3分で簡単原子力発電の仕組み！原子炉の分類方法は？現役理系学生ライターが詳しくわかりやすく解説！

ライター／通りすがりのペンギン船長

現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻しており、物理学も幅広く勉強している。塾講師として物理を高校生に教えていた経験から、物理の学習において、つまずきやすい点や勘違いしやすい点も熟知している。

原子力発電の仕組みを学ぼう！

今日、原子力発電は火力発電や水力発電と並ぶ主力電源になっており、世界中の人々が原子力による電気の恩恵を受けていると言えます。わが国日本に存在する原子力発電は50基を超えており、日本に住んでいても原子力の恩恵を受けていることになりますよ。

このような背景がありながら、原子力発電の仕組みを説明できる方は決して多くはありません。原子力発電は安全性などをめぐり度々議論にあがりますが、仕組みを知らないことにはこのような議論も理解することができませんよね。そこでこの記事では、原子力発電の仕組みについて述べることにしました。

最初のチャプターでは、原子力発電所においてエネルギーが生み出される過程を3つのステップに分けて説明しますね。それぞれのステップにおいて、どのような物理現象が生じて、どのようにエネルギーが変換されているのかという点に注目してみましょう。それでは早速、解説をはじめます。

1.核分裂が生じる

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原子力発電においてエネルギー源になるものは、ウラン235などの核分裂性物質を含む『核燃料』です。原子炉内では、核分裂連鎖反応という反応を生じさせます。

核分裂連鎖反応をウラン235を例にとって説明しますね。ウラン235に中性子を当てると、ウラン235原子核は2つに割れ、中性子を放出します。この中性子は他のウラン235にぶつかり、再び同じ反応が生じるのです。このようにしてウラン235は次々と分裂していきます。これが核分裂連鎖反応です。

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2.熱エネルギーにより蒸気が発生する

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核分裂連鎖反応によって核燃料のもつ核エネルギーは、熱エネルギーに変換されます。原子力発電所では、この熱で水を温めますよ。核分裂で発生する熱エネルギーは莫大であり、簡単に水が沸騰して蒸気になります。その後、蒸気はタービンに送られますよ。

熱エネルギーによって発生する蒸気がタービンに送られるまでの過程は様々です。日本の原子力発電所では、原子炉とタービンが直接つながっている「沸騰水型」と原子炉とタービンの間に熱交換装置が存在する「加圧水型」の2種類が採用されています。

3.蒸気タービンで発電する

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蒸気タービンは、熱された水のエネルギーを運動エネルギーに変換します。タービンは羽根車のような役割を果たし、原子炉から送り込まれる高温・高圧の水蒸気から回転運動を生み出すのです。そして、この回転運動を発電機に伝えることで電気を発生させます。

また、タービンを通り抜けた水蒸気は、復水器で冷却し、再び原子炉へと戻っていきますよ。水蒸気の冷却には大量の水が必要になるので、原子力発電は海や大きな湖・河川の近くに建設されることが多くなっています。

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原子力発電の種類

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原子力発電は使用する核燃料と減速材の組み合わせで分類することができます。ちなみに、減速材は核燃料を覆う物質のことで、中性子のコントロールをするために使われていますよ。

今回は、核燃料と減速材の違いに注目して、軽水炉・重水炉・高速増殖炉・トリウム炉を採用した原子力発電について紹介します。

軽水炉：ウラン235と水を用いる原子炉

軽水炉は、核燃料にウラン235、減速材に水を用いている原子炉です。軽水炉のシェア率は世界で80パーセント程度であり、広く普及していることがわかります。日本国内の電力会社が所有するすべての原子力発電所で、この軽水炉が採用されていますよ。

製造コストが安いといったことが軽水炉の利点です。一方で、出力制御が難しいことや原子炉の起動に時間がかかることが軽水炉のデメリットになっています。

重水炉：天然ウランと重水を用いる原子炉

重水炉は、核燃料に天然ウラン、減速材に重水を用いている原子炉です。重水は酸素と重水素を結合させた化学物質ですよ。重水素は、一般的な水素の原子核に中性子を1つ加えたものになります。

重水素のメリットは安価に手に入る天然ウランを利用できることであり、天然ウランの産地であるカナダなどで研究開発が進められてきました。かつて、日本においても「ふげん」という名前の重水炉が存在していましたよ。

高速増殖炉：ウラン238およびプルトニウム239と液体ナトリウムを用いる原子炉

高速増殖炉は、核燃料にウラン238およびプルトニウム239、減速材に液体ナトリウムを用いている原子炉です。減速材に液体ナトリウムを使用することで、中性子を高速で原子核にぶつけることができますが、これが「高速炉」という名前の由来になっています。

また、高速増殖炉には、発電を行うことで消費した核燃料よりも多くの燃料を生成できる仕組みがありますよ。これが「増殖炉」という名前の由来なのです。それゆえ、高速増殖炉によって天然ウランなどの資源を有効に活用できます。かつて、日本においても「もんじゅ」という名前の高速増殖炉が存在していました。