電験三種 学習ノート

はじめに

原子力発電のエネルギーは、どこから湧いてくるのか

蒸気でタービンを回すのは同じ。熱の出どころが違う

ウラン1gの熱は、重油に換算すると2t近く

親指の先ほどの燃料で、家庭が何年も使える電気

核分裂から原子炉の2つの形まで、順に学ぶ

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「原子力発電って、ものすごいエネルギーが出るらしいけど、どこからそんな力が湧いてくるの？」

前回の記事では、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル発電と、排ガスの環境対策について学びました。火力発電は、燃料を燃やした熱で蒸気をつくり、タービンを回すしくみでした。

原子力発電所も、実は「蒸気でタービンを回す」ところは火力発電とほとんど同じです。違うのは、蒸気をつくる熱の出どころです。燃料を燃やすのではなく、ウランの原子核が割れるときに出る熱を使います。

実は、その熱の量はけた違いです。ウラン 1g が核分裂で出す熱は、重油に換算すると 2t 近くにもなります。親指の先ほどの燃料で、家庭が何年も使えるほどの電気をつくれるのです。

そこで登場するのが、今回の主役 核分裂 と、それを安全に続けさせる装置である 原子炉 です。

今回の記事では、核分裂と質量欠損、連鎖反応と原子炉をつくる減速材・冷却材・制御棒、そして日本で使われている沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉について解説します。

核分裂と質量欠損：小さな質量から大きなエネルギー

原子核は、陽子と中性子が集まってできている

ウラン235は中性子を吸収して割れ、中性子を2〜3個出す

ふちまで注いだグラスに、最後の1滴を落とすイメージ

1回は約200MeVでも、1gには原子核が約2.6×10²¹個

核分裂のあとは、質量がほんのわずかに軽くなる

減った質量×光の速さの2乗がエネルギーになる

1gがすべて変わると9×10¹³J。わずかな質量で莫大

1gの0.09％で22,500kWh。重油なら約1,840kg

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はじめに、核分裂と質量欠損について紹介します。

すべての物質は原子でできていて、原子の中心には原子核があります。原子核は、プラスの電気を持つ陽子と、電気を持たない 中性子 が集まってできています。

1. 核分裂

ウランの仲間のうち、ウラン 235 という種類の原子核は、中性子を 1 個吸収すると不安定になり、2 つの原子核に割れます。この現象を 核分裂 と呼びます。割れるときに、大きなエネルギーと、新しい中性子が 2〜3 個飛び出します。

水を張ったグラスのふちぎりぎりまで水を注ぐと、最後の 1 滴であふれ出します。ウラン 235 の原子核も、中性子 1 個という「最後の 1 滴」を受け取ると、こらえきれずに割れてしまうイメージです。

核分裂 1 回で出るエネルギーは約 200MeV（ジュールに直すと約 $3.2 \times 10^{-11}$ J）です。1 回ぶんはとても小さい値ですが、1g のウランの中には、原子核がおよそ $2.6 \times 10^{21}$ 個も入っています。

2. 質量欠損

核分裂のエネルギーは、どこから来るのでしょうか？ 答えは「質量」です。核分裂のあとの原子核や中性子の質量を全部足すと、核分裂の前より、ほんのわずかに軽くなっています。この減った質量を 質量欠損 と呼びます。

減った質量は、消えてなくなったのではなく、エネルギーに変わったのです。質量とエネルギーの関係は、次の式で表されます。

$$E = m c^2$$

$E$ がエネルギー［J］、$m$ が質量欠損［kg］、$c$ が光の速さ（約 $3 \times 10^{8}$ m/s）です。言葉で言うと、「減った質量 × 光の速さの 2 乗」のエネルギーが出てきます。

光の速さの 2 乗は $9 \times 10^{16}$ という、とてつもなく大きな数です。そのため、ほんのわずかな質量でも、莫大なエネルギーになります。例えば、1g（$1 \times 10^{-3}$ kg）の質量がすべてエネルギーに変わると、$1 \times 10^{-3} \times 9 \times 10^{16} = 9 \times 10^{13}$ J です。

例題：ウランの核分裂で出るエネルギー

ウラン 235 を 1g 核分裂させたとき、質量欠損が 0.09％ であるとする。発生するエネルギーは何 kWh か。また、発熱量 44,000kJ/kg の重油に換算すると何 kg にあたるか。ただし、光の速さを $3 \times 10^{8}$ m/s とする。

【解き方】

1. 質量を kg に直す： 1g = $1 \times 10^{-3}$ kg
2. 質量欠損を求める： $1 \times 10^{-3} \times 0.0009 = 9 \times 10^{-7}$ kg
3. エネルギーを求める： $9 \times 10^{-7} \times (3 \times 10^{8})^2 = 8.1 \times 10^{10}$ J
4. kWh に直す（1kWh = $3.6 \times 10^{6}$ J）： $8.1 \times 10^{10} \div 3.6 \times 10^{6} = 22{,}500$ kWh
5. 重油に換算する（44,000kJ/kg = $4.4 \times 10^{7}$ J/kg）： $8.1 \times 10^{10} \div 4.4 \times 10^{7} \fallingdotseq 1841$ kg

答えは 22,500kWh、重油に換算すると約 1,840kg（約 1.8t）です。

試験のポイント：質量欠損の計算では、g を kg に、％ を小数に直してから $E = mc^2$ に入れます。kWh に直すときは $3.6 \times 10^{6}$ で割ります。

このように、核分裂ではウラン 235 の原子核が割れて質量がわずかに減り、その質量欠損が $E = mc^2$ の莫大なエネルギーに変わります。

以上が、核分裂と質量欠損についてです。

連鎖反応と原子炉の構成：減速材・冷却材・制御棒

飛び出した中性子が、次の核分裂を起こしてくり返す

1枚が2〜3枚を倒そうとするので、どんどん増える

次の核分裂がちょうど1回ずつ起きる状態が臨界

ウラン235を3〜5％に高め、ペレットにして管に詰める

減速材の軽い原子核にぶつかり、中性子は遅くなる

同じ重さの球どうしがぶつかると、勢いがよく移る

冷却材は燃料の熱を運び出し、その熱で蒸気をつくる

制御棒を差し込むと中性子が吸い取られ、核分裂が減る

倒れてくるドミノを受け止める板を、ところどころに立てる

燃料・減速材・冷却材・制御棒の役割と材料

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次に、連鎖反応と原子炉の構成について紹介します。

1. 連鎖反応と臨界

核分裂で飛び出した 2〜3 個の中性子が、別のウラン 235 にぶつかると、また核分裂が起きます。これがくり返される現象を 連鎖反応 と呼びます。

ドミノ倒しにたとえると分かりやすいです。1 枚が倒れると、次の 1 枚を倒します。ただし、核分裂では 1 枚が 2〜3 枚を倒そうとするので、放っておくと倒れる数がどんどん増えてしまいます。

原子炉では、1 回の核分裂から、次の核分裂がちょうど 1 回だけ起きるように調整します。こうして核分裂の数が一定に保たれている状態を 臨界 と呼びます。発電所は、この臨界の状態で一定の熱を出し続けます。

2. 燃料

天然のウランには、核分裂しやすいウラン 235 が約 0.7％ しか含まれていません。残りは核分裂しにくいウラン 238 です。そこで、ウラン 235 の割合を 3〜5％ ほどに高めた低濃縮ウランを、焼き固めた小さな粒（ペレット）にして、金属の管に詰めて使います。

3. 減速材

核分裂で飛び出した中性子は、とても速く飛んでいます。ところが、ウラン 235 は、ゆっくり飛ぶ中性子（熱中性子）のほうをずっと吸収しやすいのです。

そこで、中性子の速さを落とす 減速材 を使います。中性子は、減速材の軽い原子核と何度もぶつかるうちに、だんだん遅くなります。ビリヤードで、同じ重さの球どうしがぶつかると勢いがよく移るのと同じです。減速材には、軽水（ふつうの水）・重水・黒鉛が使われます。

4. 冷却材

冷却材 は、燃料で生まれた熱を原子炉の外へ運び出す物質です。燃料を冷やして守るとともに、その熱で蒸気をつくります。冷却材には、軽水・重水・炭酸ガス・液体ナトリウムなどがあります。

5. 制御棒

制御棒 は、中性子をよく吸収する材料でできた棒です。原子炉に深く差し込むと中性子が吸い取られて核分裂が減り、引き抜くと核分裂が増えます。材料には、ほう素・カドミウム・ハフニウムなどが使われます。

ドミノの列のところどころに、倒れてきたドミノを受け止める板を立てるイメージです。板の数で、倒れる勢いを調整します。緊急のときは、制御棒を一気に全部差し込んで核分裂を止めます。

【原子炉の構成要素と役割】

• 燃料： 核分裂を起こし、熱を出す（低濃縮ウラン）
• 減速材： 中性子の速さを落とし、核分裂を起こしやすくする（軽水・重水・黒鉛）
• 冷却材： 熱を運び出す（軽水・重水・炭酸ガス・液体ナトリウム）
• 制御棒： 中性子を吸収し、核分裂の数を調整する（ほう素・カドミウム・ハフニウム）

試験のポイント：減速材は中性子を「遅くする」もの、制御棒は中性子を「吸収する」ものです。役割と材料の組合せを取り違えないようにしましょう。

このように、原子炉は、減速材で中性子を遅くして連鎖反応を起こしやすくし、制御棒で中性子を吸収して臨界に保ち、冷却材で熱を運び出します。

以上が、連鎖反応と原子炉の構成についてです。

沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉：軽水炉の 2 つの形

軽水炉は、ふつうの水を減速材と冷却材の両方に使う

沸騰水型は炉の中で沸騰させ、蒸気を直接タービンへ

蒸気発生器はいらないが、タービン側にも放射線の対策

再循環流量を増やすとボイドが減り、出力が上がる

加圧水型は約15MPaで沸騰させず、蒸気発生器で蒸気に

圧力鍋の熱いお湯で、別の鍋の水を沸かすイメージ

ほう素の濃さと、上から差し込む制御棒で出力を調整

軽水炉の蒸気は火力より低温・低圧で、熱効率は約33％

タービンは大きく、4極で1500または1800min⁻¹

熱出力3,000MW・熱効率33％なら、電気出力は990MW

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最後に、沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉について紹介します。

日本の原子力発電所で使われている原子炉は、ふつうの水（軽水）を減速材と冷却材の両方に使う 軽水炉 です。軽水炉には、蒸気のつくり方の違いで 2 つの形があります。

1. 沸騰水型原子炉

沸騰水型原子炉（BWR）は、原子炉の中で冷却材の水を直接沸騰させ、できた蒸気をそのままタービンへ送る方式です。原子炉の中の圧力は約 7MPa です。

原子炉そのものが、ボイラの役目を果たしているイメージです。しくみが簡単で、蒸気発生器がいりません。一方で、原子炉を通った蒸気がタービンまで行くので、タービン側にも放射線の対策が必要です。

出力の調整は、制御棒のほか、原子炉の中を流れる水の量（再循環流量）を変えて行います。水の量を増やすと、炉心の中の泡（ボイド）が減って減速がよく効き、出力が上がります。制御棒は、原子炉の下から差し込みます。

2. 加圧水型原子炉

加圧水型原子炉（PWR）は、原子炉の中の水に約 15MPa もの高い圧力をかけ、300℃ を超えても沸騰しないようにする方式です。圧力を保つ装置を加圧器と呼びます。

原子炉で熱くなった水（一次冷却材）は、蒸気発生器 へ送られ、別の通り道を流れる水（二次冷却材）を沸騰させます。タービンを回すのは、この二次側の蒸気です。

圧力鍋を思い浮かべてください。圧力をかけると、水は 100℃ を超えても沸騰しません。その熱いお湯で、別の鍋の水を沸かすようなイメージです。一次側と二次側が分かれているので、タービン側には放射性物質を含む水が回りません。

出力の調整は、制御棒のほか、一次冷却材に溶かしたほう素の濃さを変えて行います。制御棒は、原子炉の上から差し込みます。

【沸騰水型と加圧水型の違い】

• 沸騰水型： 原子炉の中で沸騰させる。蒸気発生器なし。再循環流量と制御棒で出力を調整
• 加圧水型： 高い圧力で沸騰させない。蒸気発生器で二次側の蒸気をつくる。ほう素の濃さと制御棒で出力を調整

3. 火力発電との違い

軽水炉の蒸気は、温度が 280℃ 前後、圧力が 6〜7MPa ほどで、火力発電の 600℃ 前後・約 25MPa に比べて低めです。そのため、熱効率は約 33％ と、火力発電より低くなります。同じ電気をつくるのに多くの蒸気が必要なので、タービンは大きく、4 極の発電機と組み合わせて 1500 または 1800min⁻¹ でゆっくり回します。

具体的に計算してみましょう。原子炉の熱出力が 3,000MW、熱効率が 33％ なら、電気出力は 3,000 × 0.33 = 990MW です。残りの 2,010MW の多くは、復水器から海へ捨てられます。

補足（ここは読み飛ばしてOK）： 軽水炉には、温度が上がったり泡が増えたりすると、核分裂が自然に減る性質があります。出力が上がりすぎても、ひとりでにブレーキがかかる方向にはたらくのです。

このように、軽水炉には原子炉の中で沸騰させる沸騰水型と、高い圧力で沸騰させずに蒸気発生器で蒸気をつくる加圧水型があり、どちらも火力発電より低い温度・圧力の蒸気でタービンを回します。

以上が、沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉についてです。

今回のまとめ

ウラン235は熱中性子を吸収して割れ、中性子を2〜3個出す

エネルギーは質量欠損から生まれ、E = mc²で求める

減速材で遅くし、制御棒で吸収して臨界に保つ

沸騰水型は炉の中で沸騰、加圧水型は蒸気発生器で蒸気に

軽水炉の蒸気は火力より低温・低圧で、熱効率は約33％

キーワードは核分裂・質量欠損・連鎖反応・制御棒など

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、原子力発電について紹介しました。ウラン 235 の核分裂では、ほんのわずかな質量欠損が莫大なエネルギーに変わります。原子炉は、減速材・冷却材・制御棒で連鎖反応を臨界に保ち、その熱で蒸気をつくってタービンを回しています。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• ウラン 235 は熱中性子を吸収して核分裂し、エネルギーと 2〜3 個の中性子を出す。
• エネルギーは質量欠損から生まれ、$E = mc^2$ で求める。
• 連鎖反応を臨界に保つため、減速材で中性子を遅くし、制御棒で中性子を吸収する。冷却材は熱を運ぶ。
• 沸騰水型は原子炉の中で沸騰させ、加圧水型は高圧で沸騰させずに蒸気発生器で蒸気をつくる。
• 軽水炉の蒸気は火力より低温・低圧で、熱効率は約 33％。

キーワードのおさらい

• 核分裂: 重い原子核が中性子を吸収して 2 つに割れ、エネルギーと中性子を出す現象
• 質量欠損: 核分裂などの前後で減った質量。$E = mc^2$ のエネルギーに変わる
• 連鎖反応: 核分裂で出た中性子が次の核分裂を起こし、反応がくり返される現象
• 減速材: 中性子の速さを落とし、核分裂を起こしやすくする物質。軽水・重水・黒鉛など
• 冷却材: 原子炉で生まれた熱を外へ運び出す物質。軽水・重水・炭酸ガス・液体ナトリウムなど
• 制御棒: 中性子を吸収して核分裂の数を調整する棒。ほう素・カドミウム・ハフニウムなど
• 沸騰水型原子炉: 原子炉の中で水を沸騰させ、その蒸気で直接タービンを回す軽水炉
• 加圧水型原子炉: 高い圧力で水を沸騰させず、蒸気発生器で二次側の蒸気をつくる軽水炉

以上が、今回のまとめです。

さて、ここまでの発電は、どれも燃料を使って蒸気をつくるものでした。では、太陽の光や風の力のように、燃料のいらないエネルギーからは、どうやって電気をつくるのでしょうか？

次回は、太陽光・風力などの「再生可能エネルギー」と、電気をためる蓄電池や蓄電所について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。