第21章核化学
Fission Reactors核分裂炉
Chain reactions of fissionable materials can be controlled and sustained without an explosion in a nuclear reactor (Figure 21.19). Any nuclear reactor that produces power via the fission of uranium or plutonium by bombardment with neutrons must have at least five components: nuclear fuel consisting of fissionable material, a nuclear moderator, reactor coolant, control rods, and a shield and containment system. We will discuss these components in greater detail later in the section. The reactor works by separating the fissionable nuclear material such that a critical mass cannot be formed, controlling both the flux and absorption of neutrons to allow shutting down the fission reactions. In a nuclear reactor used for the production of electricity, the energy released by fission reactions is trapped as thermal energy and used to boil water and produce steam. The steam is used to turn a turbine, which powers a generator for the production of electricity.
英語のヒント
原子炉では、核分裂性物質の連鎖反応を、爆発させずに制御・維持できる(図21.19)。中性子を当ててウランやプルトニウムを核分裂させ、動力を得る原子炉には、少なくとも5つの構成要素が必要である。核分裂性物質からなる核燃料、減速材、冷却材、制御棒、遮蔽・格納設備である。後で詳しく扱う。原子炉では核分裂性物質を分離し、臨界質量ができないようにするとともに、中性子束と吸収を制御して核分裂を停止できるようにする。発電用の原子炉では、核分裂が放出するエネルギーを熱として取り出し、水を沸かして蒸気を作る。蒸気がタービンを回し、発電機を動かして電気を作る。
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Figure 21.19図 21.19
(a) The Diablo Canyon Nuclear Power Plant near San Luis Obispo is the only nuclear power plant currently in operation in California. The domes are the containment structures for the nuclear reactors, and the brown building houses the turbine where electricity is generated. Ocean water is used for cooling. (b) The Diablo Canyon uses a pressurized water reactor, one of a few different fission reactor designs in use around the world, to produce electricity. Energy from the nuclear fission reactions in the core heats water in a closed, pressurized system. Heat from this system produces steam that drives a turbine, which in turn produces electricity. (credit a: modification of work by “Mike” Michael L. Baird; credit b: modification of work by the Nuclear Regulatory Commission)
(a) サンルイスオビスポ近郊のディアブロキャニオン原子力発電所は、現在カリフォルニアで運転中の唯一の原子力発電所である。ドームは原子炉の格納構造で、茶色の建物に発電用タービンが入る。冷却には海水を使う。(b) 世界で使われる核分裂炉の形式の1つ、加圧水型原子炉を採用している。炉心の核分裂で、密閉・加圧された系の水を加熱し、その熱で蒸気を作ってタービンを駆動し、電気を生む。(出典:aは「Mike」Michael L. Baird、bは米原子力規制委員会の作品を改変)
Nuclear Fuels核燃料
Nuclear fuel consists of a fissionable isotope, such as uranium-235, which must be present in sufficient quantity to provide a self-sustaining chain reaction. In the United States, uranium ores contain from 0.05–0.3% of the uranium oxide U3O8; the uranium in the ore is about 99.3% nonfissionable U-238 with only 0.7% fissionable U-235. Nuclear reactors require a fuel with a higher concentration of U-235 than is found in nature; it is normally enriched to have about 5% of uranium mass as U-235. At this concentration, it is not possible to achieve the supercritical mass necessary for a nuclear explosion. Uranium can be enriched by gaseous diffusion (the only method currently used in the US), using a gas centrifuge, or by laser separation.
英語のヒント
核燃料は、U-235のような核分裂性同位体からなり、自ら持続する連鎖反応に十分な量が必要である。米国のウラン鉱石には、酸化ウランU3O8が0.05〜0.3%含まれる。鉱石のウランは約99.3%が核分裂性でないU-238で、核分裂性のU-235は0.7%にすぎない。原子炉には天然より高いU-235濃度の燃料が必要で、通常、ウラン質量の約5%がU-235となるまで濃縮する。この濃度では、核爆発に必要な超臨界質量には到達できない。濃縮方法には、米国で現在唯一使われている気体拡散法のほか、ガス遠心分離、レーザー分離がある。
In the gaseous diffusion enrichment plant where U-235 fuel is prepared, UF6 (uranium hexafluoride) gas at low pressure moves through barriers that have holes just barely large enough for UF6 to pass through. The slightly lighter 235UF6 molecules diffuse through the barrier slightly faster than the heavier 238UF6 molecules. This process is repeated through hundreds of barriers, gradually increasing the concentration of 235UF6 to the level needed by the nuclear reactor. The basis for this process, Graham’s law, is described in the chapter on gases. The enriched UF6 gas is collected, cooled until it solidifies, and then taken to a fabrication facility where it is made into fuel assemblies. Each fuel assembly consists of fuel rods that contain many thimble-sized, ceramic-encased, enriched uranium (usually UO2) fuel pellets. Modern nuclear reactors may contain as many as 10 million fuel pellets. The amount of energy in each of these pellets is equal to that in almost a ton of coal or 150 gallons of oil.
英語のヒント
U-235燃料を作る気体拡散濃縮施設では、低圧のUF6(六フッ化ウラン)ガスを、UF6がぎりぎり通れる穴をもつ隔壁に通す。わずかに軽い235UF6分子は、重い238UF6分子より少し速く拡散する。数百の隔壁でこの過程を繰り返し、235UF6の濃度を原子炉に必要な水準へ徐々に高める。原理となるグレアムの法則は、気体の章で説明した。濃縮UF6を回収し、固化するまで冷やして燃料加工施設へ送り、燃料集合体にする。集合体は燃料棒からなり、棒の中には指ぬきほどの大きさの、セラミックで包まれた濃縮ウラン、通常UO2の燃料ペレットが多数入る。現代の原子炉には最大1000万個のペレットが入ることがある。1個のエネルギーは、石炭約1トン、または石油150ガロンに相当する。
Nuclear Moderators中性子減速材
Neutrons produced by nuclear reactions move too fast to cause fission (refer back to Figure 21.17). They must first be slowed to be absorbed by the fuel and produce additional nuclear reactions. A nuclear moderator is a substance that slows the neutrons to a speed that is low enough to cause fission. Early reactors used high-purity graphite as a moderator. Modern reactors in the US exclusively use heavy water or light water (ordinary H2O), whereas some reactors in other countries use other materials, such as carbon dioxide, beryllium, or graphite.
英語のヒント
核反応で生じる中性子は、核分裂を起こすには速すぎる(図21.17参照)。燃料に吸収されて新たな核反応を起こすには、まず減速しなければならない。減速材とは、中性子を、核分裂を起こせるほど低い速さにする物質である。初期の原子炉は高純度の黒鉛を減速材に使った。米国の現代の原子炉は、もっぱら重水または軽水(通常のH2O)を使う。他国の原子炉には、二酸化炭素、ベリリウム、黒鉛などを使うものもある。