授業科目『地球資源論』

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第６回　核燃料資源：ウラン

配付プリント等｜補足説明｜参考

配付プリント等

　原子（Atom）の主要な構成粒子として、１８９７年に電子（Electron）が、１９１１年に原子核（Atomic Nucleus）の陽子（Proton）が、１９３２年に中性子（Neutron）がそれぞれ発見されました。そして、１９３８年には、ある原子に中性子を照射（Bombard）することによって、新しい放射性（Radioactive）物質が誕生することが発見されました。
　１９３８～１９３９年に、ドイツで、質量数（Mass Number）２３５のウラニウム（Uranium、ウラン）〔原子番号（Atomic Number）９２のウラニウムを構成する同位体（Isotope）は、約９９.３％が質量数２３８で、残りの僅か約０.７％が質量数２３５です。質量数２３５が核分裂（Nuclear Fission）を起こす性質を持ちます〕に中性子を照射することによって、その原子核がほぼ２つに分裂することが発見されました。原子核分裂の発見です。その後、その核分裂を制御するための研究が進められたのですが、時は第二次世界大戦（World War II：１９３９～１９４５年）の開戦前、ドイツでの核兵器（Nuclear Weapon）開発に対抗して、米国はマンハッタン計画（Manhattan Project）により核分裂の軍事利用である原子爆弾（Atom Bomb）の開発を促進させます。それは、１９４５年に広島（ウラニウム原爆）と長崎（プルトニウム原爆）への原爆投下と核爆発という結果を生みました。
　原子核分裂は微妙な条件を揃えないと起こり得ないと考えられていましたが、天然にも起こり得ることを予想した研究者がいました。それは日本人（黒田和夫）で１９５４年のことです。天然原子炉（Natural Nuclear Fission Reactor）説と呼ばれています。その後１９７２年に、フランスの植民地であったガボン共和国（Gabon）オクロ（Oklo）地区において天然における核分裂反応の痕跡が確認されます。これは約２０億年前のウラン鉱床（Uranium Deposit）であり、その半減期（Half-life、約７億年）から推定すれば当時はウラニウム２３５の同位体比は約４％に近かったとされており、これは現在の濃縮ウラン（Enriched Uranium）と同程度の濃縮度です。
　ウラニウム２３５に速度の遅い中性子〔熱中性子（Thermal Neutron）と呼ばれる〕を衝突させることで、核分裂反応を起こすことができます。その過程で、中性子も発生しますが、それは高エネルギーを持ったもの（Fast Neutron）です。その中性子を低エネルギーに変えて熱中性子にすれば、それは新たな核分裂を発生させます。それを継続させれば連鎖反応（Nuclear Chain Reaction）となります。そのような目的のものを減速材（Moderator）と呼び、冷却の目的で使われるものを冷却材（Coolant）と呼びますが、これらを使って核分裂反応をゆっくりと起こして平和利用しようとするものが原子力発電（Nuclear Power Generation）です〔原子核（分裂）エネルギー（Nuclear Energy）⇒熱エネルギー（Thermal Energy）⇒力学的エネルギー（Kinetic Energy）⇒電気エネルギー（Electric Energy）：原子炉としては、沸騰水型軽水炉（BWR、Boiling Water Reactor）と加圧水型軽水炉（PWR、Pressurized Water Reactor）が主流〕。一般に、減速材と冷却材には通常の水〔同位体から見ると軽い水素から構成されるため、軽水（Light Water）と呼ばれる〕が用いられています〔この場合には、ウラニウム２３５の同位体比はもっと大きい必要があり、約４％程度のものが使われていますが、これは濃縮ウランと呼ばれています（ただし、原爆用にはもっと高濃度である必要があります）〕。熱中性子ではなく、高エネルギー中性子を用いるとプルトニウム（Plutonium、原子番号９４）が生成する確率が増えますが、これも核分裂の能力を持ちます（プルトニウム２３９）。従って、プルトニウムを増やしながら発電も続けられれば、長期的に利用できることになりますので、そのような目的の研究が進められています〔高速増殖炉（Fast Breeder Reactor、FBR）と呼ばれる原子炉を用いますが、技術的に制御が難しいため（〔冷却材に熔融金属ナトリウム（融点98℃）を使用するなど〕、計画を進めているのは現在は日本のみです〕。また、プルトニウムは核兵器（Nuclear Weapon）に使われやすいため（元素の種類が異なるので、他の元素から比較的分離し易いため）、ウラニウムと一緒にプルトニウムを原子炉で利用することも行われています〔MOX燃料（Mixed Oxide fuel）によるプルサーマル（Plutonium Thermal Use－和製英語）と日本では呼ばれています〕。
　核分裂の過程では、様々な放射性物質（フィッション・チェーンによる核分裂生成物⇒使用済核燃料放射能）が生成されます。これらが放射能（Radioactivity）を持ちますので、その始末に困っている訳です。放射性物質は、隔離して、半減期の経過によって放射能が低下するのを待つしかありません。世界では、地下深所に埋設する方法を選んでおり、日本も同様の方法を取ろうとしていますが、日本の場合は、地震（Earthquake）などの自然環境条件が厳しいことと、無人の地域は非常に限られることなどから、懸念されていますが、技術の研究は進行中です。
『核燃料資源：ウラン』。講義内容は以下について。
①原子核反応の発見：
・1897年　電子発見〔J.J.トムソン（イギリス）〕（真空放電実験による）
・1911年　原子核の存在（陽子の発見）〔E.ラザフォード（イギリス）〕
・1932年　中性子の発見〔J.チャドウィック（イギリス）〕
・1938年　中性子照射による新放射能の発見〔E.フェルミ（イタリア）〕
・1938～1939年　ウラン原子核の分裂〔O.ハーン（ドイツ）〕（²³⁵Uの原子核が中性子により2つに分裂）
・1942年　原子炉第1号〔E.フェルミ（アメリカへ亡命）〕【マンハッタン計画（軍事利用）】
・1945年　原子爆弾【軍事利用】（ウラン原爆は広島へ、プルトニウム原爆は長崎へ）　【戦後に平和利用開始（原発）】
・1954年　天然原子炉説〔黒田和夫（日本）〕
・1972年　天然原子炉発見〔フランス原子力庁（フランス）〕（ガボン共和国オクロ地区からのウラン鉱石中の²³⁵Uが通常の約0.7％よりかなり小さかったことから：約20億年前に発生；ただし、²³⁵Uの半減期は約7億年（7.038×10⁸年）であるので約20億年前の同位体存在比は約3.7％となり、現在の原発で用いられている濃縮ウランの濃度程度にはなる）⇒【オクロ現象】（核分裂連鎖反応が臨界に達する現象）
■ジョゼフ・ジョン・トムソン（J. J. Thomson）／アーネスト・ラザフォード（Ernest Rutherford）／ジェームズ・チャドウィック（James Chadwick）／オットー・ハーン（Otto Hahn）／エンリコ・フェルミ（Enrico Fermi）／Category:マンハッタン計画（Category:Manhattan Project）／マンハッタン計画（Manhattan Project）／
■広島市への原子爆弾投下・長崎市への原子爆弾投下（Atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki）／プルトニウム（Plutonium）／
■原子炉／Natural nuclear fission reactor／半減期（Half-life）／濃縮ウラン（Enriched uranium）／連鎖反応 (核分裂)（Nuclear chain reaction）／
②ウラン－核分裂反応：
１）n（熱中性子）＋ウラン２３５→ウラン２３６（不安定）→核分裂片１（例えばバリウム）＋核分裂片２（例えばクリプトン）
　ここで、核分裂片１と核分裂片２において、質量数（＝中性子数＋陽子数）の合計は２３６で、陽子数の合計は９２である。
２）核分裂片１と核分裂片２は、さらに中性子を放出して（この中性子が次の核分裂を起こし、それが繰り返されれば核分裂連鎖反応となる）、同じ元素で質量数の小さい放射性同位体に変わっていく。
３）さらに質量数は変わらずに、ベータ崩壊によって中性子が陽子に変わっていけば、陽子数の大きい元素が次々に生成される。これは５回くらい変わることが多い。これらはフィッション・チェーンと呼ばれ、これらの核分裂生成物が使用済核燃料放射性物質（放射能）の主体を構成することになる。
※どのような質量数のフィッション・チェーンが、どのような割合で生成されるかは、核分裂性物質の種類や照射中性子エネルギーなどにより変化する。そしてその傾向は、質量数と核分裂収率（％）を座標軸にした質量収率曲線で表わされる。
配布プリント3枚⑤。出席票。
【1枚目】
表3.1、図3.2、図3.3、図3.4、表3.2、図3.5、図3.6、表3.3、図3.7、図3.8、図3.9…『エネルギー・資源ハンドブック』（160,163,164,165,166,167,168,169,172,173p）
【2枚目】
表4.1、図4.1、図4.2…『地球エネルギー論』（92,93,95p）
（BWRとPWRの概念図）、（核燃料サイクル）、（世界の原子力開発の現状）…『原子力市民年鑑2001』（56,175,253p）
図2-15…『原子力発電で本当に私たちが知りたい120の基礎知識』（124p）
【3枚目】
図1-10、図1-11、図2-7、図2-8、図2-9、図2-10、図2-22、図2-24、図2-25…『原子力発電で本当に私たちが知りたい120の基礎知識』（44,46,97,98,99,100,158,179,182p）
紹介した参考図書：
【原子力】
①原子力資料情報室（編）（2001）：原子力市民年鑑　2001．
　　　特定非営利活動法人の原子力資料情報室は、産業界とは独立な立場から、原子力に関する資料・情報の収集を行い、市民活動のためにそれらを提供している。年刊の資料集。（反原発の立場）
②広瀬　隆・藤田祐幸（2000）：原子力発電で本当に私たちが知りたい120の基礎知識．
　　　原子力に関して『本当に知りたいこと』が、120項目に分けてわかりやすく説明されている。（反原発の立場）
③アラン･E･ウォルター〔高木直行（訳）〕（1999）：衰退するアメリカ　原子力のジレンマに直面して．
　　　米国原子力学会の元会長が、リスク論を踏まえて、米国のエネルギー問題の中で原子力がもつ役割について解説したもの。（原発擁護の立場）

補足説明

全般

地球資源関連用語は『地球資源関連用語集』のページを参照。
地球科学用語は『地球科学用語集』のページを参照。

時間切れで説明していない内容。
③ウラン資源の埋蔵量と生産量：
④原子炉：
⑤核燃料サイクル：
⑥核廃棄物：

ウランの原子構造と核分裂｜ウラン埋蔵量｜BWR・ABWR・PWR原子炉および圧力容器と燃料集合体｜

『原子力エネルギー』のページの関連部分を参照。
インターネット上の原子力情報は、『あとみん(原子力・エネルギー教育支援情報提供サイト）』が詳しい。
反原発の立場の主要サイトは原子力資料情報室（CNIC）など。
フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』による説明を参照してください。
■Category:原子力（Category:Nuclear technology）／原子力（Nuclear power）／Portal:原子力／原子核反応（Nuclear reaction）／核分裂性物質（Fissile）／核分裂反応（Nuclear fission）／連鎖反応 (核分裂)（Nuclear chain reaction）／自発核分裂（Spontaneous fission）／原子核融合（Nuclear fusion）／放射性崩壊（Radioactive decay）／臨界量 (原子力)（Critical mass）／臨界状態／
■電子ボルト（Electronvolt）／
■原子力発電（Nuclear power）／Category:原子炉（Category:Nuclear reactors）／原子炉（Nuclear reactor technology）・核分裂炉（軽水炉（Light water reactor）（加圧水型原子炉（Pressurized water reactor）／沸騰水型原子炉（Boiling water reactor））／重水炉（Heavy water reactor）（新型転換炉））／Category:核燃料／核燃料（Nuclear fuel）（燃料棒／制御棒（Control rod））／核燃料税／減速材（Neutron moderator）／冷却材（Coolant）／
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■NIMBY（NIMBY＝Not In My Back Yard）／電源三法／

【ウランの原子構造と核分裂】

出典：原子力手帳

　原子は1つの原子核と複数の電子によって構成されています。電子とは、マイナスの電荷をもつものです。
　原子核をさらにみていくと陽子と中性子によって構成されていることがわかります。普通の状態の原子は、陽子の数と電子の数が同じになっており、中性子は電荷を持たないため、原子全体としても電荷を持たない安定した状態を保ちます。

出典：「原子力・エネルギー」図面集 2004-2005から抜粋

　ウラン235に中性子をあてることで、ウラン235は核分裂を起こして核分裂生成物に変化します。この時に熱エネルギーが発生します。
　核分裂が起こるとそこから2個～3個の中性子が飛び出し、また別のウラン235に当たり、核分裂が繰り返されます。原子レベルでこれを繰り返すことで膨大な熱エネルギーを取り出すことが可能になります。

〔電気事業連合会による日本の原子力の『原子力への取り組み』の『原子力発電のしくみ』の中の『核分裂のしくみ』から〕

【ウラン埋蔵量】

〔電気事業連合会の『日本の原子力』の『ライブラリー』の『原子力・エネルギー図面集』から〕⇒こちら

〔WISE Uranium Projectの『World uranium resources (static map) 』から〕

【BWR・ABWR・PWR原子炉および圧力容器と燃料集合体】

出典：「原子力・エネルギー」図面集 2004-2005

　核分裂の熱を利用して「水を沸かす＝ボイルする」ことから、BWR（Boiling Water Reactor)と呼ばれています。
　沸騰してでてきた蒸気はそのままタービンに送られ、発電機を回転させます。

出典：「原子力・エネルギー」図面集 2004-2005

　改良型沸騰水型炉(ABWR)は、沸騰水型炉(BWR)の炉外に取り付けられていた「原子炉再循環ポンプ」が炉内に設置されているほか、制御棒を動かす動力源として「水圧駆動」＋「電動駆動」を併用することで安全性がより向上した構造となっています。

出典：「原子力」図面集 2004-2005

　核分裂の熱を利用して「加圧した水を沸かす＝水にプレッシャーをかける」ことから、PWR（Pressurized Water Reactor)と呼ばれています。
　加圧された水は沸点が高くなるため、それを蒸気発生器に送って、別系統の水を蒸気に変えます。循環する水が一次系、二次系にわかれているため、タービンなどのメンテナンスがBWR型よりも手軽です。