂は加速度的に多くなり、爆発となります。
これを人為的に起こさせるのが原子爆弾です。

原子爆弾の保有疑惑で「ウラン濃縮」という言葉が出てくるのは、 自然界に微量しか無いウラン235を、核爆発が起きるまでに集める手段が、ウラン235とウラン238の質量差を利用した高速遠心分離機による「濃縮」だからです。
(ウラン235とウラン238は同じ元素の同位体なので化学的な差が無く、 質量の差を利用するしか分離する手段はありません)

話がずれましたが、少しずつ核分裂を起こさせることが出来れば、核爆発せずに、その際に出るエネルギーを利用できるのではないか、 という考えが浮かびます。
その為には、ウランから飛び出る中性子の数を、他のウランに衝突する前に何かに(中性子を)吸収させて減らすという方法で制御する必要があります。

実際には、濃縮したウラン235で多数の孔を開けた燃料棒を作り、燃料棒の孔の中に、中性子を吸収する物で作った制御棒を入れます。
制御棒を全て入れると、ウラン原子核に当たる中性子の数が少なくなって 分裂が止まるように設計しておきます。

逆の話ですが、濃縮率の低いウラン235で効率良く核分裂反応を起こす為に、飛び出してきた中性子の速度を落とさなければなりません。
核分裂反応によって飛び出した中性子は高速なので ウラン原子核に効率良く当たらないで燃料棒を飛び出してしまう可能性が高いのです。
中性子の速度が落ちると、あちらこちらにぶつかるのです。
(*ただし、高速増殖炉の場合は、中性子の速度が落ちると不都合)

中性子は、陽子や電子のように電気を帯びていないので、 電界や磁界では速度を落とせません。
それで、原始的な方法ですが物に衝突させて速度を落とします。
この衝突させるものは水素原子が適しているので、 速度を落とす物(減速材)として水素原子で作られている「水」を使います。
その為に、燃料棒の周囲に水を循環させます。
この水は熱くなるので、 核分裂反応によって得られるエネルギーを取り出すための媒体となります。

核分裂反応の熱を取り出す、ということは逆に言えば、 燃料棒などを冷ます働きなので冷却水、最初に冷やす水なので「一次冷却水」と呼びます。
一次冷却水は放射能を帯びているので、容易に扱うことが出来ません。
そこで、放射能を防いで熱だけ伝える「熱交換器」を介し、 全く別の水に一次冷却水の熱を伝えます。 この水を「二次冷却水」と呼び、この二次冷却水で発電機を回します。

事故を起こした東京電力福島第一原子力発電所の場合には、中性子がウランに当たらないようにする制御棒は核燃料に入って臨界は止まったが、燃料棒の周囲に無ければならない一次冷却水が何らかの原因で無くなってしまい、余熱で燃料棒が熔けて落下したらしいです。
熔けて塊りになってしまえば、核燃料と制御棒の位置関係が変わってしまいますから、制御棒が本来の役割を果たせなくなっていることも考えられ、再び中性子がウランに当たり、このウランが中性子を出す、を玉突きのように繰り返す臨界状態になる再臨界も理論上は考えられます。


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