原子力エネルギーとは エネルギー ・運動エネルギー ・位置エネルギー ・化学エネルギー ・原子核エネルギー ・熱エネルギー ・光エネルギー ・電気エネルギー ・静止エネルギー ・音エネルギー ・ダークエネルギー エネルギー 静止エネルギー： アインシュタインの特殊相対性理論によって示され た、質量が存在することにより生じるエネルギー。 E0=mc2 ダークエネルギー： 現代宇宙論および天文学において、宇宙全体に浸 透し、宇宙の拡張を加速していると考えられる仮説 上のエネルギー。 エネルギーの単位 ・運動エネルギー：kg・m2/s2 ・位置エネルギー： kg・m2/s2 ・化学エネルギー：cal ・原子核エネルギー：eV ・熱エネルギー：cal ・光エネルギー：m ・電気エネルギー：eV ・静止エネルギー：g ・音エネルギー：Pa ・ダークエネルギー： エネルギー ・仕事をすることのできる能力のこと。 ・物体や系が持っている仕事をする能力の総称。 「仕事」： 物体に加えた力と、それによる物体の位置の変位 の内積。単位はMKS単位系だと[N・m]もしくは[J]。 1[J]（＝1[N・m]）は1ニュートンの力がその方向に物 体を1メートル動かすときの仕事。 エネルギーの単位 ・運動エネルギー：kg・m2/s2 ・位置エネルギー： kg・m2/s2 ・化学エネルギー：cal ・原子核エネルギー：eV これらのエネルギーは全て「ジュール」で定量化で ・熱エネルギー：cal きる。 ・光エネルギー：m ・電気エネルギー：eV ・静止エネルギー：g ・音エネルギー：Pa ・ダークエネルギー： 原子力発電 ・運動エネルギー ・位置エネルギー ・化学エネルギー ・原子核エネルギー ・熱エネルギー ・光エネルギー ・電気エネルギー ・静止エネルギー ・音エネルギー ・ダークエネルギー ③ ① ② ④ 電気エネルギーを作る 発電機： 電磁誘導の法則を利用して、機械的エネルギーから電 気エネルギーを得る機械 電磁誘導： 磁束が変動する環境下に存在する導体に電位差が生じ る現象。このとき発生した電流を誘導電流という。 機械的エネルギーを作る タービン： 蒸気などを大きな羽根に当て、その軸を高速回転させる。 （高温高圧の蒸気がノズルから噴射されると、圧力や温 度が低下すると同時に速度が増加） 高圧の水蒸気でタービンを回し た場合、回したあとの蒸気はま だエネルギーを持っているので、 中圧、低圧タービンを用意して おき、上記のエネルギーを「使 い切る」。 「高温高圧の蒸気」とはどの程度？ 原子力発電所：約284℃、6.8MPa（約68気圧） 68気圧：680m高さの水柱底面の圧力程度 圧力 （MPa） 超臨界 液相 22.064 0.101325 気相 99.974 373.95 温度（℃） 「高温高圧の蒸気」とはどの程度？ 原子力発電所：約284℃、6.8MPa→熱効率30%程度 石炭火力発電所：約600℃、25MPa→熱効率45%程度 ・火力発電所では超々臨界圧蒸気が使用されており、高効率。 ・原子力発電所では、燃料の被覆管の材料（ジルコニウム）が高温 に弱いため、温度に制限がある。 ・超臨界圧軽水を用いた原子炉（Super-critical water reactor）も提案されている。 熱効率は45%程度（被覆管材料としてはステンレス鋼、ニッケル合金等が考えら れている）。 ・ただし、超臨界水は酸化力が極めて強いため、材料の腐食性が増してしまう （腐食生成物がタービン系へ）。火力発電所では添加物で対応している。 ・石炭火力発電では先進超々臨界圧蒸気の利用についての技術開発が進めら れている（蒸気温度700℃）。 発電システム 高温高圧蒸気 噴射による運動エネルギー 熱エネルギー 発生装置 タービン 電気 発電機 軸回転による運 動エネルギー 蒸気を作る熱エネルギー発生装置として「原子力」 を使うのが原子力発電。 化学エネルギーと原子力エネルギー ガソリンの燃焼エネルギー： C8H18 + 25/2 O2 = 8CO2 + 9H2O + 5,500,000 [J/mol] １リットルのガソリンの 燃焼エネルギー： 43,000,000 [J] 大気圧下で０度の水を何リット ル沸騰させることができるか？ 化学エネルギーと原子力エネルギー ガソリンの燃焼エネルギー： C8H18 + 25/2 O2 = 8CO2 + 9H2O + 5,500,000 [J/mol] １リットルのガソリンの 燃焼エネルギー： 43,000,000 [J] 大気圧下で０度の水を何リット ル沸騰させることができるか？ → 約16リットル 化学エネルギーと原子力エネルギー ウランの核分裂エネルギー： 直径1cm 高さ1cm ウランペレット（濃縮度4.1wt%）の U-235の全核分裂エネルギー： 24,000,000,000 [J] 大気圧下で０度の水を何リット ル沸騰させることができるか？ 化学エネルギーと原子力エネルギー ウランの核分裂エネルギー： 直径1cm 高さ1cm ウランペレット（濃縮度4.1wt%）の U-235の全核分裂エネルギー： 24,000,000,000 [J] 大気圧下で０度の水を何リット ル沸騰させることができるか？ → 約9,000リットル 化学エネルギーと原子力エネルギー ウランの核分裂エネルギー： 直径1cm 高さ1cm ウランペレット（濃縮度4.1wt%）の U-235の全核分裂エネルギー： 24,000,000,000 [J] 大気圧下で０度の水を何リット ル沸騰させることができるか？ → 約9,000リットル 深さ1m、一辺3mのプール相当 化学エネルギーと原子力エネルギー 直径1cm 高さ1cm ＝ × 500セット 原子力エネルギーはそのエネルギー密度が非常に高い ・備蓄が容易 ・補給の頻度が低い ・… 100万kWの発電所を１年間運転するために必要な燃料 「原子力図面集2014」より 化学エネルギーと原子力エネルギー 核分裂しやすいウラン： 4%くらい 直径1cm 高さ1cm ウランの酸化物：UO2 残りのウランは、それ自身は 核分裂しにくい 核分裂しにくいウランを利用できれば、さらにエネルギーを取り出せ る。そのような技術は工学的には実証されている（商業的には未だ）。 化学エネルギーと原子力エネルギー ウランの核分裂エネルギー： 直径1cm 高さ1cm ウランペレット（濃縮度4.1wt%）の全 ウランの全核分裂エネルギー： 580,000,000,000 [J] 大気圧下で０度の水を何リット ル沸騰させることができるか？ → 約220,000リットル 深さ1m、一辺3mのプール相当 が25個分
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