総合科目『放射線の基礎と応用』~ 原子力エネルギー~

筑波大学

数理物質科学研究科【筑波大学理工学群物理学類物理学専攻担当】

三明康郎
第１章 光と影
第２章 原子核物理入門
第３章 原子力発電（原理、利点、問題点）
第４章 放射線の人体に及ぼす影響
第５章 リスク管理という考え方

放射線の基礎と応用、2011.2.14

レポート（来週の授業前に回収します）

放射線を用いた医療（診断と治療）
ウィキメデイアコモンズ

レントゲン夫人の手のX線写真••

http://www.pi.hitachi.co.jp/Div/power/
atom̲report/2009463̲17320.html

筑波大学陽子線医学利用研究センター

診断；透過写真、断層写真
治療；γ線照射、陽子線照射、重イオン線照射

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使っている電力の約半分が原子力！
東京電力• 原子力って大丈夫？
✓ JCO事件✓ ¡™Ÿ Ãﬁ≤ｲÿ事故• 天然素材の石炭や石油の方がいいんじゃないの？
• 放射線って恐い！？

よく知り正しく怖がる
放射線の基礎と応用、2011.2.14

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第２章

原子核物理入門~原子力エネルギーとは？~放射線の基礎と応用、2011.2.14

物質の成り立ち

クォーク
電子
分子・原子

10 cm
10−610-6 cm

10-8 cm

原子核

陽子・中性子

10-12 cm

10-15 cm

1=
1, 000, 000

放射線の基礎と応用、2011.2.14

5化学反応と原子核反応
エネルギーの単位；eV
1 eV；１個の電子が１Vの電圧から得るエネルギー[1 eV = 1.6x10-19 J]

C+O2→CO2

4.2 eV

1.5 V

~MeV

• 個々の化学反応は、~eV•
原子核反応は、~MeV=106eV•→１００万倍！
• 物質の階層によってエネルギースケールが変化
放射線の基礎と応用、2011.2.14

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様々な原子核
11原子核；

H陽子
Z=1N=021H重陽子
Z=1€中性子 € N=1Z=0N=142He126C

原子量
原子番号23892ヘリウム
Z=2N=2€炭素
Z=6N=6U

元素

ウラニウム
Z=92
N=146

A=N+Z= 238€• 陽子と中性子が集まった原子核✓ 鉛やウラニウムなど原子核は球状€✓ 多くの核子（陽子や中性子）の集まった原子核ほど大きい€
放射線の基礎と応用、2011.2.147原子と原子核の違い
H

238
92

U
11+1+92

UH

r= 1.2 fm=1.2x10-15m€

r ~ 10-10m€
r ~ 10-10m

r= 7.4 fm• 原子の大きさは、HからUまでほぼ同じ✓ 原子の大きさ＝原子電子の分布の拡がり✓ 電子と原子核の間に働く力は電気的な力➡ →電磁気力の到達距離は無限遠まで（光子の質量；０）• 原子核は、核子の数に比例した体積✓ 原子核は核子というパチンコ玉を結合させたようなもの✓ 核子と核子の間に働く力は、核力➡ →核力の到達距離は短い（湯川の中間子論→中間子の質量；130MeV）
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8核力と湯川中間子論
不確定性関係（量子力学）

 = c ⋅ Δt
陽子／中性子ΔE ⋅ Δt ~ h
核力を媒介する粒子（特殊相対論）

陽子／中性子ΔE = mπ c€
ΔE = mπ c

パイ中間子• 湯川の中間子論

€

2

€
€

2

核力の到達距離h = c ⋅ Δt ~=≈ 2 [fm]mπ c∴ m π ~ 100 MeV/c 2✓ 核力は中間子をやりとりすることによって生ずる✓ 核力の到達距離は中間子の質量によって決まる€• 原子を構成する力は電気的な力（クーロン力）✓ クーロン力は光子をやりとりすることによって生ずる✓ 光子は質量が零なので、クーロン力は遠方まで到達する
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9原子核の結合エネルギー［ B ］

B/A (MeV)← 核子あたりの結合エネルギー

原子核の結合エネルギー；
原子核の核子をばらばらにするために必要なエネルギー。
どのぐらいしっかりと核子が結合しているかを示す。

108鉄6ウラニウム

420ｘ水素050ｘ100150200 250
A• 核子（陽子や中性子）１個あたりの結合エネルギー✓ 隣り合った核子間で強い引力が働く→一定の値~ 8 MeV✓ 陽子と陽子の間には電気的な斥力が働く✓ 鉄あたりが最も安定な原子核
放射線の基礎と応用、2011.2.1410

核分裂反応B/A (MeV)

1086

B/A~8.5 MeV

分裂
B/A~7.6 MeV

420050100150200250A• U(B/A˜7.6MeV)を半分(B/A˜ 8.5MeV)にすると240(8.5-7.6)˜200 [MeV]が得られる。
✓ 化学反応；C＋O2→CO2（~4.2 eV）に比べると４０万倍！
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核分裂反応を引き起こす
存在比０．７％236 U* → A + B + ν･n （ν≒2.43）
U+n(熱中性子)
→
92
92

235

240 Pu* → A’ + B’ + ν’･n (ν’≒2.88）
Pu+n(熱中性子)
→
94
92

92U

235

分裂

239

遅い中性子

速い中性子

減速
• ウラニウム-２３５やプルトニウム-２３９は遅い中性子を当てると速い中性子を２個以上放出して核分裂反応を起こす都合のよい核種
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12核分裂の連鎖反応
核燃料の形と密度の制御が大事• 核燃料の形状、密度、減速材によって連鎖反応の様子が決まる。
• 十分な量の核燃料があれば、連鎖反応が爆発的に進行放射線の基礎と応用、2011.2.14

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第３章

原子力発電~原理、利点、問題点~

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原子炉の原理n

熱水／蒸気ウラン燃料

n
UO2

UO2n

冷却水

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n

冷却水
兼
減速材

制御棒

15

沸騰水型原子炉
環境技術研究所ノートより
http://www.ies.or.jp/japanese/mini/RelationPDF/
RoNaE-04NI.pdf

放射線の基礎と応用、2011.2.1416原子炉の炉心硼素（B)カドミウム（Cd)など

放射線の基礎と応用、2011.2.1417沸騰水型原子炉
蒸気乾燥器

気水分離器
原子炉圧力容器上部格子板
炉心シュラウド
燃料集合体
制御棒

炉心支持板

再循環ポンプ
制御棒駆動機構
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原子力発電所

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vs.

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火力発電所

煙突！！
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CO2排出量!

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放射線

放射性廃棄物• 放射性物質の廃棄物✓ 半減期；数十年~数億年• 高レベル廃棄物✓ 核分裂生成物や超ウラン核種を含む
放射能の高い廃液✓ ガラスで固化した後，30〜50 年間冷却のために貯蔵、その後、地下300m 以深に地層処分✓ 100 万kW の原子力発電所を1 年間運転するとガラス固化体が30 本程度✓ 標準的な家庭10 万世帯が1 年間で、1 本のガラス固化体
ＴＥＰＣＯホームページより
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原子力発電環境整備機構ホームページより
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核燃料サイクルと廃棄物

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ガラス固化体の貯蔵100年• 長い半減期

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原子力発電環境整備機構ホームページより
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地層処分
• ガラス固化体、2020年には４万本の処理！
✓ 現代文明の古墳（負の遺産）✓ 最終処分場• 但し、火力発電でも堺市博物館HPより✓ 100 万kW 程度の石油・石炭プラントからは，化石燃料の燃焼に伴って排ガスとともに重金属や放射性物質を含む微粒子が廃棄物として年間数十万トンも発生するとされている（Rhodesand Beller，2000）•

放射性物質を消滅させる技術開発✓ オメガ計画
TEPCOホームページより

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放射能消滅処理の可能性
原子力百科事典ＨＰより
http://www.atomin.gr.jp/atomica/07/07020103_1.html• 陽子ビームを照射して、長い半減期をもつ核種を破壊すると半減期の短い核種が発生✓ 発生した熱を利用してエネルギー回収も可能か？
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スリーマイルアイランド
原子炉事故

1979

• 冷却水喪失による炉心溶融
Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ ＨＰより

ＡＴＯＭＩＣＡ ＨＰより

✓ 原子炉で最も恐ろしい事故✓ 装置故障と人的判断ミスが重なった事故。
✓ 冷却水が失われ、炉心上部の２／３が蒸気中にむき出しになり、燃料が冷却されなくなった
ために温度が上昇し炉心溶融！
✓ 燃料の４５％、６２トンが原子炉圧力容器の底にたまった。

→

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チャイナ・シンドローム
炉心溶融、メルトダウン
27チェルノブイリ事故
1986• 黒鉛減速沸騰軽水圧
力管型原子炉の暴走– 動作が不安定な低出力実験を様々な安全装置を切った上で強行したために原子炉が暴走– 爆発、火災炎上

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流れだした炉心

広島原爆の400倍の放射性物質が飛散
ウィキメデイアコモンズ

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「象の足」

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ＪＣＯ事故1999• 燃料加工作業中にウラン溶液が臨界• 約２０時間臨界状
態が継続• 作業員３名中２名が死亡
核燃料の形と密度の制御が大事

無視した作業
放射線の基礎と応用、2011.2.14・高濃度溶液・貯塔とタンク 30

ＪＣＯ臨界事故はなぜ起こった？

• 正規の手順を無視

TEPCOHPより✓ 高濃度溶液の大量投入✓ 貯塔とタンクの違いの無理解
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第４章

放射線の基礎と応用、2011.2.14

放射線の人体に及ぼす影響

放射線・放射能の単位• 放射能；✓ １ベックレル；１秒間に１回崩壊を起こす能力(Bq)。
✓ １キューリー；ラジウム１ｇが持つ放射能(Ci)。
➡ ラジウムは１秒間に3.7x1010崩壊（ ３．７ｘ１０１０Bq）• 吸収線量；✓ １グレイ；照射された物質１ｋｇあたり１ジュールのエネルギー吸収(Gy)。

• 実効線量；✓ 生体の放射線被ばくの影響を示すと考えられる量。
✓ １シーベルト；(Sv)；吸収線量Gy x 線質係数 ｘ放射線の基礎と応用、2011.2.14

補正係数

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自然の放射線• 世界平均；１年間に2.4 mSv✓ 内訳➡ 宇宙線 ; 0.38 mSv➡ ラドンガス；1.3 mSv➡ 大地、食物；0.7 mSv• 生命発生以来一定• ブラジルでは１年間に10 mSvの地域もある• 東京ＮＹ間を１回往復すると、0.2 mSv

環境技術研究所ノートより
http://www.ies.or.jp/japanese/mini/mini̲30c.html
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ラドン
• 222-Rn• ウラン崩壊から生成される放射性のガス• 自然からの被ばくの半分がラドン吸入による内部被ばく• 地域により地下室に高濃度のラドンガスが蓄積することもあり注意を要する。
環境技術研究所ノートより
http://www.ies.or.jp/japanese/mini/mini̲30c.html
放射線の基礎と応用、2011.2.1435

放射線被ばく量• 被ばくの安全基準（ＩＣＲＰ勧告）✓ 一般人； 1mSv/年✓ 職業人； 50 mSv/年、100 mSv/5年➡ ＪＣＯ臨界停止作業• 医療のための被ばく✓ 胸部Ｘ線；0.05 mSv✓ 胃Ｘ線；0.6 mSv✓ 胸部ＣＴ； 6.9 mSv• 検査により被ばくすることのリスクと検査しないことによるリスクとの比較

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日本原子力文化振興財団ＨＰ

36放射線の生体への影響
H2O→H+＋OH-•

放射線の電離作用•

ＤＮＡの破損により細胞分裂が阻害される（自己修復作用もある）✓ 細胞分裂の活発な臓器への影響➡ 骨髄（造血）、腸壁など•早期に現れる影響だけでなく、ガンや白血病など確率的に影響が現れる。

放射線の基礎と応用、2011.2.1437

被ばくによる急性障害• 数10 Gy以上；神経中枢破壊で数日で死亡• 5˜15 Gy；腸管出血で約1週間で死亡• 1˜10 Gy ；骨髄造血機能減少により約１ヶ月で死亡• ＪＣＯ臨界事故✓ Ａ氏；20 Gy（死亡）✓ B氏；10 Gy（死亡）✓ Ｃ氏；4.5 Gy（生存）
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確定的影響と確率的影響
無症状・無症候

確定的影響

データの限界200 mSv

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確率的影響

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確率的影響を推定する
データの限界200 mSv• 低レベルの放射線被ばくの影響はよくわかっていない。
✓ 遺伝的影響はないらしい。

• どんなに少ない線量でも相応に危険と仮定するモデル✓ 但し低レベルの被ばくは治癒効果があるという説もある

発ガン確率；４ｘ１０−２／Sv
10mSvあたりガンの発生率；0.04％
但し、25％から25.04％への増加
胸X線検査でも10-6の確率
筑波大学・臨床医学・大原先生 放射線従事者講習会資料より
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この数字をどうとらえればよいのか
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第５章

リスクを管理する考え方• 光✓ エネルギーの安定供給✓ CO2発生量を減らす➡ 現代文明の発展に欠かせない➡ 現代生活の維持に欠かせない• 影✓ 放射性廃棄物の処理✓ 万が一の事故• リスクを比較し、管理するという考え方が必要✓ 何と何を比較？
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様々なリスク１０−６の危険事故
1600 km（東京~NY）

ガン
1.5本

肝硬変事故
250 km

500ml

ガン
ガン
１回

炭火ステーキ
100枚

生活習慣？
？

• 何をやっても、やらなくてもリスクがある• リスクを比較して、「判断」✓ 大きさだけではない、「Quality of Life」も放射線の基礎と応用、2011.2.14

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寺田寅彦

ものを怖がらな過ぎたり、怖がり過ぎたりするのはやさしいが、正当に怖がることはなかなかむつかしい。

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