2010年01月23日
『次代を担う、ｴﾈﾙｷﾞｰ・資源』 ﾄﾘｳﾑ原子力発電１ 核ｴﾈﾙｷﾞｰを利用した発電ｼｽﾃﾑを概観する1/2
画像は磁性の裏にひそむ極小磁石さんよりお借りしました。
『次代を担う、ｴﾈﾙｷﾞｰ・資源』 ﾌﾟﾛﾛｰｸﾞでは、
しかしながら、現在の工業化・マクロ化した状況では、一足飛びには行かないでしょうから、ｴﾈﾙｷﾞｰ・資源の自給を最大の課題にして、『二階建てのｴﾈﾙｷﾞｰ・資源供給方式』を模索して行く必要がある。
そこで、
一階：ﾍﾞｰｽの全国共通のｴﾈﾙｷﾞｰ・資源 二階：地域毎の特性を生かしたｴﾈﾙｷﾞｰ・資源
で、『次代を担う、ｴﾈﾙｷﾞｰ・資源』を追究していきます。
のように、2階建てのｴﾈﾙｷﾞｰ追求を考えています。その中で、今回は、その1階のﾍﾞｰｽとなる全国共通のｴﾈﾙｷﾞｰ・資源のうち、ﾄﾘｳﾑ原子力発電を連載します。その際の問題意識としては、
【一階（ﾍﾞｰｽ）】の可能性として、
○ﾄﾘｳﾑ原子力発電
・ 実現性、ｴﾈﾙｷﾞｰ量から可能性は高く、ｳﾗﾝと違い安全と言われるが、原子力ｴﾈﾙｷﾞｰに変わりなく、自然の摂理に反する抵抗感はあるが。。。 ・ ｳﾗﾝと同じように日本はﾄﾘｳﾑを自給できない問題は？ ・ 廃棄物の問題は？
のようになります。これらが事実としてどうなのかが最終的には求められます。
そこで2回に分けて、ﾄﾘｳﾑ原子力発電を含めた、核ｴﾈﾙｷﾞｰを利用した発電ｼｽﾃﾑを概観すると同時に、調査課題を抽出していきたいと思います。その後、調査課題を、ﾃｰﾏごとにｱｯﾌﾟしていきます。
ﾄﾘｳﾑ溶融塩炉という原子力発電ｼｽﾃﾑが、新しいｴﾈﾙｷﾞｰの候補として紹介されるようになってきました。日本では、古川博士の著書『「原発」革命』に具体的な内容が紹介されています。しかしこれらは、目に見えない領域を観念で捉える必要があることから、なかなか理解しにくい状況にあります。
それゆえに、このｼｽﾃﾑの可能性の判断には困難がつきまといます。そこで、今後の分析の焦点を合わせるためにも、まずは聞きなれないﾄﾘｳﾑ原子力発電は、今までの原子力発電とどう違うのか？についての大きな概要を先に説明します。
1.ﾄﾘｳﾑ溶融塩炉ってなんだろう？
古川博士の提唱する『ﾄﾘｳﾑ溶融塩炉』という言葉は、『ﾄﾘｳﾑ』という核燃料となる物質名と『溶融塩炉』という、原子炉の構造種別（これはﾄﾘｳﾑと直接関連する概念ではありません）の二つの概念の組み合わせになっています。
☆核燃料としての『ﾄﾘｳﾑ』
核燃料を、今まで使われていたｳﾗﾝからﾄﾘｳﾑという物質に替えて原子炉をつくります。また、核燃料としてﾄﾘｳﾑをそのまま利用するのではなく、ﾄﾘｳﾑを核化学処理し、ｳﾗﾝに変換してから使用します。つまり、核分裂を利用した原子力発電という概念ﾚﾍﾞﾙでは、従来の原子力発電もﾄﾘｳﾑ原発も変わりません。
☆炉の構造形式としての『溶融塩炉』
溶融塩炉とは炉の構造種別を指します。現在稼動中の原子力発電所は、世界中どこでも全て固体燃料を使用しています。これを、この構造種別を固体燃料型炉と呼ぶとすると、溶融塩炉とは、液体化された核物質含有燃料を利用した原子炉であるため、この構造種別は液体燃料型炉と呼ぶことが出来ます。
また、『軽水炉』『高速増殖炉』などの名称は、固体燃料型や液体燃料型という構造種別の下の小分類ということになります。ただし、現在稼動中のものは固体燃料型が全てなので、『軽水炉』『高速増殖炉』は固体燃料型の小分類を表していることになります。
ここで、古川博士の著書『「原発」革命』の中の主張をまとめると、
次に、溶融塩を非常に大雑把に解説します。まず、『塩（えん）』とは、酸とｱﾙｶﾘを反応させたときに出来るほぼ中性の結晶のことを指します。そして、溶融塩というのは、常温で固体（結晶）の『塩（えん）』を、高温で液体にしたものです。
今回の塩とは種類が違いますが、例えば食塩（NaCl）を（水を入れないで）加熱すると固体が溶けて液体になります。このように、高温で液体になったある種の溶融塩の中に、核燃料を入れた液体循環型の核化学反応装置の構造を溶融塩炉といいます。
2.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
このようにｼｽﾃﾑとしては単純なものですが、原子力発電というとなにか複雑で、素人にはわかりにくいという先入観があります。しかしそれは、ｼｽﾃﾑ全体の話ではなく、熱ｴﾈﾙｷﾞｰを発生させる核化学反応の部分に原因があるのです。
3.熱ｴﾈﾙｷﾞｰを発生させる核反応とはどんなものだろう？
石油は燃えると熱を出します。これも化学反応ですが、原子（や分子）の組み合わせが変わるだけで、原子そのものが変化するわけではありません。それに対して核分裂などの核化学反応では、原子そのものが変化します。
原子が変化することを身近な物質でいうと、もともと窒素だったものが炭素になるとか、金が水銀になるというような反応です。ここで重要なのは、ある元素は他の元素に変わる可能性があり、永久に炭素は炭素、金は金のままのように、固定されているわけではないということです。
しかし、経験的には、窒素が別の物質である炭素になるようなことを目撃したことはないと思います。それは、ある特殊な条件がないと原子は変化しないからです。その条件としては、原子自身が大きなｴﾈﾙｷﾞｰを保有しているか、外部から大きなｴﾈﾙｷﾞｰを加えられているかで、不安定状況になっていることです。
そのような原子は、安定状態（＝低いｴﾈﾙｷﾞｰの状態）に戻るために、ｴﾈﾙｷﾞｰを放出したり、安定した複数の原子になるためにｴﾈﾙｷﾞｰを放出しながら、核分裂を起こしたりします。ここで、核分裂とは、例えばｳﾗﾝという元素が、ﾊﾞﾘｳﾑとｸﾘﾌﾟﾄﾝという２種類の元素と放射線に変化することを言います。
そして核反応の前後で、元素の質量が減ります。例えばｳﾗﾝ235は、ﾊﾞﾘｳﾑやｸﾘﾌﾟﾄﾝと中性子2個になり、本来235あったものが、234.8程度になります。この約0.2の質量分がｴﾈﾙｷﾞｰに変わります。これは、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの発見した、質量はｴﾈﾙｷﾞｰに変換でき、そのｴﾈﾙｷﾞｰ量は、質量×光速の二乗であるという理論に基づき計算できます。
これの意味するところは、質量とはｴﾈﾙｷﾞｰの一種であるということです。だから、質量が消滅した分ｴﾈﾙｷﾞｰになるということです。そして、それが光速の二乗という極めて大きな数に比例するため、他の化学反応のﾚﾍﾞﾙをはるかに超えたｴﾈﾙｷﾞｰが取り出せるのです。
ここで、eVはｴﾚｸﾄﾝﾎﾞﾙﾄというｴﾈﾙｷﾞｰの単位です。MeVはﾒｶﾞｴﾚｸﾄﾛﾝﾎﾞﾙﾄといいい、基礎となる単位の106（＝百万）倍のことです。ここでは、eVという単位より、この倍数に注目してください。
ちなみに石油を燃やすというのは、通常の酸化という化学反応なのでeVﾚﾍﾞﾙになります。それに対して、このように大きなｴﾈﾙｷﾞｰを取り出せる可能性が、原子力発電（や核融合炉）の開発動機のひとつになっています。
（つづく）
それゆえに、このｼｽﾃﾑの可能性の判断には困難がつきまといます。そこで、今後の分析の焦点を合わせるためにも、まずは聞きなれないﾄﾘｳﾑ原子力発電は、今までの原子力発電とどう違うのか？についての大きな概要を先に説明します。
1.ﾄﾘｳﾑ溶融塩炉ってなんだろう？
古川博士の提唱する『ﾄﾘｳﾑ溶融塩炉』という言葉は、『ﾄﾘｳﾑ』という核燃料となる物質名と『溶融塩炉』という、原子炉の構造種別（これはﾄﾘｳﾑと直接関連する概念ではありません）の二つの概念の組み合わせになっています。
☆核燃料としての『ﾄﾘｳﾑ』
核燃料を、今まで使われていたｳﾗﾝからﾄﾘｳﾑという物質に替えて原子炉をつくります。また、核燃料としてﾄﾘｳﾑをそのまま利用するのではなく、ﾄﾘｳﾑを核化学処理し、ｳﾗﾝに変換してから使用します。つまり、核分裂を利用した原子力発電という概念ﾚﾍﾞﾙでは、従来の原子力発電もﾄﾘｳﾑ原発も変わりません。
☆炉の構造形式としての『溶融塩炉』
溶融塩炉とは炉の構造種別を指します。現在稼動中の原子力発電所は、世界中どこでも全て固体燃料を使用しています。これを、この構造種別を固体燃料型炉と呼ぶとすると、溶融塩炉とは、液体化された核物質含有燃料を利用した原子炉であるため、この構造種別は液体燃料型炉と呼ぶことが出来ます。液体燃料型の事例【ﾄﾘｳﾑ溶融塩炉】
画像はNPO「トリウム熔融塩国際フォーラム」さんよりお借りしました。
また、『軽水炉』『高速増殖炉』などの名称は、固体燃料型や液体燃料型という構造種別の下の小分類ということになります。ただし、現在稼動中のものは固体燃料型が全てなので、『軽水炉』『高速増殖炉』は固体燃料型の小分類を表していることになります。固体燃料型の事例【ウラン原子炉（沸騰水型）】
画像は「あとみん(原子力・エネルギー教育支援情報提供サイト)」さんよりお借りしました。
ここで、古川博士の著書『「原発」革命』の中の主張をまとめると、
固体燃料の原子力発電所では、燃料装着、連続処理、ﾒﾝﾃﾅﾝｽ等の点において合理的でないのに対して、液体化燃料を使用する溶融塩炉では、液体循環ｼｽﾃﾑを主体とした単純なﾌﾟﾗﾝﾄとして設計可能で、固体燃料型炉の弱点を克服できる。となります。
次に、溶融塩を非常に大雑把に解説します。まず、『塩（えん）』とは、酸とｱﾙｶﾘを反応させたときに出来るほぼ中性の結晶のことを指します。そして、溶融塩というのは、常温で固体（結晶）の『塩（えん）』を、高温で液体にしたものです。
今回の塩とは種類が違いますが、例えば食塩（NaCl）を（水を入れないで）加熱すると固体が溶けて液体になります。このように、高温で液体になったある種の溶融塩の中に、核燃料を入れた液体循環型の核化学反応装置の構造を溶融塩炉といいます。
2.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ﾀｰﾋﾞﾝのｲﾒｰｼﾞ
画像は日立さまよりお借りしました。
このようにｼｽﾃﾑとしては単純なものですが、原子力発電というとなにか複雑で、素人にはわかりにくいという先入観があります。しかしそれは、ｼｽﾃﾑ全体の話ではなく、熱ｴﾈﾙｷﾞｰを発生させる核化学反応の部分に原因があるのです。
3.熱ｴﾈﾙｷﾞｰを発生させる核反応とはどんなものだろう？
石油は燃えると熱を出します。これも化学反応ですが、原子（や分子）の組み合わせが変わるだけで、原子そのものが変化するわけではありません。それに対して核分裂などの核化学反応では、原子そのものが変化します。
原子が変化することを身近な物質でいうと、もともと窒素だったものが炭素になるとか、金が水銀になるというような反応です。ここで重要なのは、ある元素は他の元素に変わる可能性があり、永久に炭素は炭素、金は金のままのように、固定されているわけではないということです。
しかし、経験的には、窒素が別の物質である炭素になるようなことを目撃したことはないと思います。それは、ある特殊な条件がないと原子は変化しないからです。その条件としては、原子自身が大きなｴﾈﾙｷﾞｰを保有しているか、外部から大きなｴﾈﾙｷﾞｰを加えられているかで、不安定状況になっていることです。
そのような原子は、安定状態（＝低いｴﾈﾙｷﾞｰの状態）に戻るために、ｴﾈﾙｷﾞｰを放出したり、安定した複数の原子になるためにｴﾈﾙｷﾞｰを放出しながら、核分裂を起こしたりします。ここで、核分裂とは、例えばｳﾗﾝという元素が、ﾊﾞﾘｳﾑとｸﾘﾌﾟﾄﾝという２種類の元素と放射線に変化することを言います。核分裂の模式図
画像は「U.S.N. アラスカ放射線研究所」さんよりお借りしました。
そして核反応の前後で、元素の質量が減ります。例えばｳﾗﾝ235は、ﾊﾞﾘｳﾑやｸﾘﾌﾟﾄﾝと中性子2個になり、本来235あったものが、234.8程度になります。この約0.2の質量分がｴﾈﾙｷﾞｰに変わります。これは、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの発見した、質量はｴﾈﾙｷﾞｰに変換でき、そのｴﾈﾙｷﾞｰ量は、質量×光速の二乗であるという理論に基づき計算できます。
これの意味するところは、質量とはｴﾈﾙｷﾞｰの一種であるということです。だから、質量が消滅した分ｴﾈﾙｷﾞｰになるということです。そして、それが光速の二乗という極めて大きな数に比例するため、他の化学反応のﾚﾍﾞﾙをはるかに超えたｴﾈﾙｷﾞｰが取り出せるのです。
通常の化学反応（例えば、水素と酸素が化合して水となる反応など）で発生するｴﾈﾙｷﾞｰはeVレベル（23ｷﾛｶﾛﾘｰ/ﾓﾙ）程度であり、また、一般に原子が変化する核反応（例えば炭素14が電子を放出するか形の崩壊をして窒素14になるなどの反応）で発生するｴﾈﾙｷﾞｰは普通0.1から数MeVまである。これに対して、核分裂反応によるｴﾈﾙｷﾞｰは200MeVであるから、一般の核反応に比べれば2～3桁、通常の化学反応に比べれば、数億倍も大きい。
『「原発」革命』より引用
ここで、eVはｴﾚｸﾄﾝﾎﾞﾙﾄというｴﾈﾙｷﾞｰの単位です。MeVはﾒｶﾞｴﾚｸﾄﾛﾝﾎﾞﾙﾄといいい、基礎となる単位の106（＝百万）倍のことです。ここでは、eVという単位より、この倍数に注目してください。
反応の種別 | eV換算値 | 倍率 | |
| 通常の化学反応 | eV | 1 | 1倍 |
| 原子が変化する核反応 | MeV | 1,000,000 | 100万倍 |
| 核分裂反応 | 200MeV | 200,000,000 | 2億倍 |
ちなみに石油を燃やすというのは、通常の酸化という化学反応なのでeVﾚﾍﾞﾙになります。それに対して、このように大きなｴﾈﾙｷﾞｰを取り出せる可能性が、原子力発電（や核融合炉）の開発動機のひとつになっています。
（つづく）
- by sinsin
- at 22:36
comments
現在主流の発電システム（蒸気タービン）の性能条件の一つである、熱源の問題は
端的にいえば、
【タービンの羽に加わる圧力と速度を最大化する＝「過熱水蒸気を発生させる必要十分条件」を満たすための、最適熱源は何か？
という問題になるようで、この過熱水蒸気の２大条件である
・圧力
・温度
をいかにして高めるか、ということになります。
現在の発電装置（電力発生装置ではなく、蒸気発生＝ボイラー部分）の仕組みは、原子炉も火力発電も、実は大きくかわらない、ということは意外に知られていない様な気がします。
つまり、一般的に原子炉（核分裂）の優位性については、「核分裂により「高温・高圧状態」を作りだすことができる」という説明をされることが多いのですが、現実の炉の構造では、核分裂作用そのものから水に伝えられているのは「熱」であって、「圧力は」、蒸気が作りだされる次の工程で「別の加圧装置」から圧力をかけることによって「過熱水蒸気」が作りだされている、ということになるらしいのです。
その仕組み自体は、石炭による火力発電、一般の自家発電用ボイラーも全くじです。
むしろ、原子炉の場合は、無駄な廃熱の割合が多く、廃熱・放射性廃棄物処理設備と運用コスト・エネルギーを要するため、結果的に熱効率は火力発電よりも劣ってしまうことになるようです。（あくまでも一般に公開されているデータ、資料を総合的に見てみると）
そのことは、電力会社のＨＰなどに掲載されている原子炉の構造図をよく見てみると、簡単に気がつくと思います。
どんきちさま
詳しい説明ありがとうございます。
＞現実の炉の構造では、核分裂作用そのものから水に伝えられているのは「熱」であって、「圧力は」、蒸気が作りだされる次の工程で「別の加圧装置」から圧力をかけることによって「過熱水蒸気」が作りだされている、ということになるらしいのです。
＞むしろ、原子炉の場合は、無駄な廃熱の割合が多く、廃熱・放射性廃棄物処理設備と運用コスト・エネルギーを要するため、結果的に熱効率は火力発電よりも劣ってしまうことになるようです。
なるほどです。重要な視点ですね。このあたりも調べて行きたいと思います。
もしよければ、この効率についての参考サイトや書籍の紹介や、どんきちさまの見解などをいただければ幸いです。
熱効率についての、端的な説明としては下記のページを一つあげてみます。
以下引用
＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾
■ＷＨＩＫＩＰＥＤＩＡ 「」火力発電所との違い
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8E%9F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E7%99%BA%E9%9B%BB
「一般的には、わかりやすく「原子力発電所でも火力発電所でも、蒸気タービンによる発電方式ということでは同じである」と説明されることがある。しかし、厳密には以下の点で違いがある。
蒸気の違い
タービンを回す蒸気が原子力発電所では 280-290度、6.9MP であり、火力発電所の蒸気の 600-610度、31MP よりも温度・圧力が低く設計されている。そのため火力発電に比べて熱効率が劣ってしまう。（入出力の温度差が大きいほど熱効率は高い。）
蒸気の温度と圧力を低く設計しなければならない理由は、核燃料棒の被覆に使われているジルコニウムが比較的高温に弱いために一次冷却水を高温には出来ないためである。
火力発電所では超臨界流体である超臨界蒸気が使用されている。超臨界流体とは、液体の性質と気体の性質を持った非常に濃厚な蒸気であり、熱を効率良く運ぶことが出来るが高温高圧状態が必要なため、原子力発電ではこれを利用することはできない。
タービンの違い
原子力用タービンの回転数は1500rpm又は1800rpmであるが、火力用タービンは3000rpm又は3600rpmである。」
＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾
そもそも、理系音痴の私が、何故原子力発電なんかに「？」と興味をもったかというと、
原子炉の構造図を眺めていて、
「【過熱水蒸気発生の必要温度＝二次水の温度 （Ａ）】 ＜ 【一次水の熱を二次水に伝達、運搬するための媒介とをする管の耐熱温度≒融点、燃焼温度】（Ｂ） ＞ 一次水の温度 （Ｃ）
となるはず？
→
であれば、（Ｂ）の部分の金属に直接（Ｃ）温度と同等の温度を発生させる、べつの熱源（Ｘ）があればよい？
→その（Ｘ）として、「太陽光励起レーザー」を利用できないのか？
つまり、「マグネシウム文明論」（矢部達也著）等では、マグネシウム製錬に必要な20000℃の熱を太陽光励起レーザーによって発生させることが可能、とされています。 蒸気タービン発電のための過熱蒸気発生に必要な温度はそれ以下で十分なはずなのですから（上記引用文中、蒸気条件参照）、現在の構造上の（Ｂ）に該当する部分ので、「太陽光励起レーザー」の照射によって必要十分条件＝（Ａ）熱を作りだすことができるのではないか？
＝あたかも、「やかんの底にレーザーをあててお湯を沸かすように」
ということを思ってみたりしたんです・・・・。
これが実現できれば、
・放射能漏れ、放射性廃棄物処理
・エネルギーロス
・核分裂制御の安全性
などの心配がなく、もっとシンプルかつ小規模で、自立性の高い発電装置が可能になるのではないかな・・・と。
どんきちさま
早速ありがとうございます。これも参考にしながら、連載していきます。
＞温度を発生させる、べつの熱源（Ｘ）があればよい？
＞＝あたかも、「やかんの底にレーザーをあててお湯を沸かすように」
＞ということを思ってみたりしたんです・・・・。
＞これが実現できれば、
＞・放射能漏れ、放射性廃棄物処理
＞・エネルギーロス
＞・核分裂制御の安全性
＞などの心配がなく、もっとシンプルかつ小規模で、自立性の高い発電装置が可能になるのではないかな・・・と。
これがうまく行けば、殆どの問題が解決しますね。このあたりについては、マグネシウムとレーザーの連載を別に考えています。
その時は、またコメントをお願いいたします。
どんきちさまと、sinsinさまのやりとり、非常に興味深く拝見させて頂きました。
＞現在の発電装置（電力発生装置ではなく、蒸気発生＝ボイラー部分）の仕組みは、原子炉も火力発電も、実は大きくかわらない
この点に関して、私も最近まで誤解しておりました。さらに、現状の原子力発電に利用されるウランは実際に利用出来る同位体の含有比率が小さい（＝低濃縮が必要であり、無駄が多い）ことを考えると、素人の感想ではありますが、とても力技な技術であるように感じます。。
熱源を太陽光励起レーザーの技術で作り出せるとすれば、ものすごい可能性ですね！今後も一緒に勉強させて頂きます☆