Transcript PPTファイル - Biglobe

２１世紀の自然科学 『エネルギーと熱』
第４部
原子力エネルギー
正確に理解するための最小限の材料を提供し、私の意見は最後に話します。
物質の構成
元素（element）： 物質を構成する基本的要素の種類
水素，酸素，炭素，．．．カルシウム，．．．鉄，鉛，．．．ウラン，．．．
元素記号： H, O, C,… Ca,… Fe, Pb,… U,…
原子（atom）： 各元素の構造の最小単位
大きさ：
『 パチンコ玉 ： 鉄の原子 ＝ 地球 ： パチンコ玉 』
分子（molecule）： 様々な物質の構造の最小単位
いくつかの原子の結合したもの
化学反応（化学エネルギー）
分子を構成する原子の組み替えがおきる現象
水素分子 ＋ 酸素分子
水素原子
水の分子
酸素原子
炭素原子
メタン（天然ガス） ＋ 酸素
炭酸ガス ＋ 水
酸化反応： ほとんどの場合、発熱する。
燃焼（爆発） 激しく反応
『水素爆発』
鉄がさびる： これもゆっくりとした酸化反応 → ホカホカカイロ
燃料電池： 水素の酸化反応をゆっくりと起こさせ、電気エネルギーに変える。
原子の構造 （原子核と電子）
水素原子の原子核（陽子）
正の電気をもつ粒子
電子：
負の電気をもつ粒子
（電気量は符号はちがうが同じ大きさ）
電子は核の周りで広がった存在に近い。
原 子
原子 ： 原子核 ＝ 教室 ： パチンコ玉
電子はさらにその１０００分の１以下 （大きさも質量も）
原子核の構造
核子
陽子
ｐ
中性子
1 水素
1
4 ヘリウム
2
ｎ：
陽子と大きさ・質量は同じで電気的には中性
6
リチウム ．．．
3
核子の数 Ａ ： 質量数
陽子の数 Ｚ ： 原子番号
Ａ
Ｚ
16 酸素 ．．．
_8
Ｘ
23 ナトリウム
11
Ｘ＝元素記号
電子の数は陽子の数と同じ
陽子の数で電気量がきまり、周りを回っている電子の数も決まる。
→ 元素の化学的性質を決定する。
金属
原子核の周りにある電子のうち、外の方を回っている電子は原子
から離れやすい。
この性質をもつ原子が固体を作ると、これらの電子（自由電子）
が固体の中を自由に動き回れるようになり電流を運ぶ。
電流
電圧（発電機）
電気エネルギーの利用のほとんどはこの電流から出発する。
発熱作用（電熱器、光源）、 磁気作用（モーターなどの動力利用）
（電子そのものの利用： エレクトロニクス）
核融合エネルギー（太陽、水素爆弾）
（基本粒子）
宇宙の始まり
→
クォーク
物質粒子の形成（ハドロン）
→
陽子
電子
中性子
（レプトン）
陽子
クオーク
グルオン
陽子
（正の電気どおしでも結びつく）
最初にできる元素が 水素
自己重量
太陽などの恒星
重力によって凝縮されて陽子が密集すると結合する
ようになり、核融合反応がおき始める。
核融合反応：
水素など小さい原子核が融合して大きな核になっていく現象
銀河と星の誕生
ハ ド ロ ン
最初は 水素ガス が球状に集ってくる。
自己重力によって収縮し、水素原子が凝集して星ができ始める。
核融合
比較的軽い元素がぶつかって融合し、より大きな元素になる。
４
太陽（恒星）
1
1
4
2
Ｈ
Ｈｅ
＋
２e＋
『陽電子』 （正の電子）
水素爆弾
2
3
1Ｈ ＋ 1Ｈ
重水素 ３重水素
4
2
Ｈｅ
＋
ｎ
（普通の水素より中性子の数が多い）
重水素は天然（海水）に ０．０１５％ 存在
３重水素はリチウムから製造する：
6
3
Li
＋
ｎ
3
1
Ｈ
＋
4
2
Ｈｅ
超高温状態（プラズマ状態）でないと融合反応が起きない。
核融合反応のエネルギー
１ｇの水素 から、２．４×１０９ ｋJ ＝ ５．７×１０８ ｋｃａｌ
約１０００トンの水が沸騰（気化）する。
ｃｆ 水素の燃焼熱 （あるいは燃料電池）
＝ １ ｇ で 142 ｋJ （34 ｋｃａｌ）
＝ 核融合エネルギーの １７００万分の１
→ １７ トン 必要
『水素爆発』は？
原子炉の高熱と放射線により
水の分子が分解して発生した
水素ガスが燃えた化学反応
太陽の莫大なエネルギー源
人工的には、水素爆弾（制御する必要なし）として実現されたが、
制御可能な核融合炉は実現できていない。「人工の太陽」
原子力エネルギー（核エネルギー）の話
（はじめに）
核融合反応によってできる物質は鉄や鉛などの金属で安定
するが、さらに大きな元素は不安定。
また同じ元素でも中性子の数が異なる核（同位元素、アイソ
トープ）で不安定なものが存在する。
様々な放射線を出して崩壊し安定な核になる。（自然崩壊）
またわずかな刺激で分裂して小さい核になる。（核分裂）
理解に必要な基礎概念
（１）同位元素、自然崩壊、半減期
（２）放射線、放射能、放射性物質、（ベクレル、シーベルト）
（３）核分裂、原子炉、臨界（未臨界）、（増殖炉）．．．
同位元素（アイソトープ）
原子番号（陽子数）Zが同じで、質量数Aが異なるもの
（したがって中性子数が異なるもの）を 同位元素 という。
水素の仲間 ： ｐ 水素
炭素の仲間
ｐｎ 重水素
ｐｎｎ ３重水素
12
_6
13
_6
Ｃ
安定： 自然界で98.9%
Ｃ
比較的安定： 自然界で1.1%
14
_6
Ｃ
放射性同位体 ごく微量、半減期 ５７３０年
大気中
14
Ｎ
_7
14
_6 Ｃ
→
＋ ｎ（太陽宇宙線 ）
→
14
_7
Ｎ
＋
ｅ－
電子
14
Ｃ
_6
＋
ｐ
陽子
半減期
非放射性元素（窒素）
Ｒ（ｔ） ＝ Ｒ（０）×（0.5）ｔ／τ
自然崩壊に
よるC14の
比率の減少
（半減期 τ）
半減期
0
5730
11460
17190 年
放射線： 放射性物質から出る高速粒子線
α線
ヘリウム原子核
β線 電子であるが、高速（運動エネルギーの大きいもの）は人体に害を
＿＿＿ 及ぼす
γ線、X線
電磁波
（ガンマ）
細胞、遺伝子（染色体）を破壊する。
→ ガンを誘発。
逆にガン細胞をねらいうちすることで治療にも利用される。
（中性子線）
強いものを一時に浴びると危険であるが、半減期が短い。
質量が陽子とほぼ同じで、電気的には中性の粒子
半減期 ＝ １２分
ｎ →
ｐ ＋ ｅ （β線＝電子）
放射性物質
天 然： ラジウム、ラドン、ウラン 、．．．その他、微量な放射性同位体
原子炉廃棄物： ヨウ素131、セシウム137、ストロンチウム90などの放射性同位体
放射能の強さの表し方
ベクレル ＝ 放射線源の強さを表す
「光源の明るさ」
1秒間に1個の原子核が崩壊したとき出る量が1ベクレル
「ある放射性物質 1ｋｇ からこれこれの量 」 という形で放射量を表す。
グレイ ＝ 体が吸収した放射線量を表す。 （体重1kg
＿
＿＿＿＿＿＿ あたりで吸収した放射線のエネルギー総量）
「１時間あたりに これこれ」 という言い方で 強さ を表す。 「紙面の明るさ」
べクレル
吸収量
グレイ
（シーベルト）
離れるほど弱くなる。
（注意）
同じ強さ（ベクレル）の放射線源であっても、
（１） そこからどれだけ離れていたか、
（２） どれくらいの時間にわたって被曝したか、
（３） 出された放射線がどのような種類のものか、
によって体組織が受ける影響は違ってくる。
シーベルト： 放射線の種類や粒子の速さによって体組織に
与える効果が異なるため、定められた重率をかけて換算する。
（←これが 『各種貨幣の枚数と総額の関係』 のたとえ）
放射線の強さを表すときには 「１時間あたり○○シーベルト」
と言うのに対し、被曝による身体への影響は、これに被曝時間
をかけた被曝総量（シーベルト）で表す。
（例） Ｘ線（レントゲン）撮影による被曝
１回あたりの被曝総量は 0.2ミリシーベルト 程度（年間自然被曝量の 1/10 程度）
である。 放射線としてはかなり強いが被曝の時間が短いため、この程度になる。
内部被曝：
体内に入った放射性物質からは、離れるわけにはいかない！
例：汚染された野菜 ＝ 放射線源（ベクレル）
体が受ける放射線の強さ（時間あたりシーベルト）は、線源から
どれだけ離れているかによるが、放射能で汚染された野菜が食物
として体内に入った場合には、体外に出て
行くまでの時間の間に体の組織にどれだけ
影響を与えるかを考慮して、シーベルト
（被曝総量）に換算して表すことができる。
ただし、この場合でも、汚染された野菜なら
「何ｋｇ食べたら」、水や牛乳なら 「何リットル
飲んだら」 という形で線量を表す。
出された放射線（ベクレル）は
全部、体の組織を通過する。
１マイクロ＝１０００分の１ミリ
自然放射線量
通常でも空や大気、鉱物などから１年間で １～２ミリシーベルト
（1時間あたりにして 0.2マイクロシーベルト） 程度の放射線を
受けている。この平常値は国や都道府県によって異なるが、
事故における人為的被曝の危険性を判断する目安 になる。
自然内部被曝
38
19
12
_6
K
Ｃ
（通常時の食物による摂取）
の同位元素
の同位元素
40
19
14
_6
1kg の野菜（ほうれん草）で
Ｋ
0.01%，半減期 12.5億年、γ線
Ｃ
ごく微量 半減期 5700年
40
19
Ｋ
は 約200ベクレル
体重60kgの体内には 約3300ベクレル が恒常的に蓄積されている。
「半減期が短いものは安全なのか？」
No!
同じ量なら、出される放射量（時間あたり）は、むしろ強い。
比較的短い期間で非放射物質に変わるから、しばらく避難して
おれば安全になるということ。半減期が長いものは、いつまでも
放射を続ける。（除染が必要）
「ヨウ素剤について」
ヨウ素は体の中の必須元素の一つであり、体内に吸収され
やすい（特に甲状腺）。そこで、放射性のヨウ素131（半減期
＝８日）に曝される危険があるときは、あらかじめ安全な普
通のヨウ素を十分摂取して満杯にし、それ以上に吸収され
にくい状態にしておけばよい。
自然放射能 と 人工放射能
出される放射線の種類や危険性は同じであるが、自然界の
放射性物質は、人類、生物が何十万年もかけて耐性を得て
適応してきた。
これに対して原爆や原子炉で人為的に発生する放射性物質
は生物にとっては未体験の新たな物質であり、これに対する
耐性はできていない。
ヨウ素１３５やストロンチウム９０のように体に必要な元素の
放射性同位体やカルシウムに置き換わるものは、取り込ま
れ蓄積されやすいという危険性がある。
微量放射線の影響についてはまだ定説はない段階であるが、
以上の理由から人為的放射性物質はゼロ（ＮＤ）であること
が望ましいことは言うまでもない。
（原子力エネルギー）
質量数 Z の大きい元素は、比較的不安定
人工核分裂
→ 核分裂
１９３８ ハーン（独） ウランの分裂に成功
１９４１ フェルミ等（米） 連鎖反応に成功
１９４５ 広島、長崎に原子爆弾
陽子数 Z
中性子数 A－Z
例 ウランの仲間
濃縮
238
_92
Ｕ
99.3%
235
_92
Ｕ
0.7%
重い元素
安定
中性子が過剰 Ａ ＞ ２ Ｚ
放射性、半減期 ７億年
Ｃｆ 軽い元素
1
1
Ｈ
4
2
Ｈｅ
12
_6
Ｃ
14
_7
Ｎ
16
_8
Ｏ
Ａ＝２ Ｚ
ｐ と ｎ が同数
原子炉
ウラン 中性子
235
_92
Ｕ
＋
ｎ →
ストロンチウム
94
38
89_
36
Ｋｒ +
144
_56
Ｉ ，
＋
２ｎ
＋
３ｎ
バリウム
Ｂａ
ヨウ素
131
_53
発 電
キセノン
Sr ＋ 140
_54 Xe
クリプトン
連鎖
沸騰水型、加圧水型
（分裂による生成物）
セシウム
13７
_55
Ｃｓ
放射性廃棄物
熱中性子
熱
↑
二次冷却水
↑
熱交換
↑
→ 一次冷却水
ガンマ線
原子爆弾
連鎖反応： 発生した中性子を水で減速して再度燃料にぶつける
ことにより、次々に分裂反応が起きる。
物が燃える のも同じように連鎖反応である。
燃えるには気体になる必要がある。
可燃ガス になって燃える
蝋が融けて蒸発
熱
この連鎖を断てば、火は消える。
江戸の火消し ＝ 隣家の破壊作業
燃料を分散して隔離すればよい。
連鎖反応： 発生した中性子が再度ウランにぶつかる
ことにより、次々に分裂反応が起きる。
中性子
↓有効中性子（別のウランにぶつかる中性子）
臨界量 ： この有効中性子数が１以上になると、
連鎖反応が起きる。
（例えは悪いが、インフルエンザの流行に似ている。）
燃料の大きさがある限界を超えウラン原子が接近すると、
発生した中性子が、外へ出る前に別のウランにぶつかり、
連鎖反応が起きるようになる。
未臨界
制御棒
臨界
燃料棒
停止
炉
中性子
この密度ではまだ、連鎖反応は起きない。
臨界に達すると連鎖反応が始まる。
制御棒が中性子を吸収し、連鎖反応
が止まる。
（メルトダウン）
燃料棒はまだ熱い。（余熱＋放射性物質の崩壊）
せっかく未臨界になって停止しても、冷却機能が止まる
と燃料棒が熱により融けて大量に集まることにより
冷却水
蒸発
再び臨界に達して、連鎖反応が始まる。
注：天然にはＵ235はわずかの濃度でしか含まれない。
＿ 大部分を占めるＵ238は燃料にはならない。
高速増殖炉
水で減速して連鎖反応
通常の原子炉
Ｕ
235
_92
非燃料
238
_92
＋
ｎ →
放射性元素＋数倍の ｎ
一部は
Ｕ
＋
239
_93
ｎ → 239
_92 U
倍増！
23分
Ｐｕ
＋
239
_94
Np
β崩壊
残りは
239
_94
放射性プルトニウム
＝ 原子炉の生成物
ｎ → 分裂核種 ＋ ３ｎ
Ｐｕ
2.4日
従来は核兵器に使用
新たな燃料
１個あれば連鎖反応の臨界
減速しない高速中性子が必要： このため、一次熱交換に
液体ナトリウムを使う。（これが水に比べて危険物）
原子力エネルギーはどこから出てくる？
ｃｆ
化学反応（たとえば燃焼、酸化反応）
発熱
Ｈ ２Ｏ
Ｈ２
Ｈ２
化学エネルギーの差
Ｏ２
＞
化学エネルギー ＝ 分子のエネルギー
原子核ー原子核
原子核ー電子
電子ー電子
Ｈ ２Ｏ
Ｈ２分子
ー
の電気的位置エネルギー
（結合エネルギー）
＋
＋
ー
原子核反応のエネルギーは 質量（差） で表される。
核反応エネルギー ＝
光速
（原料の総質量 － 生成物の総質量）×ｃ２
『質量欠損』
ウラン
235
_92
Ｕ
＋
バリウム
ｎ →
144
_56
Ｂａ＋
クリプトン
89_
36
Ｋｒ
E = m c2
中性子
＋
３ｎ
(235.0439u + 1.0087u) – (140.9139u + 91.8973u + 3×1.0087u) = 0.2153u
1u = 普通の炭素原子の質量の1/12 = 1.66×10-27 kg
235.0439 ： 0.2153 ＝ 1 ： 0.00092
ウラン235 １ ｇ から 0.00092 ｇ の質量欠損
＝ 830億 J（ジュール）のエネルギー
( c = 3.0×108 m/s)
＝ 2 TOE （石油換算トン） ：化学的エネルギー
＝ 200億 カロリー ＝ 約40 トンの水が沸騰（気化） する。
日本国内の平均発電量 ＝ 約１．２ 億キロワット （＊）
（１秒あたりのエネルギー
生成あるいは消費量）
3600秒×24時間 倍して
１日あたり平均発電量 ＝ 101３ キロジュール
(消費量)
＝ 20万 TOE（～小型タンカー１隻に匹敵）
＝ ウラン235 １００ ｋｇ
（～サッカーボール大）
（＊）現在、日本国内の原子力依存度は 約２５％ と言われている。
原料 『イエローケーキ』
「放射能発生域」 （X線なども含む）
なぜ原発か？（設置者側の主張）
建設費用、ランニングコストが安い。
化石燃料の枯渇。
（最近の論調）
クリーン＝「ＣＯ２を出さない」
しかしぃ．．．．．使用済み燃料は？
いったん事故が起きると深刻な災害となる：
近隣住民の 「生存権」 の侵害が起きている。
国（＝国民）による費用負担 「決して安くない」
原発事故は最高級の公害・環境汚染
自然エネルギー（太陽光、風力など）は採算がとれないのか？