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原子力発電のしくみと安全性

原子力発電のしくみと安全性

原子力発電のしくみ

原子力発電は,原子炉の中でウランが核分裂する時に出る熱で水を沸かして蒸気を作り,その蒸気の力でタービンを回し,連結している発電機で電気を起こします。タービンを回し終えた蒸気は,復水器で冷やされて水に戻り,再び原子炉へ送られます。
水を沸かして蒸気に変えて,蒸気の力でタービンを回して発電するというしくみは原子力発電も火力発電も同じです。

図 火力発電と原子力発電のしくみ

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核分裂のしくみ

原子力発電の燃料はウランです。ウランには種類があって,核分裂しやすいもの(ウラン235)と,しにくいもの(ウラン238)があります。
天然ウランには,核分裂しやすいウラン235は,わずか0.7%しか含まれていません。

図 天然ウラン

すべての物質はたくさんの原子で構成されています。
原子は原子核と電子でできており,ちょうど太陽のまわりを地球や火星が回っているように,電子が原子核のまわりを回っています。
さらに原子核は,たくさんの陽子と中性子から構成されています。

<原子の構成>

図 原子の構成

ウラン235の原子核に中性子があたると,陽子と中性子を結びつける力が不安定になり核分裂が起きます。この時,膨大な熱エネルギーが発生し,同時に2~3個の中性子が放出されます。この中性子がまた他のウラン235を核分裂させるのです。次々とくり返されるこの反応を核分裂の連鎖反応といいます。原子力発電は,核分裂の連鎖反応を利用して蒸気をつくり発電しています。

<核分裂のしくみ>

図 核分裂のしくみ

この連鎖反応を継続的に起こし,発電に適した量の熱エネルギーを得るために,原子炉では,

  • 核分裂で発生した中性子のスピードを落として次の核分裂を起こしやすくする「減速材」
  • 核分裂が必要以上に起こらないように,余分な中性子を吸収する「制御棒」
  • 核分裂で発生した熱を取り出す「冷却材」(冷却材が水の場合,取り出した熱が,水蒸気の形で発電機のタービンを回す力になる)

を使用して,核分裂の速さや熱エネルギーの発生をコントロールしています。

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原子爆弾と原子力発電の違い

原子爆弾と原子力発電はどちらもウランを利用しています。しかし,この二つには大きな違いがあります。
原子爆弾は一度に大量のエネルギーを発生させるため,核分裂しやすいウラン235の割合を100%近くまで濃縮し,一瞬で核分裂させ爆発させます。

<原子爆弾の場合>

図 原子爆弾の場合

原子力発電は少しずつ長期間にわたってエネルギーを取り出すため,核分裂しやすいウラン235の割合を3~5%に濃縮し,核分裂を連鎖反応させます。また,中性子を吸収する制御棒で核分裂の調整を行います。

<原子力発電の場合>

図 原子力発電の場合

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自己制御性

日本の原子力発電の原子炉(軽水炉)は普通の水(軽水)を入れています。
水は核分裂によって発生した熱を取り出す冷却材としてだけでなく,減速材としての働きもあります。
核分裂によって発生する中性子の速度は非常に速いため,速度を遅くしてやると,次の核分裂が起こりやすくなります。この速度を遅くする役割を減速材である水が担います。
原子炉の出力が上昇すると,水が沸騰し蒸気になって気泡(アワ)となり,中性子は減速されにくくなります。その結果,核分裂を起こす速度の遅い中性子が減少するので,核分裂の連鎖反応が自然に抑制され,出力の上昇が抑えられます。

<原子炉固有の安全性(自己制御性)>

図 原子炉固有の安全性(自己制御性)

万が一何かの原因で核分裂の量が急に増えても,燃料の特質を利用し,自然に核分裂が抑えられて,設定した一定の出力に安定するような性質が備わっています。

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安全確保のしくみ

ウランが核分裂すると放射性物質(核分裂生成物)ができます。この放射性物質は,運転中だけでなく運転を止めた後も,放射線と熱を出し続けるため,徹底した安全確保の取り組みが必要です。このため,原子力発電所では,「多重防護」の考え方を徹底して取り入れ,何段階もの安全対策を講じています。

図 安全確保のしくみ
多重防護その1 運転中に異常を起こさない
多重防護その2 異常が起こっても事故へ拡大させない
多重防護その3 事故に発展しても放射性物質を異常に放出させない
原子力発電所の地震対策

原子力発電所の安全を守る基本は,原子炉を「止める」,「冷やす」,および放射性物質を「閉じ込める」ことです。これらに関連する施設は,設計,建設,運転の各段階において地震への対策を行っています。

<安全確保のための8つのポイント>

段階 対策 説明
設計段階における
安全性の確認
(1)徹底した調査 敷地の地質・地質構造はもとより,周辺部を含め活断層や過去に発生した地震等を詳細に調査
(2)極めてまれな地震動をも考慮した設計 極めてまれながら発生すると想定される水平方向と鉛直方向の2方向の地震動に対しても,安全上重要な機能は失われないような設計
(3)詳細な解析評価 信頼性の高い計算プログラムを用いて,想定した地震動が発生した時の重要な建物・機器等の複雑な揺れについて解析し,耐震安全性を詳細にチェック
(4)支持地盤及び周辺斜面の安全性を確認 耐震安全上重要な施設を設置する地盤が,地震に対して十分な支持力を有していることを試験や解析を実施して確認するとともに,想定される施設の周辺斜面の崩壊等によっても,原子炉施設の安全機能に重大な影響を与えないことを確認
(5)津波に対する安全性の確認 想定される津波について詳細な数値シミュレーション等を実施して施設の安全機能に重大な影響を与えないことを確認
建設,運転段階に
おける安全性の確保
(6)十分な支持性能をもつ地盤に建設 地震による揺れの振幅が小さく,十分な支持性能があり,すべりや有害な沈下等を生ずる恐れがない地盤に建設
(7)自動停止機能 一定以上の揺れを検出したときには,速やかに原子炉を自動停止させるシステムを装備
(8)振動台や加振機による耐震性の実証及び耐震限界の把握 振動台や加振機を用いて,実機や実機相当の試験体に設計を上回る地震力を加え,施設の耐震性の実証,設計裕度の把握,設備機能の維持及び解析に用いた計算プログラムの妥当性を確認

原子力安全・保安院パンフレット「原子力発電所耐震安全性」をもとに作成

東京電力福島第一原子力発電所では,地震と津波の影響により「冷やす」「閉じ込める」機能が失われ重大な事故に至りました。福島第一原子力発電所の事故を踏まえ,国は原子力発電所の規制の体制を見直すとともに事故の教訓等を反映した新たな規制基準を導入しました。
島根原子力発電所の安全対策についてはこちらでご確認ください。

特徴

  • 少ない燃料で大量のエネルギーを取り出せる
  • 発電の際,二酸化炭素(CO2)を排出しない
  • 発電コストに占める燃料費の割合が少ないので,火力発電に比べて燃料価格の変動による影響が少ない
  • 燃料をリサイクルできる
  • 放射性物質を扱うので十分な安全対策が必要

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