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原子力発電所

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原子力発電

原子のエネルギー

原子エネルギ―

物質の原子は、中心にある「原子核」とそのまわりを回る「電子」から構成されます。
さらに原子核は、正の電荷をもつ「陽子」と、電気的に中性の「中性子」で構成されています。
不思議なことに、原子核の質量はそれを構成する陽子と中性子の個々の質量の合計より小さいのです。
この質量の差は、陽子と中性子を結びつけるための結合エネルギーと考えられており、「質量欠損」と呼ばれます。
図のように、ウラン235やプルトニウム239などの原子核に中性子を衝突させると、原子核が2つに割れ、放射線、中性子とともに大量の結合エネルギーが放出されます。
これが「核分裂」です。
質量欠損をm(kg)とすれば、核分裂によって放出されるエネルギーはE(J)は、アインシュタインの相対性理論により次式で求める事が出来ます。

E=mc^2(J) cは光の速度(およそ3×10^8m/s)

核分裂の際に放出された中性子は、別の原子核と衝突してさらに核分裂を引き起こします。
これを核分裂の「連鎖反応」と呼びます。

原子力発電の仕組み

原子力発電のしくみ

原子力発電は、原子炉と呼ばれる装置内でウランやプルトニウムによる核分裂の連鎖反応を起こし、その際に生じるエネルギーを利用して蒸気を作り、蒸気の力でタービンを回転させる発電方式です。

核燃料と核燃料サイクル

核燃料サイクル

原子炉で用いられる下記のような核分裂性物質を「核燃料」といいます。
核燃料の原料はウラン鉱石で、これを精錬、濃縮、転換加工して燃料とします。

天然ウラン:ウラン235とウラン238の混合で、ウラン235を濃縮していないもの。ウラン235が0.7%、ウラン238が99.3%を占めます。

濃縮ウラン:天然ウランのウラン235の濃度を高めたもの。軽水炉と呼ばれる原子炉では、ウラン235の濃度を2~3%に高めた低濃縮ウランが利用されます。

プルトニウム239:原子炉内でウラン238が中性子を吸収してできる物質。

使用済み核燃料からは、再処理工場によってプルトニウム239や残存ウランが取り出され、再利用されます。
このような再利用の過程を「核燃料サイクル」といいます。

原子炉

日本の原子力発電所では、主に「軽水炉」と呼ばれる原子炉が用いられます。軽水炉には、「沸騰水形原子炉」(BWR)と「加圧水形原子炉」(PWR)の2種類があります。

原子炉の仕組み

原子炉のしくみ

原子炉は、燃料集合体、冷却材、減速材、制御棒、遮へい材などから構成されます。

燃料集合体:燃料棒(ペネット状のウランを詰めた金属管)を束ねたもの

冷却材:原子炉の熱を取り出すためのもので、汽力発電の水や蒸気と同じ役目をします。原子力発電では、原子炉によって軽水、炭酸ガス、重水、ナトリウムなどが使われます

減速材:核分裂によって生じた高速中性子は、高速すぎて次の核分裂を起こしにくいため、減速材で運動エネルギーを弱めて熱中性子にします。軽水、重水、黒鉛などが使われます

制御材:原子炉内の中性子の数を調整して、核分裂の量を調整します。中性子を吸収しやすいボロンやカドミウムなどが用いられ、原子炉に出し入れして核分裂をコントロールします

反射材:中性子を原子炉内に閉じ込めるため、炉心を囲んでいる反射板です

遮へい材:放射線が外部に漏れないように、原子炉の周りを囲む壁です。

原子炉の種類

原子炉は、種類によって冷却材と減速材、燃料が異なります。それぞれの特徴は下記の通りです。

軽水炉

○冷却材と減速材に、ふつうの水「軽水」を利用する原子炉
○水は中性子が吸収されやすいため、燃料には核分裂を起こしやすい「濃縮」ウランが必要
○沸騰水形原子炉(BWR)と加圧水形原子炉(PWR)の2種類がある

ガス冷却炉

○冷却材として、高圧の炭酸ガスやヘリウムガスを用いる原子炉
○減速材には黒鉛などを用いる
○燃料には天然ウランを利用できる

高速増殖炉

○減速材を用いず、高圧の中性子のまま連鎖反応を起こす原子炉
○冷却材に「ナトリウム」を利用
○燃料には濃縮ウランを用いるほか、増殖用の天然ウランを原子炉内でプルトニウムに転換する

日本で主に利用されている軽水炉には、「沸騰水形原子炉(BWR)」と「加圧水形原子炉(PWR)」の2種類があります。

沸騰水形原子炉(BWR)

BWR

原子炉内で水を沸騰させて蒸気を作り、タービンに送ります。

加圧水形原子炉(PWR)

PWR

原子炉内を高圧にして水の沸騰を防ぎ、高温、高圧の水を熱交換器に送って、外部の水を蒸気にします。

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