u 核エネルギーの工学的利用～核分裂反応を中心として～第１１回 / 2005.12.01

u核エネルギーの工学的利用 ～核分裂反応を中心として～第１１回/ 2005.12.01

【講義内容・達成目標】 ・核分裂反応と原子炉・核融合反応の基礎 ■ 講義内容現在使われているエネルギー機器とその将来性について熱力学的な観点から理解することができる．エネルギーをテーマとした英語の文献を読み，その概要を理解することができる． ■ 達成目標Ｃ－１・Ｋ－１・Ｊ－２ ■ 学習目標

核力原子分子～10-15m 静電気力 ∞ 核子電　子化学反応原子核反応０．粒子の反応レベル陽　子中性子原子核

１．Fermiによる中性子の吸収実験（１） - Enrico Fermi ( 1901-1954 ) , working in Rome in 1934, was doing some interesting experiments. He wanted to know what would happen when he bombarded the nuclei of elements with neutrons. - The neutrons, he thought, were better for bombarding the nuclei than the alpha particles and protons that have been used. - The advantage of the neutrons is that they have no electric charge while both the alpha particle and the proton have a positive charge. Therefore the neutron can more easily hit the nucleus, which has a positive charge.

U 238 ２．Fermiによる中性子の吸収実験（２） - When Fermibombardeduranium atoms, which have a mass number of 238, the resulting atoms had a mass number of 239. n new element (A=239 ?) v超ウラン元素（Z>92）の人工生成を目的とした実験

ニュートリノ β線実験の結果，予想と違う元素が生成される３．Fermiによる中性子の吸収実験（３） - Fermi believed that the uranium atoms had caught the neutrons, and had become atoms of a new element with a mass number of 239. 1 0 1 1 n → p + e-+ν　　　（β-decay）

４．核分裂反応の発見 - Hahn and Strassmann observed small amounts of two different lighter weight elements, barium and krypton. Fermiの実験で得られた生成物の確認に成功 tHahn, Strassmann（1938） “低速中性子によるウランの核分裂”

５．実験結果の解釈（１） - They also thought that bombarding radioactive elements with neutrons releasedgreat amounts ofenergy. - They asked Lise Meitner to explain the results. She thought the results proved the truth of Einstein's theory that mass can be changed into energy. The uranium atom, she believed, was actually divided by the neutron. 原子核反応に伴う質量変化 ∥ 解放エネルギー DE = DM c2

６．実験結果の解釈（２） - It produced two different lighter weight elements, barium and krypton. 核分裂 - This process, which she called atomic fission, released energy of 200 million electron volts for every atom that was divided.

７．核分裂反応 核分裂反応（nuclear fission）核融合反応（nuclear fusion） v原子核反応核分裂反応重い原子核にα粒子，中性子，陽子などが衝突すると，原子核が２個に分裂する反応 ※反応によって解放される　エネルギーが大きい

① ② ① 結合する際に余るエネルギー ② 結合している核子を引き離すのに必要なエネルギー８．結合エネルギー B atomic nucleus proton neutron ＋ A B Z A－Z

核融合 核分裂９．結合エネルギーと原子核反応の方向

1 0 n（2～3個）１０．ウラン原子の核分裂 235 92 1 0 核分裂生成物　＋ U＋ n　→ 熱中性子高速中性子～0.025 eV ～2 MeV v反応例 235 92 1 0 141 56 92 36 1 0 U＋ n → Ba ＋ Kr ＋ 3n 235 92 1 0 147 57 87 35 1 0 U＋ n → La＋ Br ＋ 2n

※同位体存在比 U 0.006% 234 U 0.720% 235 U 99.274% 238 １１．連鎖反応 235 92 1 0 1 0 U＋ n → X1＋ X2＋ n 減速材，moderator 冷却材，coolant 235 92 1 0 1 0 U＋ n → X1＋ X2＋ n

１２．核分裂による解放エネルギー 235 92 1 0 1 0 U＋ n → X1＋ X2＋2～3 n＋ 200 Mev 【内訳】（Mev） Xの運動エネルギー nの運動エネルギー Xからのβ線 Xからのγ線（瞬時） Xからのγ線（遅発）　　　　　　　　　合計 165 5.2 9 7.8 7.2 194.2

１３．原子力発電の基本構造　－BWRの場合－ Boiling Water Reactor

１４．核融合反応 核分裂反応（nuclear fission）核融合反応（nuclear fusion） v原子核反応核融合反応いくつかの原子核が反応して，そのどれよりも重い原子核が１個できる反応

１５．核融合炉での核融合反応 v重水素（Deuterium），三重水素（Tritium）が関与する反応 2 1 3 1 4 2 1 0 D＋ T → He ＋ n （17.6） DT反応 2 1 2 1 3 2 1 0 D＋ D→ He ＋ n （3.2） DD反応 2 1 2 1 3 1 1 1 D＋ D→ T ＋ p （4.0） DD反応 2 1 3 2 4 2 1 1 D＋ He→ He ＋ p （18.4） ※（　）内は生成物の運動エネルギー，単位 MeV

１６．Tritiumの増殖 D2O, 0.015% 4 D＋ T → He ＋ n （17.6） DT反応高速中性子 6 4 Li＋ n→ T ＋ He （4.8） vDT反応で生じた高速中性子をLiにあててTを増殖

【演習】 電気出力1000 MW，発電効率 h ＝35 % の原子力発電所を設計したい．この発電所を１年間連続稼動させる場合に必要な天然ウランの量を求めよ．ただし　　U が１回の核分裂反応で解放するエネルギーの平均値を200MeV とし，そのエネルギーがすべて電力に変換されるものと仮定する． ※必要な定数については物理定数表を参照のこと 235

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