原子力発電所または原子力発電プラント

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フィールド: 電気操作

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原子力を用いて電力を生成することができます。原子力発電所では、核反応によって電力を生成します。ここでは、ウラン（U235）やトーリウム（Th232）のような重い放射性元素が核分裂にかけられます。この分裂は、反応炉と呼ばれる特別な装置で行われます。

核分裂とは？

核分裂の過程では、重い放射性原子の核がほぼ等しい二つの部分に分割されます。この核の分裂時に大量のエネルギーが放出されます。このエネルギーの放出は質量欠損によるものです。つまり、初期製品の総質量は核分裂中に減少します。この核分裂時の質量の損失は、アルベルト・アインシュタインによって確立された有名な方程式に基づいて熱エネルギーに変換されます。

原子力発電所の基本原理は、従来の火力発電所と同じです。唯一の違いは、石炭の燃焼により発生する熱を使用する代わりに、原子力発電所では核分裂により発生する熱を利用してボイラー内の水を蒸気にする点です。この蒸気は蒸気タービンを駆動するために使用されます。

このタービンは発電機の原動機です。この発電機は電気エネルギーを生成します。原子燃料の入手可能性はそれほど高くありませんが、非常に少量の原子燃料でも大量の電気エネルギーを生成することができます。

これが原子力発電所の特長です。1kgのウランは高品質の石炭4500メートルトンに相当します。つまり、1kgのウランの完全な核分裂により、4500メートルトンの高品質石炭の完全燃焼によって生成されるのと同じ量の熱が生成されます。

そのため、原子燃料はコストが高いものの、単位あたりの電気エネルギーの原子燃料コストは、石炭やディーゼルなどの他の燃料によって生成されるエネルギーのコストよりも依然として低くなります。現在の時代における従来の燃料危機に対処するためには、原子力発電所は最も適した代替手段となります。

原子力発電所の利点

この発電所での燃料消費量は非常に少ないので、単位あたりのエネルギー生成コストは他の従来の発電方法よりもかなり低いです。必要な原子燃料の量も少ないです。
原子力発電所は、同じ容量の他の従来の発電所と比較して、はるかに小さなスペースを占めます。
この発電所は大量の水を必要としないため、天然の水源に近い場所に建設する必要はありません。また、大量の燃料も必要ないため、石炭鉱山や良好な輸送施設がある場所に建設する必要もありません。そのため、原子力発電所は負荷中心に非常に近くに設置できます。
世界中には原子燃料の大量の堆積物がありますので、このような発電所は今後数千年にわたって電力供給を継続できることが保証されます。

原子力発電所の欠点

燃料は容易に入手できず、非常に高価です。
原子力発電所の建設初期コストは非常に高いです。
この発電所の建設と運転開始は、他の従来の発電所よりも複雑で高度です。
核分裂の副産物は放射性であり、高レベルの放射能汚染を引き起こす可能性があります。
維持管理コストは高く、専門的な訓練を受けた人が必要となるため、原子力発電所を運営するのに必要な人員は非常に多いです。
負荷の急激な変動は、原子力発電所では効率的に対応できません。
核反応の副産物は高放射性であるため、これらの副産物の廃棄は大きな問題です。これらは地上深くまたは海岸から離れた海にしか廃棄できません。

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原子力発電所の主な構成部品

原子力発電所には主に4つの構成部品があります。

原子炉
熱交換器
蒸気タービン
発電機

これらの構成部品について順に説明します。

原子炉

原子炉では、ウラン235が核分裂にかけられます。これは核分裂が行われたときに始まる連鎖反応を制御します。連鎖反応を制御しないと、エネルギーの放出速度が速くなり、爆発する可能性があります。核分裂では、ウラン235などの核燃料の核が遅い中性子の流れによって衝突されます。この衝突により、ウランの核が破壊され、大量の熱エネルギーが放出され、核の破壊時に多くの中性子も放出されます。

これらの放出された中性子は裂変中性子と呼ばれ、さらに核分裂を引き起こします。さらに核分裂はより多くの裂変中性子を作り出し、核分裂の速度を加速します。これは累積的なプロセスです。

このプロセスを制御しないと、非常に短時間で核分裂の速度が非常に高まり、大量のエネルギーが放出され、危険な爆発が起こる可能性があります。この累積反応は連鎖反応と呼ばれ、原子炉から裂変中性子を取り除くことによってのみ制御できます。核分裂の速度は、原子炉から裂変中性子を取り除く速度を変えることで制御できます。

原子炉は円筒形の耐圧容器です。燃料棒は核燃料であるウランで作られており、一般的にはグラファイトで覆われています。グラファイトはウラン核との衝突前に中性子の速度を落とします。制御棒はカドミウムで作られています。カドミウムは中性子を強く吸収する材料だからです。

制御棒は分裂室内に挿入されています。これらのカドミウム制御棒は必要に応じて押し下げたり引き上げたりすることができます。これらの棒が十分に押し下げられると、ほとんどの裂変中性子がこれらの棒によって吸収され、連鎖反応が停止します。一方、制御棒が引き上げられると、裂変中性子の利用性が増し、連鎖反応の速度が上がります。

したがって、制御棒の位置を調整することにより、核反応の速度を制御し、それに伴って電力の生成を負荷要求に応じて制御することができます。実際には、制御棒の押し下げと引き上げは自動フィードバックシステムによって負荷の要求に応じて制御され、手動では制御されません。核反応中に放出された熱は、ナトリウム金属を冷却材として熱交換器に運ばれます。