原子力発電は、原子炉の中でウラン燃料を核分裂させ、その際に発生する熱エネルギーを使って水を蒸気に変え、
この蒸気によってタービンを回して発電機で電気をつくります。

1

原子力発電のしくみ

原子力とは、文字通り「原子の力」を表しますが、大きなエネルギーを発生させるものとして核分裂と核融合があります。
核分裂は、原子核が分裂することです。核融合は、複数の原子核が合わさり、一つになることです。このような大きなエネルギーを発生させる現象のうち、原子力発電は核分裂の際に発生するエネルギーを発電に利用しています。
原子力発電の燃料になる天然のウランには、核分裂しやすい約0.7%のウラン235と、核分裂しにくい約99.3%のウラン238が含まれています。ウラン235には、核分裂によって熱エネルギーを発生させるという特徴があります。
ウラン235の原子の中心にある原子核に、中性子があたると、原子核が二つに分裂します。その際に、膨大な熱エネルギーが発生し、同時に中性子も発生します。この中性子が別のウラン235を核分裂させ、さらに、それにともなって発生する中性子が、別のウラン235を核分裂させる、というように核分裂の連鎖反応が起こります。
このように連鎖反応が一定の割合で起きている状態を臨界といいます。また、核分裂の際には、放射性セシウムなどの核分裂生成物も生じます。
原子力発電所では、ウラン235の濃度を3~5%に高めた濃縮ウランを粉末状の酸化物にし、直径・高さともに約10mm程度の円柱形に焼き固めたペレットを燃料として利用しています。
原子力発電所では、原子炉の中でウラン燃料を核分裂させ、その際に発生する熱エネルギーを使って水を蒸気に変え、この蒸気によってタービンを回して発電機で電気をつくっています。
タービンを回し終わった蒸気は、海水によって冷やすことで、もとの水に戻されます。

天然ウランと濃縮ウラン

天然ウランと濃縮ウラン

出典:エネ百科「原子力・エネルギー図面集」

ウランの核分裂とプルトニウムの生成(軽水炉)

ウランの核分裂とプルトニウムの生成(軽水炉)

ワンポイント情報

核分裂による熱エネルギー

ウランの原子核に外から中性子が飛び込むと、原子核は不安定な状態になり、分裂して二つ以上の異なる原子核に変わります。このとき、膨大なエネルギーが発生します。核分裂反応の前後で、陽子、中性子の個数の合計は変化しませんが、元の原子の質量に比べ、新しく発生した原子や粒子の質量の合計は、わずかながら減少しています。これを質量欠損とよびます。
相対性理論によると、原子レベルでは質量とエネルギーは同じものであり、その変換式は、E=mc2(E:エネルギー、m:質量、c:定数(光の速度))で表されます。質量欠損は、元の原子が質量として持っていた結合エネルギーの一部が核分裂によって外部にエネルギーとして放出されるために生じます。このエネルギーのほとんどは、新しく発生した原子や粒子の運動エネルギーとなりますが、最終的には熱エネルギーとなります。この熱を原子力発電で利用しています。

2

原子力発電と原子爆弾の違い

原子力発電と原子爆弾は、ともに核分裂で発生する熱エネルギーを利用する点は同じですが、しくみは根本的に異なります。
例えば、ウランを用いた原子爆弾は、一瞬のうちに、ほとんどのウランを核分裂させ、爆発的にエネルギーを放出させます。そのため、効率よく、瞬時に核分裂の連鎖反応を引き起こすように、ウラン235の割合が100%に近いものを使用します。
このため、原子爆弾は、核分裂で発生した複数の中性子が、ウラン238などのほかの物質に吸収されず、それぞれウラン235に吸収されるため、核分裂が次々に起こります。1回の核分裂で複数の中性子が発生することから、非常に短い時間で核分裂が連鎖し、増倍することになります。
一方、ウランを燃料とする原子力発電は、燃料中のウランを一定の割合で核分裂させ、熱エネルギーを取り出すものです。原子力発電は、原子爆弾とは異なり、燃料中のウラン235の割合が3~5%と低いものを使用します。また、中性子を吸収する働きのあるウラン238が、燃料の大部分を占めています。このような燃料で、一定の規模で核分裂の連鎖反応が継続されるように、原子力発電では、中性子の速度を水などの減速材で遅くし、次の核分裂を行いやすくする設計となっています。
また、原子力発電は、核分裂が増加して原子炉の発電出力が上昇し、燃料や冷却材の温度が上がっても、ドップラー効果や密度効果(ボイド効果)といわれる作用によって、自然に核分裂が抑えられる性質があります。
さらに、原子力発電では、中性子を吸収する制御棒などがあり、中性子の数をコントロールして、核分裂の割合を常に一定に保つ設計になっています。

原子力発電と原子爆弾の違い

原子力発電と原子爆弾の違い

出典:エネ百科「原子力・エネルギー図面集」

原子炉の固有の自己制御性

原子力発電と原子爆弾の違い

【密度効果(ボイド効果)】

原子炉の出力が上がると、燃料のまわりの水温が上がって沸騰します。そうすると、水の体積が膨張して密度が小さくなり、核分裂で発生した中性子と水が衝突しにくくなって中性子のスピードも落ちにくくなる
→核分裂しやすいウラン235が、中性子を吸収しにくくなって、原子炉の出力が自然に下がる

【ドップラー効果】

原子炉の中の燃料の温度が上昇すると、燃料の中の核分裂しにくいウラン238が、より多くの中性子を吸収します。そうすると、核分裂しやすいウラン235は、中性子を吸収する割合が減り、核分裂の反応が減っていく
→原子炉の出力が自然に下がっていく

出典:エネ百科「原子力・エネルギー図面集」

次へ
前へ
ページトップ
エネルギーと豊かな暮らし

エネルギーと豊かな暮らし

日本のエネルギー政策

日本のエネルギー選択

日本のエネルギー政策 ~各電源の位置付けと特徴~

日本のエネルギー政策
~各電源の位置付けと特徴~

日本のエネルギー政策 ~2030年、2050年に向けた方針~

日本のエネルギー政策
~2030年、2050年に向けた方針~

エネルギーミックス ~エネルギーの安定供給~

エネルギーミックス
~エネルギーの安定供給~

エネルギーミックス ~エネルギー安全保障の課題~

エネルギーミックス
~エネルギー安全保障の課題~

エネルギーミックス ~経済性と環境保全~

エネルギーミックス
~経済性と環境保全~

原子力を取り巻くさまざまな課題

原子力を取り巻くさまざまな課題

高レベル放射性廃棄物の適切な処分

高レベル放射性廃棄物の適切な処分

地層処分の実現に向けて(「文献調査」の位置付け)

地層処分の実現に向けて
(「文献調査」の位置付け)

国際的な原子力平和利用と核の拡散防止への貢献

国際的な原子力平和利用と
核の拡散防止への貢献

<参考>世界の原子力発電の状況

〈参考〉世界の原子力発電の状況

原子力開発の歴史

原子力開発の歴史

日本の原子力施設の状況

日本の原子力施設の状況

原子力発電のしくみ

原子力発電のしくみ

原子炉の種類

原子炉の種類

原子力発電所の構成

原子力発電所の構成

原子力発電の特徴

原子力発電の特徴

原子力発電所の廃止措置と解体廃棄物

原子力発電所の廃止措置と解体廃棄物

核燃料サイクル

核燃料サイクル

再処理と使用済燃料の中間貯蔵

再処理と使用済燃料の中間貯蔵

高レベル放射性廃棄物

高レベル放射性廃棄物

低レベル放射性廃棄物

低レベル放射性廃棄物

放射線と放射能の性質

放射線と放射能の性質

放射能・放射線の単位と測定

放射能・放射線の単位と測定

さまざまな被ばくと健康影響

さまざまな被ばくと健康影響

内部被ばくについて

内部被ばくについて

放射線被ばくによるリスクの低減に向けて

放射線被ばくによるリスクの低減に向けて

身のまわりの放射線

身のまわりの放射線

原子力施設での放射線や放射性物質の管理

原子力施設での放射線や放射性物質の管理

新しい規制体制と規制基準

新しい規制体制と規制基準

新規制基準を踏まえた原子力発電所の安全確保

新規制基準を踏まえた原子力発電所の安全確保

原子力発電所の地震の揺れや津波・浸水への対策

原子力発電所の地震の揺れや津波・浸水への対策

自然現象や重大事故への対策

自然現象や重大事故への対策

原子力施設のさらなる安全性向上に向けた対策

原子力施設のさらなる安全性向上に向けた対策

自主的・継続的な安全性向上への取り組み

自主的・継続的な安全性向上への取り組み

原子力防災体制と原子力災害対策指針

原子力防災体制と原子力災害対策指針

原子力災害対策重点区域と緊急事態の区分

原子力災害対策重点区域と緊急事態の区分

被ばくを避けるためにとる行動(防護措置)

被ばくを避けるためにとる行動(防護措置)

初期対応段階での防護措置

初期対応段階での防護措置

原子力災害時の体制と住民の行動

原子力災害時の体制と住民の行動

福島第一原子力発電所事故の概要

福島第一原子力発電所事故の概要

廃止措置を進めるための取り組み

廃止措置を進めるための取り組み

周辺住民や飲食物への影響

周辺住民や飲食物への影響

原子力施設と法律

原子力施設と法律

原子力損害の賠償

原子力損害の賠償