２１世紀の自然科学『エネルギーと熱』第４部原子力エネルギー正確に理解するための最小限の材料を提供し、私の意見は最後に話します。物質の構成元素（element）：物質を構成する基本的要素の種類水素，酸素，炭素，．．．カルシウム，．．．鉄，鉛，．．．ウラン，．．．元素記号： H, O, C,… Ca,… Fe, Pb,… U,… 原子（atom）：各元素の構造の最小単位大きさ：『パチンコ玉：鉄の原子＝地球：パチンコ玉』分子（molecule）：様々な物質の構造の最小単位いくつかの原子の結合したもの化学反応（化学エネルギー）分子を構成する原子の組み替えがおきる現象水素分子＋酸素分子水素原子水の分子酸素原子炭素原子メタン（天然ガス）＋酸素炭酸ガス＋水酸化反応：ほとんどの場合、発熱する。燃焼（爆発）激しく反応『水素爆発』鉄がさびる：これもゆっくりとした酸化反応 → ホカホカカイロ燃料電池：水素の酸化反応をゆっくりと起こさせ、電気エネルギーに変える。原子の構造（原子核と電子）水素原子の原子核（陽子）正の電気をもつ粒子電子：負の電気をもつ粒子（電気量は符号はちがうが同じ大きさ）電子は核の周りで広がった存在に近い。原子原子：原子核＝教室：パチンコ玉電子はさらにその１０００分の１以下（大きさも質量も）原子核の構造核子陽子ｐ中性子 1 水素 1 4 ヘリウム 2 ｎ：陽子と大きさ・質量は同じで電気的には中性 6 リチウム．．． 3 核子の数Ａ：質量数陽子の数Ｚ：原子番号ＡＺ 16 酸素．．． _8 Ｘ 23 ナトリウム 11 Ｘ＝元素記号電子の数は陽子の数と同じ陽子の数で電気量がきまり、周りを回っている電子の数も決まる。 → 元素の化学的性質を決定する。金属原子核の周りにある電子のうち、外の方を回っている電子は原子から離れやすい。この性質をもつ原子が固体を作ると、これらの電子（自由電子）が固体の中を自由に動き回れるようになり電流を運ぶ。電流電圧（発電機）電気エネルギーの利用のほとんどはこの電流から出発する。発熱作用（電熱器、光源）、磁気作用（モーターなどの動力利用）（電子そのものの利用：エレクトロニクス）核融合エネルギー（太陽、水素爆弾）（基本粒子）宇宙の始まり → クォーク物質粒子の形成（ハドロン） → 陽子電子中性子（レプトン）陽子クオークグルオン陽子（正の電気どおしでも結びつく）最初にできる元素が水素自己重量太陽などの恒星重力によって凝縮されて陽子が密集すると結合するようになり、核融合反応がおき始める。核融合反応：水素など小さい原子核が融合して大きな核になっていく現象銀河と星の誕生ハドロン最初は水素ガスが球状に集ってくる。自己重力によって収縮し、水素原子が凝集して星ができ始める。核融合比較的軽い元素がぶつかって融合し、より大きな元素になる。４太陽（恒星） 1 1 4 2 ＨＨｅ＋２e＋『陽電子』（正の電子）水素爆弾 2 3 1Ｈ＋ 1Ｈ重水素３重水素 4 2 Ｈｅ＋ｎ（普通の水素より中性子の数が多い）重水素は天然（海水）に０．０１５％存在３重水素はリチウムから製造する： 6 3 Li ＋ｎ 3 1 Ｈ＋ 4 2 Ｈｅ超高温状態（プラズマ状態）でないと融合反応が起きない。核融合反応のエネルギー１ｇの水素から、２．４×１０９ｋJ ＝５．７×１０８ｋｃａｌ約１０００トンの水が沸騰（気化）する。ｃｆ水素の燃焼熱（あるいは燃料電池）＝１ｇで 142 ｋJ （34 ｋｃａｌ）＝核融合エネルギーの１７００万分の１ → １７トン必要『水素爆発』は？原子炉の高熱と放射線により水の分子が分解して発生した水素ガスが燃えた化学反応太陽の莫大なエネルギー源人工的には、水素爆弾（制御する必要なし）として実現されたが、制御可能な核融合炉は実現できていない。「人工の太陽」原子力エネルギー（核エネルギー）の話（はじめに）核融合反応によってできる物質は鉄や鉛などの金属で安定するが、さらに大きな元素は不安定。また同じ元素でも中性子の数が異なる核（同位元素、アイソトープ）で不安定なものが存在する。様々な放射線を出して崩壊し安定な核になる。（自然崩壊）またわずかな刺激で分裂して小さい核になる。（核分裂）理解に必要な基礎概念（１）同位元素、自然崩壊、半減期（２）放射線、放射能、放射性物質、（ベクレル、シーベルト）（３）核分裂、原子炉、臨界（未臨界）、（増殖炉）．．．同位元素（アイソトープ）原子番号（陽子数）Zが同じで、質量数Aが異なるもの（したがって中性子数が異なるもの）を同位元素という。水素の仲間：ｐ水素炭素の仲間ｐｎ重水素ｐｎｎ３重水素 12 _6 13 _6 Ｃ安定：自然界で98.9% Ｃ比較的安定：自然界で1.1% 14 _6 Ｃ放射性同位体ごく微量、半減期５７３０年大気中 14 Ｎ _7 14 _6 Ｃ → ＋ｎ（太陽宇宙線） → 14 _7 Ｎ＋ｅ－電子 14 Ｃ _6 ＋ｐ陽子半減期非放射性元素（窒素）Ｒ（ｔ）＝Ｒ（０）×（0.5）ｔ／τ 自然崩壊によるC14の比率の減少（半減期 τ）半減期 0 5730 11460 17190 年放射線：放射性物質から出る高速粒子線 α線ヘリウム原子核 β線電子であるが、高速（運動エネルギーの大きいもの）は人体に害を＿＿＿及ぼす γ線、X線電磁波（ガンマ）細胞、遺伝子（染色体）を破壊する。 → ガンを誘発。逆にガン細胞をねらいうちすることで治療にも利用される。（中性子線）強いものを一時に浴びると危険であるが、半減期が短い。質量が陽子とほぼ同じで、電気的には中性の粒子半減期＝１２分ｎ → ｐ＋ｅ（β線＝電子）放射性物質天然：ラジウム、ラドン、ウラン、．．．その他、微量な放射性同位体原子炉廃棄物：ヨウ素131、セシウム137、ストロンチウム90などの放射性同位体放射能の強さの表し方ベクレル＝放射線源の強さを表す「光源の明るさ」 1秒間に1個の原子核が崩壊したとき出る量が1ベクレル「ある放射性物質 1ｋｇからこれこれの量」という形で放射量を表す。グレイ＝体が吸収した放射線量を表す。（体重1kg ＿＿＿＿＿＿＿あたりで吸収した放射線のエネルギー総量）「１時間あたりにこれこれ」という言い方で強さを表す。「紙面の明るさ」べクレル吸収量グレイ（シーベルト）離れるほど弱くなる。（注意）同じ強さ（ベクレル）の放射線源であっても、（１）そこからどれだけ離れていたか、（２）どれくらいの時間にわたって被曝したか、（３）出された放射線がどのような種類のものか、によって体組織が受ける影響は違ってくる。シーベルト：放射線の種類や粒子の速さによって体組織に与える効果が異なるため、定められた重率をかけて換算する。（←これが『各種貨幣の枚数と総額の関係』のたとえ）放射線の強さを表すときには「１時間あたり○○シーベルト」と言うのに対し、被曝による身体への影響は、これに被曝時間をかけた被曝総量（シーベルト）で表す。（例）Ｘ線（レントゲン）撮影による被曝１回あたりの被曝総量は 0.2ミリシーベルト程度（年間自然被曝量の 1/10 程度）である。放射線としてはかなり強いが被曝の時間が短いため、この程度になる。内部被曝：体内に入った放射性物質からは、離れるわけにはいかない！例：汚染された野菜＝放射線源（ベクレル）体が受ける放射線の強さ（時間あたりシーベルト）は、線源からどれだけ離れているかによるが、放射能で汚染された野菜が食物として体内に入った場合には、体外に出て行くまでの時間の間に体の組織にどれだけ影響を与えるかを考慮して、シーベルト（被曝総量）に換算して表すことができる。ただし、この場合でも、汚染された野菜なら「何ｋｇ食べたら」、水や牛乳なら「何リットル飲んだら」という形で線量を表す。出された放射線（ベクレル）は全部、体の組織を通過する。１マイクロ＝１０００分の１ミリ自然放射線量通常でも空や大気、鉱物などから１年間で１～２ミリシーベルト（1時間あたりにして 0.2マイクロシーベルト）程度の放射線を受けている。この平常値は国や都道府県によって異なるが、事故における人為的被曝の危険性を判断する目安になる。自然内部被曝 38 19 12 _6 K Ｃ（通常時の食物による摂取）の同位元素の同位元素 40 19 14 _6 1kg の野菜（ほうれん草）でＫ 0.01%，半減期 12.5億年、γ線Ｃごく微量半減期 5700年 40 19 Ｋは約200ベクレル体重60kgの体内には約3300ベクレルが恒常的に蓄積されている。「半減期が短いものは安全なのか？」 No! 同じ量なら、出される放射量（時間あたり）は、むしろ強い。比較的短い期間で非放射物質に変わるから、しばらく避難しておれば安全になるということ。半減期が長いものは、いつまでも放射を続ける。（除染が必要）「ヨウ素剤について」ヨウ素は体の中の必須元素の一つであり、体内に吸収されやすい（特に甲状腺）。そこで、放射性のヨウ素131（半減期＝８日）に曝される危険があるときは、あらかじめ安全な普通のヨウ素を十分摂取して満杯にし、それ以上に吸収されにくい状態にしておけばよい。自然放射能と人工放射能出される放射線の種類や危険性は同じであるが、自然界の放射性物質は、人類、生物が何十万年もかけて耐性を得て適応してきた。これに対して原爆や原子炉で人為的に発生する放射性物質は生物にとっては未体験の新たな物質であり、これに対する耐性はできていない。ヨウ素１３５やストロンチウム９０のように体に必要な元素の放射性同位体やカルシウムに置き換わるものは、取り込まれ蓄積されやすいという危険性がある。微量放射線の影響についてはまだ定説はない段階であるが、以上の理由から人為的放射性物質はゼロ（ＮＤ）であることが望ましいことは言うまでもない。（原子力エネルギー）質量数 Z の大きい元素は、比較的不安定人工核分裂 → 核分裂１９３８ハーン（独）ウランの分裂に成功１９４１フェルミ等（米）連鎖反応に成功１９４５広島、長崎に原子爆弾陽子数 Z 中性子数 A－Z 例ウランの仲間濃縮 238 _92 Ｕ 99.3% 235 _92 Ｕ 0.7% 重い元素安定中性子が過剰Ａ＞２Ｚ放射性、半減期７億年Ｃｆ軽い元素 1 1 Ｈ 4 2 Ｈｅ 12 _6 Ｃ 14 _7 Ｎ 16 _8 ＯＡ＝２Ｚｐとｎが同数原子炉ウラン中性子 235 _92 Ｕ＋ｎ → ストロンチウム 94 38 89_ 36 Ｋｒ + 144 _56 Ｉ，＋２ｎ＋３ｎバリウムＢａヨウ素 131 _53 発電キセノン Sr ＋ 140 _54 Xe クリプトン連鎖沸騰水型、加圧水型（分裂による生成物）セシウム 13７ _55 Ｃｓ放射性廃棄物熱中性子熱 ↑ 二次冷却水 ↑ 熱交換 ↑ → 一次冷却水ガンマ線原子爆弾連鎖反応：発生した中性子を水で減速して再度燃料にぶつけることにより、次々に分裂反応が起きる。物が燃えるのも同じように連鎖反応である。燃えるには気体になる必要がある。可燃ガスになって燃える蝋が融けて蒸発熱この連鎖を断てば、火は消える。江戸の火消し＝隣家の破壊作業燃料を分散して隔離すればよい。連鎖反応：発生した中性子が再度ウランにぶつかることにより、次々に分裂反応が起きる。中性子 ↓有効中性子（別のウランにぶつかる中性子）臨界量：この有効中性子数が１以上になると、連鎖反応が起きる。（例えは悪いが、インフルエンザの流行に似ている。）燃料の大きさがある限界を超えウラン原子が接近すると、発生した中性子が、外へ出る前に別のウランにぶつかり、連鎖反応が起きるようになる。未臨界制御棒臨界燃料棒停止炉中性子この密度ではまだ、連鎖反応は起きない。臨界に達すると連鎖反応が始まる。制御棒が中性子を吸収し、連鎖反応が止まる。（メルトダウン）燃料棒はまだ熱い。（余熱＋放射性物質の崩壊）せっかく未臨界になって停止しても、冷却機能が止まると燃料棒が熱により融けて大量に集まることにより冷却水蒸発再び臨界に達して、連鎖反応が始まる。注：天然にはＵ235はわずかの濃度でしか含まれない。＿大部分を占めるＵ238は燃料にはならない。高速増殖炉水で減速して連鎖反応通常の原子炉Ｕ 235 _92 非燃料 238 _92 ＋ｎ → 放射性元素＋数倍のｎ一部はＵ＋ 239 _93 ｎ → 239 _92 U 倍増！ 23分Ｐｕ＋ 239 _94 Np β崩壊残りは 239 _94 放射性プルトニウム＝原子炉の生成物ｎ → 分裂核種＋３ｎＰｕ 2.4日従来は核兵器に使用新たな燃料１個あれば連鎖反応の臨界減速しない高速中性子が必要：このため、一次熱交換に液体ナトリウムを使う。（これが水に比べて危険物）原子力エネルギーはどこから出てくる？ｃｆ化学反応（たとえば燃焼、酸化反応）発熱Ｈ２ＯＨ２Ｈ２化学エネルギーの差Ｏ２＞化学エネルギー＝分子のエネルギー原子核ー原子核原子核ー電子電子ー電子Ｈ２ＯＨ２分子ーの電気的位置エネルギー（結合エネルギー）＋＋ー原子核反応のエネルギーは質量（差）で表される。核反応エネルギー＝光速（原料の総質量－生成物の総質量）×ｃ２『質量欠損』ウラン 235 _92 Ｕ＋バリウムｎ → 144 _56 Ｂａ＋クリプトン 89_ 36 Ｋｒ E = m c2 中性子＋３ｎ (235.0439u + 1.0087u) – (140.9139u + 91.8973u + 3×1.0087u) = 0.2153u 1u = 普通の炭素原子の質量の1/12 = 1.66×10-27 kg 235.0439 ： 0.2153 ＝ 1 ： 0.00092 ウラン235 １ｇから 0.00092 ｇの質量欠損＝ 830億 J（ジュール）のエネルギー ( c = 3.0×108 m/s) ＝ 2 TOE （石油換算トン）：化学的エネルギー＝ 200億カロリー＝約40 トンの水が沸騰（気化）する。日本国内の平均発電量＝約１．２億キロワット（＊）（１秒あたりのエネルギー生成あるいは消費量） 3600秒×24時間倍して１日あたり平均発電量＝ 101３キロジュール (消費量) ＝ 20万 TOE（～小型タンカー１隻に匹敵）＝ウラン235 １００ｋｇ（～サッカーボール大）（＊）現在、日本国内の原子力依存度は約２５％と言われている。原料『イエローケーキ』「放射能発生域」（X線なども含む）なぜ原発か？（設置者側の主張）建設費用、ランニングコストが安い。化石燃料の枯渇。（最近の論調）クリーン＝「ＣＯ２を出さない」しかしぃ．．．．．使用済み燃料は？いったん事故が起きると深刻な災害となる：近隣住民の「生存権」の侵害が起きている。国（＝国民）による費用負担「決して安くない」原発事故は最高級の公害・環境汚染自然エネルギー（太陽光、風力など）は採算がとれないのか？