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2011/04/17

文系の考える、原子炉では何か起こっているか?

原子炉の核分裂は、石油を燃やすのとは全然違う反応です。

原子炉は核分裂(の連鎖反応)を利用して熱を発生させ、水蒸気を作り出して、それでタービンを回して発電を起こします。

普通の石炭や石油を使った火力発電所は、石炭や石油を燃やして熱を発生させ、蒸気を作り出して、それでタービンを回して発電を起こします。

石油や石炭とウランは何が違うのか?
物質が変化することで熱が出るのはどちらも同じですが、原子力(核分裂)と石油では物質の変化する「粒」のレベルが違います。石油は炭素や水素が酸素と結合して熱が発生しますが、原子が壊れたりはしません。原子力(核分裂)では、この原子が壊れる、つまり原子よりも小さい「粒」のレベルで変化が起こって熱などのエネルギーが発生します。
サザエさんの磯野家にたとえると、石油の燃焼では、マスオさん(石油)とサザエさん(酸素)が結合してタラちゃん(エネルギー)ができるわけですが、核分裂ではマスオさんそのもの分裂して、そこからエネルギーが出ます。(※石油を燃焼すると水と二酸化炭素になります。まあタラちゃんが産まれたということは、マスオさんもサザエさんもヴァージンではなくなってますね)

核分裂
核とは原子の「核」のことで、原子核=陽子+中性子で出来ています。この陽子と中性子を結びつけている力(+)がエネルギーです。(原子核の周りには電子が回っていて、この電子まで含めると原子となります)
原子核が分裂すると、この(+)が熱や放射線として出てきます。原子核の中性子が多い場合には、分裂するときに余分な中性子が放出されます。
ただ日常は原子核分裂はそう起こりません。

人工的に原子分裂を起こすには、分裂しやすい原子を使う必要があります。石油が燃えやすいので燃料として使っているのと同じです。その分裂しやすい原子がウラン235です。(核燃料にはウラン238も多く含まれます)。
http://www.ies.or.jp/ri_online/radiation/radiation02-8.html
ウランは陽子と中性子をたくさん抱えています。水をパンパンに入れたゴム風船みたいなもので破け(分裂)やすいです。そのため勝手に風船が壊れて、中の原子核が二つ以上に分かれてしまうことがたまにあります。それが核分裂です。勝手に分裂した原子核からは中性子(と放射能とエネルギー)が出ます。ここから出た中性子が、パンパンに膨らんだ風船にぶつかっても、風船は壊れてしまいます。
もしたくさんのウランを集めたらどうなるか?
ウランを集めれば集めるほど分裂する原子核は多くなり、そこから発せられる中性子によって分裂を起こす原子核も増えていきます。なにかに似てないでしょうか?
核分裂はドミノと同じです。ドミノを倒すとずっと倒れ続けるように、核分裂分裂も一度始まると止まらなくなります。原子炉も原爆もこの性質を利用しています。
一定の割合で核分裂反応が続くことを「臨界状態」と言い、核分裂反応が時間とともに多くなっていくのを「超臨界」と言います。
ウランの濃度を高めるというのは、ドミノの隙間を詰めるのと同じです。ドミノ隙間を詰めれば、ちょっとした振動でコマが倒れやすくなり、それが続いていくことになります。先ほど書いたようにウランは分裂しやすいです。ドミノで言えば、何もしなくてもコマが勝手に倒れるということです。なのでウランの濃度を高めれば高めるほど、その集まりの中で勝手に倒れるウランが増えていき、それが発する中性子によって分裂させられるウランも増えていきます。
原子炉では起動用中性子源というものを使って最初の核分裂を起こすそうです。そして連鎖反応が起こりやすいように、中性子の速度を遅くしてウランに中性子が取り込まれやすくする減速材というものが使われます。
原爆はウランを高度に濃縮しているので、この核分裂が一瞬のうちに起こり、とてつもないエネルギーが放出されます。これがいわゆる核爆発です。
原子炉はそれほどウランを濃縮していないので、核爆発は起こりません。原爆の核爆発をガス爆発にたとえるなら、原子炉の内の核分裂は木炭が燃えているようなものです。ただ、この核という木炭を燃やしたときに出る灰は放射性物質なので人体に極めて有害なのです。
核爆発を止めることはできませんが、原子炉の核分裂反応には止める手立てがあります。中性子が飛ぶのを防げばいいのです。それが「制御棒」です。制御棒は放射された中性子を吸収し、原子核が分裂しないようにします。
再臨界とは制御棒でいったん核分裂を止めたものの、その効果が十分発揮されず、また核分裂が勝手に起き始めたことを言います。ドミノが倒れるのを板を入れて防いでいたけれども、その板が取れて、また倒れ始めたとか、ドミノのコマが壊れて、床に落ちて、その床でその壊れたドミノが勝手にまた倒れ始めるようなものです。
いかんせん、専門ではないので勘違いしている部分があるかもしれません。
ご指摘があれば修正します(かなり間違っていれば、デマと同じなので削除します)。

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