東北地方太平洋沖地震～原発は必要か否か8 核ｴﾈﾙｷﾞｰを利用した発電ｼｽﾃﾑの概観

2011-03-22

東北地方太平洋沖地震～原発は必要か否か8　核ｴﾈﾙｷﾞｰを利用した発電ｼｽﾃﾑの概観

今回の震災を機に、本ブログに入会させていただきましたmatuhide@worldです。会員の皆様、読者の皆様、よろしくお願いいたします m(_ _)m
管理人様と相談した結果、本ブログで以前扱われた『次代を担う、ｴﾈﾙｷﾞｰ・資源　１・２・３・４　』を要約・再編集する形で‘核ｴﾈﾙｷﾞｰを利用した発電ｼｽﾃﾑ’をテーマに、シリーズに参加させていただきます。

　原子力発電所はどうやって電気を作り出しているのか？

原子力というと、核反応ばかりに注目が行きがちですが、もっと単純化して実態構造をつかんでみます。
まず、交流電気は、何かのｴﾈﾙｷﾞｰを使ってﾀｰﾋﾞﾝという羽根車を回し、その羽根車が発電機を回すことによって作り出されます。例えば、火力発電なら石油で水を沸騰させて出来た蒸気で、水力発電なら落下する水で、羽根車を回しています。
そして原子力発電では、核分裂の際に発生する熱ｴﾈﾙｷﾞｰで水を沸騰させ水蒸気を作り、それで羽根車をまわしているのです。単純化すると、核分裂ｴﾈﾙｷﾞｰで大きなﾔｶﾝを沸騰させて、そこから出てくる蒸気で羽根車を回しているわけですね。

　原子炉に必要な要素って何？

まず、核分裂を起こすには中性子が必要です。何らかの方法で核燃料に中性子を当てると分裂し、その中から「熱」と「中性子」が飛び出します。飛び出した熱を電力として利用するには、発電機まで運び出す「熱搬送媒体（＝冷却材）」が必要です。
また、電力を継続的に生み出すには、この核分裂で飛び出た中性子を周囲の核燃料に当てて、連鎖的な核分裂（＝臨界状態）が必要です。そのためにはこの中性子の速度を落とす必要があり、この働きをするものを「減速材」と言います。
この「熱搬送媒体」と「減速材」が炉の構造に必要不可欠な要素ですが、いずれも軽水（普通の水）が使用されています　。

　

　暴走しやすい構造

燃料となる天然ウランのままでは核反応を起こさないので、炉に入れる前に大量のエネルギーをかけて濃縮させます。濃縮させた固形ウランを図のようにペレットと呼ばれる容器に核燃料を詰め、そのペレットが何層にもなって「燃料棒」につめられています。
一度炉内に燃料を入れたら、開け閉めはできません。従って、最初からあらかじめ使用する長期間分（２年分程度）の大量な燃料を入れておきます。
しかも、反応によって出てきた核反応生成物が反応効率を落としてしまうため、さらに余分に燃料を入れているのです。そのため、固体燃料炉は大規模なプラントになってしまいます。
一度に大量に核燃料を入れているので、一歩間違えて燃料を一瞬で反応させたら、それこそ原爆と一緒です。それでは困るので、反応によって出過ぎた中性子を奪い取る（＝周囲の原子に当てない）制御棒で中性子の量を調整しているのです。

　核反応後にどうしても“放射性”生成物が残ってしまう

核分裂を起こすｳﾗﾝ235は自然界における存在量は0.7%程度で、残りの99.3%はｳﾗﾝ238という同じｳﾗﾝの仲間ですが、そのままでは核分裂を起こさない物質です。これらの混在物が、核燃料の原料として採掘、精錬された上で、ｳﾗﾝ235を約3％まで濃縮することではじめて、核燃料として使用できるようになります。
つまり実際に使用するｳﾗﾝ核燃料とは、核分裂を起こしにくいｳﾗﾝ238を97%も含んだものなのです。かつ、質量がｴﾈﾙｷﾞｰになるのは大雑把には、3%のｳﾗﾝ235のうち、0.2/235の比率分だけですから、それ以外の物質は殆どが残ってしまいます。

原子力発電所の中で核燃料を反応させた後は、さまざまな放射性廃棄物が生成されます。ここで、質量がｴﾈﾙｷﾞｰに変わるのはほんのわずかですから、物質の殆どが放射性廃棄物として残ると考えていいでしょう。その中でも、図中の濃いﾌﾞﾙｰの部分がｴﾈﾙｷﾞｰに変わる核反応を起こします。それは、物質変化を伴う反応で多数の放射性物質になります。
このなかには『毒性が強い』『遮蔽が困難』など、人間にとって危険な元素に変わってしまったものもたくさんあります。また、核反応しやすいｳﾗﾝ235も未反応のまま残るものがあったり、反応しにくいｳﾗﾝ238がﾌﾟﾙﾄﾆｳﾑになってそのまま残るものがあったりします。
これらを含んだ放射性廃棄物を処理することが原発の前提ですが、大雑把には使った分だけ廃棄物は増え、石油の様に使えば炭酸ガスになって拡散していくことはありません。よって、現時点では発電に伴って放射性廃棄物は溜まっていく一方です。

　“水”も放射性物質に変わってしまう

固体燃料炉である「軽水炉」では、減水材に“普通の”水（＝軽水）が用いられています。
“水”は減速材としてとても優秀で、簡単に核分裂の連鎖反応を引き起こします。また冷却材とも兼用でき、安価であるということで一般的に多く用いられているのです。
ところで、私達は“水は核反応しない”と錯覚しがちですが、実は違います。
水中に含まれる僅かな不純物とも反応して放射性物質に変化しますし、水中の水素原子に中性子が入り込み、危険で強力なγ（ｶﾞﾝﾏ）線を放出する３重水素（トリチウム）に変化してしまう部分もあるのです。