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Nuclear plant! 地震ー事故ー原発 原子力発電の仕組み

すこし綴ってみる。かなり長いです!!雑です。
すいません。m(__)m

原子力発電がいかにしてエネルギーを生み出すかを解説します。

原子力発電とは核反応を利用して高熱を得ます、
この熱をもって水を熱し、この流体でタービン(発電機)を回し、
発電するというシステムである。タービンを回す原動力としているものが多数存在し、核反応を利用するのが、原子力発電所と言うことである。

ダムからの水流であれば、落差を利用してタービンを回す。
これ水力発電

燃料(石油、重油等)を燃やしてこれまた水を加熱し、タービンを回す、
これ火力発電。

風を使う。超巨大な風車みたいなのを回してそのままタービンを回す、
これ風力発電。
他にも波力、地熱、太陽光、等々多数有ります

この原子力発電ですが、発電電力量の割合で言えば、現在28−30%を担っています。これは2000年度が35%程であったことから言えば依存度は低下しています。
発電の分野では、石油から原子力、石炭及び天然ガスへの代替が大きく進み、2006年度では、原子力が30.5%、石炭が24.5%、天然ガスが25.9%と主力を占めています

というのが大まかな説明です。

数値は以下の参考文献参照しました。
Reference by 経済産業省 エネルギー白書 2010 第二部 エネルギー動向

さて、日本の原発依存度や発電に続きまして、
原子力発電の仕組みを掘り下げていこうと思います。
まずはこれ↓
Nuclear plant!  地震ー事故ー原発 原子力発電の仕組み_b0188590_1374869.jpg

IMAGE BY American Chemical Society

これ何だと思いますか?
僕が初めて見たとき、これは、、、どこぞのチョコレートのお菓子を思い浮かべました。
、、、、実は、これが核燃料の一個一個です。
あのチョコレートお菓子より一回り大きいこのペレット状の物。こやつが原子炉の燃料と成る物です。
このペレットはセラミックで出来ており、この中に二酸化ウラン4g一緒に入っています!!

とても小さいですが、これをジルコニウム合金のパイプに詰めると一本の燃料棒(一本には200以上のペレットが入っています。)になります。この一本をさらに束ねます。この束ねた大きい一束をいくつも用意して、核反応を起こします。

さて核反応は一度起こればチェーンリアクション(連鎖反応)です。これは開始剤として中性子をぶつけてやれば始まりますが、
止めるためには中性子を捕捉してやればいいのです。これを捕捉するのが制御棒であり、周囲のホウ酸(H3BO3)であります。
先ほど述べた燃料棒の束の隙間に制御棒を突っ込んで中性子を他の燃料に当てるのを阻止して、核反応を制御します。
核反応時に放出される非常に大きいエネルギーが原子力発電の魅力です。
先ほどの写真ですが、一個のペレットが生み出すエネルギーは、1000キロの石炭を上回り、500リットルの石油を上回ります。
この一個のペレットの値段は300円しないほどだと言うことです。
このペレットを結果的に一個の炉心には1000万個ほど用いて燃料棒を創ります。
一個で上記のような、エネルギーを生み出して更にこの値段です。放射性物質が生産されることがなければ夢のようなエネルギー源です。

エネルギーが生まれる仕組みです!

たった4gの燃料錠剤1個で生み出されるエネルギーは余りに莫大です。このエネルギーがどうして出てくるかと言えば、、、、
アインシュタインが提示してくれたE=mc^2が手伝ってくれると思います。
C=3.0×10^8 m・s^-1
C^2=9.0×10^16 m^2・S^ー2になります。
結果としてこの莫大な数字が右項のC^2に入るわけで左項のE(ennergy)が天文学的な数字になるのが理解頂けるでしょうか?

ここで更に一つの式を提示する。
1/0 n +  235/92 U → 236/92 U → 141/56 Ba + 92/36Kr + 3×1/0 n

という化学反応式がある。
この式が意味することは、中性子(開始剤)=nを 原子番号92の質量数235のウラン(U)にぶつけると、
結果的に、原子番号56の質量数141のバリウム(Ba)と原子番号36の質量数92のクリプトン(Kr)と三つに中性子(n)に分かれることを意味します。(両辺の質量数の一致と原子番号の和も一致することを確認してみるといい。)

この方程式では、、、、
実はこの反応式をみても両辺で質量の消失はなく、質量保存され、エネルギーなど生み出されないのではないかと思うかもしれないが、実際はそうではないのである。実際は左辺の質量と右辺の質量数は違うのである。

???が頭に浮かぶだろうが、、、、実際は消失しており、
その 消失分がmc^2のmに入るわけである。
これを理解するには原子番号に付随する数字が実際の質量数と一致はしないということを認知していれば直ぐに可能であると思う。(実査の質量数は、多数の胃小数点以下の数字も並ぶからである。)
これは普通に理解できることであると、僕は思う。何かの大学レベルの化学の教科書を引っ張り出せば質量数が整数でないことは一目瞭然である(別にWikipediaでもいいけど)。
炭素の質路湯が12ではなく12.0000000となる。同様にUも235ではなく235.043924となる。

話を戻す。
この左辺のUの質量は右辺にいくと0.1%と(1/1000)だけ減る。この差がエネルギーとして顔を出す。たった0.1%のギャップである。


具体的には1.0kgのウランを燃料として核反応を起こすとどれ程のエネルギーが生まれるか計算してみる。

用いる式は当然E=mc^2(いーいこーる えむしーすくえあー!!)
1.0kgの0.1%の消失ぶんがエネルギーに変換されるので
1.0kg×0.001=1.0×10^-3 kg( 1.0g ) である。
これがmに相当する。
代入すると
ΔE=(m) ×(c^2)=(1.0×10^-3 kg) (9.0×10^16 m^2/S^2)
ΔE= 9.0×10^13 Kg m^2/s^2


なんじゃこの数字は!!?


莫大な数字が出てくる。
このKg m^2/s^2という単位はJ(ジュール)にそのまま直せる。
なのでこれまたK(キロを加えると3桁減るが)ΔE= 9.0×10^10KJと書き直せる。これはこれは、、、でかすぎるな。
たった1kgのウランの1/1000の質量差でこのエネルギー!!


ちなみにピン!っとこない方の為に、
9.0×10^10KJという値を確認してみる。
石炭を3300トン燃焼させた時と同量。
3300万リットルの水を水蒸気(100度)に換えれるエネルギーである。
120トンの物を10000メートル上空まで持ち上げれるエネルギーである。


続く、、、、、、
by momenchi | 2011-03-17 00:46 | CHEMISTRY

ふらふらと・・・


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