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知ってる?原子力発電所の仕組み。臨界ってどういうこと?

      2015/11/18

知ってる?原子力発電所の仕組み。臨界ってどういうこと?

知っているようで知らない原子力発電所の仕組み。

よく臨界という言葉を聞きますが、どういう意味なのでしょうか?

そこで今回は原子力発電所の仕組みについてまとめました。

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原子力発電所の仕組みは?

原子力発電所とは、核分裂反応に伴って発生する熱を電気に変える発電施設です。

”熱を電気に変える”という点では、火力発電と同じで、どんな熱を使うかというところが異なります。

原子力発電では、原子炉の中で特殊な鉱物「ウラン」を核分裂させて熱を発生させます。

このとき発生する熱がきわめて莫大であることから、原子力は、枯渇が懸念される化石燃料に代わる、次世代のエネルギーとして期待されてきました。

原子力は、莫大なエネルギーを生み出し、かつ火力発電のように(運転中は)二酸化炭素も排出しなければ、水力発電ほど大規模な自然破壊も行いません。

まさに夢のエネルギーです。

しかし、問題点も数多くあります。

まずは、原子力発電の「燃料」となるウランもまた、天然の鉱物資源であり、その枯渇はいずれ問題になるということです。

そして何よりも問題なのは、核分裂したウランは放射性物質という人間や動植物にとってきわめて有害な物質に変わるということです。

かつその放射性物質は何十年から何億年というスケールで有害であり続け、現在のところ人間の力ではそれを無害にすることができないのです。

すなわち、何十年から何億年という想像もできない時間で、後世に「つけ」を残すことになるのです。

引用元-原子力発電の超入門

原子力発電所の仕組み~臨界って?

原子力発電の燃料はウランという物質です。

この物質は壊れやすくて、違う元素に化けちゃいます(核分裂反応)。

例えば、ウラン235に中性子というのがコツンとぶつかると、ヨウ素とかセシウムとかストロンチウムとかイットリウムとかという元素にパカっと分かれるわけです。

その時に、中性子を幾つかと、大量の熱を出します。

この熱でお湯を沸かしてタービン(水車のようなもの)を回して発電します。

さて、この核分裂で出来た中性子は、普通はどっかに飛んでってそれでおしまい。

ですが、もしも近くにウラン235があると、またコツンといって分裂します。

するとまた幾つか中性子を出す。

するとまた近くにウランがあれば、ぶつかってまた中性子を出す。

どんどんこれが連鎖してずっと核分裂反応が継続する状態が「臨界」です。

引用元-文系にも判る用語解説6)原子力発電の仕組みと「臨界」|こちら青澤新聞社

普通の原子力発電は、核燃料に3%ほど含まれるウラン235の原子が核分裂を起こすときに出る大きな熱を使っている。

1グラムのウラン235が出すエネルギーは、石炭なら3トン分、石油なら2千リットル分に匹敵する膨大なものだ。

 核分裂は、原子の中心にある原子核が分裂すること。原子核は、中性子と陽子という2種類の粒子からできている。

 ウラン235に、外からきた中性子がぶつかると、小さな原子核に分かれて新しい中性子と熱エネルギーを出す。

飛び出した中性子は、さらに近くのウラン235の原子核にぶつかり、核分裂が次々と起きて、大きな熱エネルギーを生み出す。

 核分裂を繰り返し、熱を出し続ける状態を「臨界」といい、発電をしているときはこの状態が保たれている。

引用元-asahi.com(朝日新聞社):燃料の「崩壊熱」止まらず 原発、核分裂は制御 – 東日本大震災

原子力発電所の仕組み~臨界を制御するには?

臨界状態は、核分裂反応が連鎖的に起きていることです。

原子力発電においては核分裂反応が制御できなければまずいわけです。

開始、持続(臨界状態)、終了とコントロールする必要があります。

これは、原子炉によって核分裂反応は制御されています。

核分裂で加熱された原子炉はものすごい高熱です。

冷却水を使わなければ、この装置は壊れてしまいます。

何らかの手段で原子炉を冷やしていかなければなりません。

あと注目してほしいのが制御棒です。

引用元-原発問題をわかりやすく‼賛成?反対?原子力発電の仕組み | 最新情報強者ブログ

制御棒は、その名の通り核分裂を制御します。

どのように制御するのかというと核分裂で発生した中性子を吸収することで制御しています。

引用元-原発問題をわかりやすく‼賛成?反対?原子力発電の仕組み | 最新情報強者ブログ

原子力発電所の仕組み~再臨界とは?

原子力発電の燃料に使われているウランは、その中心にある原子核に中性子という粒子があたると2つに割れ(核分裂)、熱エネルギーと数個の中性子を出します。

この中性子が別のウランにあたることで連続して核分裂が起こります。

原子力発電所では、中性子を吸収する性質をもつ制御棒などを使って、一定の数の核分裂が続く状態(臨界)にコントロールしながら、熱エネルギーを取り出して発電に利用しています。

再臨界とは、臨界状態の原子炉が停止するなどして、核分裂が止まる未臨界状態になった後に、再び臨界状態になることです。

事故後の福島第一原子力発電所では、溶けたウラン燃料が原子炉の底などに落ちて固まっていると考えられますが、制御棒から溶け出した中性子を吸収する物質も混ざっていると考えられています。

なお、現在も再臨界を防ぐため、中性子を吸収するホウ酸を水と一緒に原子炉内へ注入する作業が続けられています。

引用元-東京電力(株)・福島第一原子力発電所事故

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。

出力の調整は制御棒の位置調整と、再循環量の調整で行われます。

再循環量とは、原子炉の冷却材を循環させるポンプの流量のことで、再循環量が増加すると原子炉内の気泡が減少するため、高速中性子を効果的に減速できるようになり出力が増加します。

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。

出力の調整は制御棒の位置調整と、冷却水のホウ素濃度調整で行われます。

ホウ素は中性子吸収効果の大きい物質であるため、ホウ素濃度が増加すると核分裂に利用される中性子が減少し、原子炉出力が低下します。

引用元-原子力発電の仕組み 電気☆入門 電気主任技術者・電気工事士・エネルギー管理士・技術士等の資格試験と電気技術情報サイト

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