主題３ 原子力発電のエネルギーの源くっついたり離れたりするとエネルギー（１）2-3-1-1

３．原子力発電のエネルギーの源
中性子

くっついたり離れたりするとエネルギー

陽子

どうして？
ストーブは消火するとじきに冷たくなる。
でも原子炉は停止後も発熱し続ける。
何が違うのだろう。
まず、予想しよう

炭素の原子核・陽子は正の電荷・中性子は無電荷陽子だけでは反発するが中性子がある
ことによって一固まりになっている。

１．ストーブの中の現象（炭素の燃焼）
炭素原子（Ｃ）
酸素分子（Ｏ２）原子核の周りを電子 化学反応では、原子核の周りの電子が飛び回っている。の飛ぶコースが原子の結合によって変わるが、原子核は変わらない。

炭素の燃焼（炭素と酸素が結合）
ＯＣＯ

酸素原子（Ｏ）＋エネルギー

結合の仕方が変化し、その結果、エネルギーが余ると熱エネルギーとなる（発熱反応）。

二酸化炭素分子（ＣＯ２）◆炭素の燃焼が続くには・・・燃えるもの、酸素、温度

炭素(Ｃ)＋酸素(Ｏ２)（燃えるもの）二酸化炭素(ＣＯ２)＋エネルギー（熱）石炭ウラン鉱石
1kg の石炭の燃焼による発熱量と、エネルギー（熱）が放出1kgの天然ウランの核分裂による発されて温度が維持され、熱量を計算してみよう。
反応が継続する。
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――＜原子のつくり＞て、質量の大きな原子は、陽子より中性子の数が多くなる傾向

原子番号（原子の陽子数）順に電子の配置を考慮して元素を並べた表を周期表と呼ぶ。陽子だけの水素原子核を除いて、原にある（例えば、ウラン U-235 は陽子が 92 個であるが、中性子は 143 個もある）。

子核は陽子と中性子で構成されており、陽子の数と中性子の数の合計を質量数と呼ぶ。そして、陽子と同数の電子が、原子核の周りを回っている。陽子が 6 個の元素は炭素（Ｃ）であり、中性子が 6 個の炭素を C-12（12 は陽子 6 個と中性子 6 個の和、すなわち質量数）と表すことがある。
中性子は無電荷で、陽子（正の電荷）だけでは不安定な原子核の接着剤のような役割をする。一般に、質量の小さな原子は、陽子の数と中性子の数はほぼ同数で安定している。それに対し

2-3-1-2＜周期表の一部＞

２．原子炉の中の現象（ウランの核分裂）
ウラン２３５の原子核が中性子１個を吸収した後、２つに分裂核分裂によってエネルギーが放出される。
同時に２～３個の中性子とγ線が発生する。
（
複Ｕ数
236 のの別核のが核分種裂になる）

中性子
ウラン２３５の核

Kr-92
中性子

膨大なエネルギー
Ba-141

ガンマ線
む
ベータ線
む

原子炉の中ではウラン原子核を連続的に分裂させて（連鎖反応）エネルギーを取り出している。すなわち、原子炉の中の反応は、原子核が変化しない化学反応と異なり、核分裂して別の元素となる核反応である。

核分裂生成物

核分裂生成物にはまだ余分なエネルギーが残っており、分裂後も放射線（ベータ線やガンマ線）として放出される。それが原
子炉停止後も続く発熱源（崩壊熱）となる。

◆核分裂が続くには・・・核分裂するもの、中性子、核分裂が続く環境

ウラン(Ｕ-２３５)＋中性子(ｎ)（核分裂するもの）

核分裂生成物＋中性子＋エネルギー※（ウランが分裂したもの）
21ｔ
93 万ｔ

出所：資源エネ
ルギー庁
146 万ｔ 「原子力 2008」

２～３個の中性子が発生し、その内の１個が別のウランにぶつかることで、連続した核分裂（連鎖反応）が続く。

221 万ｔ（万ｔ）

100 万 kW の発電所を 1 年間運転するために必要な燃料まとめ※濃縮ウラン
天然ウラン中に約 0.7%しか含まれていない
ウラン 235 の濃度を人工的に高めたウラン。
発電用には 3～4%程度のものが用いられる。

・化学反応と原子核反応によるエネルギーの相違点と共通点、それから気付いたことをまとめよう。
・「どうして？」に対する答えを、予想と比較してまとめよう。
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――＜原子炉停止後も続く発熱源（崩壊熱）＞

料からは核分裂生成物の崩壊熱が発生するので、原子炉停止後核分裂生成物は、陽子と中性子の数がアンバランスなものがも冷却を続ける必要がある。

多い。上の例では、バリウム Ba-141 は、陽子 56 個、中性子 85個で中性子がかなり多い。そのため、中性子が陽子（正電荷）と電子（負電荷）に分かれて、多すぎる中性子を減らそうとする。このときに原子核の外へ電子がβ線として、さらに余分なエネルギーがγ線として放出される。これらのエネルギーが、核分裂生成物の崩壊熱の原因である。
原子炉は運転期間分の核燃料を原子炉内に装荷し、制御棒を調整してエネルギーを取り出している。制御棒を原子炉に全挿入すれば核分裂は止まる。しかし、一度でも核分裂させた核燃

2-3-1-3

主題３「原子力発電のエネルギーの源（くっついたり離れたりするとエネルギー（１））」の学習展開
授業のねらい：原子力発電のエネルギーの源は原子核反応に伴って生じるエネルギーであることを学ぶ。原子核反応と化学反応を対比させた学習を通して、化石燃料など従来型のエネルギー源とは発生原理が異なり、それが発生するエネルギー量の規模の差や取扱い方法の差となることを、簡潔に説明できる。
所要時間：２時間（１と２あわせて）学習の展開（１）
学習項目

学習のポイント

WS：ワークシート
教師用資料・WSとの関連等＜問いかけ＞
ストーブは消火するとじきに冷たく
福島第一原子力発電所の事故では、地震後に原なる。でも原子炉は停止後も発熱し続け 子炉が止まったにもかかわらず、津波で原子炉をる。何が違うのだろう。
冷却する機能を失い、燃料の損傷・溶融に至った。 WS1「ストーブと止まったにもかかわらず、発熱し続ける理由を、 原子炉の燃え方のストーブと対比させて考えさせ、エネルギー源の 違い」違いに関する考察につなげる。ストーブと原子炉の燃え方の違いを比較して予想させるワークシート１を用いてもよい。
１．ストーブの中の現象（炭素の燃焼）
炭素の燃焼は化学反応であり、電子の配置が変わることによってエネルギーが発生（その他の化学反応では吸収もあるが）している。しかし、原 周期表を用意して子核は変化していないこと、すなわち反応の前後 おくとよい
原子の構造で関与した元素に変化はないことを押さえる。
・電子軌道や原子核のつくりをしっかり押さえた 教師用 Q1－Q3
うえで、燃焼（化学）反応は電子の配置が換わることによって起こる現象であることにつな WS2「いろいろなげる。
原子模型を作って・必要に応じ、ワークシート２を使って、原子模 みよう」
型の仕組みを体験的に学ばせるとよい。
炭素の燃焼
・炭素と酸素は電子軌道で相互に結び付くことに 教師用 Q3
よってより安定な（低エネルギー）状態になり、余ったエネルギーを熱として放出すること、反応を開始させるには一定の活性化エネルギー WS3「二酸化炭素が必要なこと、反応開始後は放出されたエネル の結合を作ってみギーを利用して反応が継続することを押さえ よう」
る。また、この一連の過程で原子核は一切変化 WS4「エネルギーしていないことを確認する。
を計算してみよ・余裕があれば、ワークシート３及び４を使って、 う」
視覚的かつ定量的に押さえるとよい。
教師用 Q6２．原子炉の中の現象（ウランの核分裂） 原子核反応は、原子核を構成する陽子と中性子の組み合わせの変化、すなわち元素が変化する反応であり、その前後で変化（減少）した質量がエネルギー源となること、化学反応に比べて桁違いのエネルギーの発生があることを押さえる。また、核分裂反応では生じた核分裂生成物からは放射線が長期にわたって放出され続け、原子炉停止後も発熱し続けることを押さえる。

2-3-1-4

学習項目
核分裂反応と質量欠損

発電用原子炉の種類

核分裂生成物の存在＜まとめ＞
・化学反応と原子核反応によるエネルギーの相違点と共通点、それから気付いたことをまとめよう。
・問いかけに対する答えを、予想と比較してまとめよう。

教師用資料・WSとの関連等
・原子炉の中ではウラン 235 の核分裂が進行し、 教師用 Q4－Q8
その過程で失われた質量（質量欠損）がエネル WS4「エネルギーギーに転換されていることを確認する。
を計算してみよ・余裕があれば、ワークシート４を使って、定量 う」
的に押さえるとよい。
教師用 Q6・次の時間（くっついたり離れたりするとエネル 教師用 Q9、Q10
ギー（２））の学習を省略するのであれば、この時点で、発電用原子炉には加圧水型と沸騰水型の 2 種類があること、原子炉の中で核分裂が継続的に続く状態を作り出して発生したエネルギーを利用していることを押さえる（次の時間で触れるのであれば、特にここで押さえる必要はない）。
・原爆と混同しているようであれば、その違いについて説明する。
・核分裂生成物にはまだエネルギーが残っており 教師用 Q11、Q2（不安定な放射性核種として）、安定状態になるまで放射線を放出し続ける（すなわち燃料の加熱が続く）ことを押さえる。
－次の放射線の学習につなぐ。
学習のポイント

原子炉停止後の熱発生のメカニズムはストー WS1「ストーブとブの余熱とは原理的に異なることの確認を通し 原子炉の燃え方のて、原子力発電のエネルギー源は核分裂に伴う質 違い」
量欠損であることを押さえる。
・結合と分裂で両者の特徴を捉える生徒がいるかもしれないので、大量のエネルギーを放出する核反応には核分裂と核融合があること、太陽エネルギーの源は核融合であることを補足しておくとよい。
・共通点と相違点の視点例>エネルギー密度>放射線の有無>停止後の残留熱の有無>温室効果ガスの有無>反応前後での質量差の有無（相違点であるが厳密には共通点）>兵器利用（相違点でもあり共通点でもある）>etc

2-3-1-5

ろちがワークシート１：ストーブと原子炉の燃え方の違い【問いかけ】ろストーブは消火するとじきに冷たくなる。でも原子炉は停止後も発熱し続ける。
ちが何が違うのだろう。ストーブの消火と比較して考えてみよう。

【燃焼の三要素】
・温度・酸素・燃える物【（）内に入る言葉を考えよう 】
 原子力発電にも三要素に類似のものがあるのだろうか？
ストーブ
ほのお

かく

温度： 炎 があがるような高温
とう

れつ

原子力発電
かん

核分裂が続く環境

ぬ酸素：通風口から入り円筒に抜ける

かくれつ

次の核分裂を引き起こす（中 性 子）

まき燃える物：ストーブ内の薪・チップなど （核または原子）燃料
 消火の方法は？
ストーブ

原子力発電

放水などで温度を下げる───────しゃ

制御棒などで（中 性 子）を吸収する

通風（酸素）を遮断する
燃える物を取り出したり、補給を止めたりする。

───────↓↓

燃焼反応が止まると余熱だけになる。
冷えていく（核分裂）による発熱は止まるが、かくれつ

核分裂生成物からの（崩壊熱）がある（冷2-3-1-6却）を続ける必要有りワークシート２：いろいろな原子模型を作ってみよう
かく（原子核の様子や電子の数を調べよう）
ぽう

コルクボードや発泡ポリスチレンボードを使って、図１や図２のようなボードをつくる。そこ
ぽう

ぽう

ぽうに、電子（黄色の発泡ポリスチレン球）、陽子（赤色の発泡ポリスチレン球）、中性子（白色の発泡つまようじ

ささポリスチレン球）に爪楊枝を刺して、ボードに刺さるようにした玉を用意する。
ここで、Ｃ（炭素）の例を示すと、周期表より原子番号６、質量数１２から、陽子が６個、中さ性子が６個（１２－６＝６）ということがわかる（図１）。それを、原子模型ボードに刺す（図２）。
ささき

刺し方は、陽子と中性子を中心に固めて刺す。電子は、内側の軌道から刺していく。電子はペアで入っていくので、向かい合う場所（対角線上）に入れていく（図２の色のついた丸シールを参照）。

図１ 電子、陽子、中性子数を調べる

図２ 炭素の原子模型

2-3-1-7

ワークシート３：二酸化炭素の結合を作ってみよう（化学反応を調べよう）
１．炭素と酸素（２個）の原子模型を作る

かく

炭素原子は、最外殻電子が４個である。
かくき

酸素原子は、最外殻電子が６個で、軌道上に２個の空きがある。

＜炭素原子＞＜酸素原子＞
２．各原子模型から二酸化炭素の結合模型を作る
わた

かく き

炭素原子の４つの電子を、２個ずつ２つの酸素原子に渡す（共有する）と、酸素の最外殻軌道
うかくは埋まる。また、２つの酸素の２つの電子を炭素に渡す（共有する）ことで、炭素の最外殻電うきう子も埋まる。すなわち、軌道が埋まり安定した結合状態（低エネルギー状態）となる。この結果、余ったエネルギーが熱エネルギーとなる。

共有共有

共有

共有

化学反応は、電磁気力による結び付きの変化（電子の共有やイオンの電気的な力による結合）であり、電磁気力が化学反応によって生じるエネルギーの源である。しかし、電磁気力は、原
かく

かく

ほうかい

子核を結び付けている強い力や原子核の崩壊に関わる弱い力と比べると、格段に小さい。この
かく

れつ

けた

力の差が核分裂と化学反応のエネルギーの桁外れの差の原因である。

2-3-1-8

かくれつ

ワークシート４：燃焼と核分裂のエネルギーを計算してみよう（１）石炭の燃焼熱を求めてみよう
この石炭がすべて炭素であるとして、石炭１ｋｇの発熱量を計算してみよう。
炭素と酸素がくっつき二酸化炭素になるとエネルギー（熱量）が発生する。
熱化学方程式では次のように表わされる。

石炭

Ｃ ＋ Ｏ２ = ＣＯ２ ＋ ３９４ｋＪ
すなわち、１モルの炭素が完全燃焼すると３９４ｋＪの熱が発生する。
炭素１モルの質量をＸとすると、 Ｘ＝12ｇ

したがって、炭素１ｋｇ（１,０００ｇ）の発熱量をＹとすると、
１,０００

Ｙ＝３９４ｋＪ×―――――――＝Ｘ

32,800ｋＪ

なお、実物の石炭には不純物が含まれているため、実際の発熱量はこの値より小さい。
かくれつ（２）ウランが核分裂した時のエネルギーを求めてみよう
石炭では炭素と酸素がくっついてエネルギーが発生したのに対して、ウウラン
鉱石

かく

れつ

かく

れつ

かく

れつ

ランは原子核が分裂してエネルギーが発生する。天然ウランには核分裂ふくしやすいウラン２３５が０.７１％ほど含まれ、残りのほとんどが核分裂しにくいウラン２３８である。天然ウラン１ｋｇ中のウラン２３５が全
かくれつ

部核分裂したときに発生するエネルギーを求めてみよう。
かく

れつ

１個のウラン２３５が核分裂して発生するエネルギーは約２００ＭｅＶである。
ここに、ｅＶは１個の電子が１Ｖの電位差を１個の電子が移動したときのエネルギーの単位、Ｍは百万倍を表す補助単位である。
１ＭｅＶ＝１,０００,０００×（１.６０２×１０－１９）Ｊとして計算してみよう。
りゅう

１モルのウラン２３５（２３５ｇ）の発熱量Ｘは、アボガドロ数（１モル中の 粒 子数＝６.０２２×１０２３）を乗じて、19300×109 Ｊ/モル

Ｘ＝２００×１.６０２×１０－１３ ×６.０２２×１０２３ ＝１ｋｇの天然ウランにはかく7.1ｇのウラン２３５がある。このウラン２３５が全部れつ核分裂した時の発熱量Ｅは、
7.1Ｅ＝Ｘ×──────＝＝２３５＝
石炭１ｋｇの約583,000,000１万８千倍

583,000,000,000

ｋＪである。

2-3-1-9Ｊ

Q1 原子のつくりはどうなっている？

原子のつくりと周期表の関係は・・・・
周期表は、元素を、それぞれが持つ物理的・化学的性質が似たもの同士が並ぶように配列したものだ。

中心に原子核があり、その周りを電子が回っている・横軸は外側を回る電子の数（最外殻電子数）に対応
・縦軸は電子の軌道（Ｋ殻、Ｌ殻、Ｍ殻・・・）に対応

全ての物質は原子からできている。
大きさは、１０－１０ｍ程度、そのつくりはラザフォードによって明らかにされた。
中心に原子核（プラスの電荷を持った陽子と電荷を持たない中性子の集まり）があり、その周りを電子が回っている。
原子の大きさは、
１／１０ｎｍ（１Å）程度

電子

水素
陽子1個

中性子

ﾘﾁｳﾑ
陽子3個

物質の構造例（丸い物質が原子）

ﾅﾄﾘｳﾑ
陽子11個

Q2 同位体とは何？

放射性の同位体とは・・・・
次のような原子核には、放射線を出して（その結果、陽子と中性子の割合や数が変わる）、より安定な別の原子核に変わろうとする性質がある。
① 陽子と中性子の割合が大きく偏った原子核② 陽子と中性子の数が多すぎる原子核
主題「放射線」も参照のこと
放射線を出す同位体を放射性同位体と呼ぶ。

原子核の陽子の数は同じ（原子番号は同じ、すなわち同じ元素）
なのに、中性子の数が異なる原子のこと。英語でアイソトープ※※ Isotope

宇宙線に含まれる陽子が大気中の窒素と核反応して生成

電子
陽子陽子数

中性子

C-12C-13C-14（放射性）

三種類の炭素①の例

中性子数

存在割合（％）

C-1266

C-1367

1.07

C-1468＜10-12C-14

陽子（6個）に比べ中性子（8個）が多すぎる

陽子

ベータ線（電子）を出して安定な窒素（N）-14（陽子7個、中性子7個）になる

中性子

98.93②の例 三種類のウラン。天然に存在するが全て放射性原子の質量数は「陽子＋中性子」。しかし、同じ元素でも中性子の異なる同位体が混ざっているので、周期表の質量数（同位体全体の平均値）は整数にならない。

Q3 原子核の周りを回る電子はどうなっている？
電子

天然
ウラン

陽子 中性子数数

存在割合（％）

U-23892146U-235※1921430.71U-234921420.0054

アルファ線（ヘリウム原子核）
を出し、陽子と中性子が2個ずつ少ない原子核に変わる※299.28※1 原子力発電の燃料になる。
2 変わった原子核もまだ放射性である。

原子核の周りの電子の変化が、化学反応で発生する熱（エネルギー）と関係している・・・・
炭素が燃えるとは、炭素と酸素の原子核の周りの電子が組み合わさって、より安定した二酸化炭素の組み合わせになること

電子の回り方には規則性がある。
• 回ることができるところ（電子殻と呼ぶ）
Ｋ殻は決まっている。
Ｌ殻=>原子核に近いところからK殻、L
Ｍ殻殻、M殻・・と呼ばれる• それぞれの電子殻に入ることのできる電子の数は決まっている。
=>K殻で2個、L殻8個、M殻18個・・と、外側ほど増える• 原則として、内側の電子殻から外側の電子殻へと入いる。
=>内側を回る電子ほどエネルギーが少なく※、「安定な状態」なので、電子もより安定な状態になろうとする。

反応物
エネルギー

時間があればワークシート２「いろいろな原子模型を作ってみよう」に取り組んでみよう。

陽子

酸素分子 炭素原子
（Ｏ２）
（Ｃ）
＋発熱
（394kJ/mol）※重力によって低いところへ自然に水が流れる（位置エネルギーの少ないところへ移動する）ように、原子核（正の電荷）に電磁力で引っ張られている電子（負の電荷）も、エネルギー状態の低い位置（原子核に近い電子殻）から埋まる。

=>より安定した物質に変化することで、余ったエネルギーが放出される。
酸素分子を切断し炭素と結合炭素原子、酸素分子、活性化エネルギーが、燃焼の三要素に対応活性化エネルギー

二酸素炭素分子（ＣＯ２） 生成物

反応の進む向きワークシート３「二酸化炭素の結合を作ってみよう」
及びワークシート４「エネルギーを計算してみよう」 に取り組んでみよう。

2-3-1-10

Q4 化学反応と原子核反応の違いは？

核分裂反応のエネルギーはどこから・・・・
核分裂後の質量は分裂前より小さい。この核分裂前後の質量の差（質量欠損）がエネルギーとして放出される。

Kr-92

核分裂反応の例

分裂前
膨大なエネルギー
U-235

質量（エネルギー）

中性子
U-236Ba-141• 化学反応では、原子や分子の周囲の、電子の回り方が変化する。
=>原子核に変化はない• 原子核反応では、原子核が変化（陽子や中性子の数、またはエネルギー）する。

中性子

活性化エネルギー
中性子
Kr-92 Ba-141

質量欠損がエネルギーとして放出（約200MeV※/核分裂）

分裂後反応の進む向き

我々が暮らすスケールの世界（古典力学の世界）では・質量保存の法則・エネルギー保存の法則を別々に適用して全く問題はない
しかし、ブラックホールなど宇宙スケールの世界や、原子・電子のミクロのスケールの世界では、我々の常識（古典力学）では説明できない現象が見受けられる。このような我々の日常とかけ離れたスケールの世界での現象を説明する考え方として、相対性理論や量子力学が登場した。
この考え方では、質量とエネルギーは等価であり、前述の式（Ｅ＝ｍｃ２）によって互いに転化できる。

※核力は近距離でしか働かない②Fe原子核部品の結合前の重量

相対性理論によると質量（ｍ）とエネルギー（Ｅ）は等価であり、次の式で表される。
Ｅ＝ｍｃ２ （ｃ：光の速度）この式を使って原子核を結合するために失われた質量を、エネルギー（結合エネルギー）に換算できる。

原子核を分裂させる

中性子

質量は保存されるのでは・・・・②と①の差が質量欠損だ。
陽子と中性子は、原子核として結合する
とき、質量の一部を失うことによって、強い結合力（核力※）を得ている。

①Fe原子核の重量

U-236

U-235

※1MeV＝1.602×10-13J

Q5 原子核の質量欠損とは？
陽子=>より安定した原子核に変化することで、余ったエネルギーが放出される。

=> ひょっとして燃焼（化学反応の）熱も質量に由来？
そのとおり。だけど、炭素1ｇを燃やしたとして、減少する質量は10-10ｇ、すなわち100億分の１に過ぎず、質量が保存されると扱っても差し支えない。これに対して、ウランの核分裂による質量欠損は0.1%相当であり桁違いに巨大である。

核子：陽子と中性子のこと

ワークシート４「エネルギーを計算してみよう」に取り組んでみよう。

ウランの核分裂

Q6 計算の仕方は？
エネルギー

酸素分子 炭素原子
（Ｏ２）
（Ｃ）
＋発熱
（394kJ/mol）

1kgの石炭が炭素の固まりだと仮定
して、発熱量を計算してみよう。

活性化エネルギー

二酸素炭素分子（ＣＯ２）

反応の進む向き【注】
エネルギー・経済統計要覧2013で用いられている石炭の発熱量（2005年～）は、・一般炭（輸入）6,139kcal/kg（≒25,700kJ/kg）
・無煙炭（輸入）6,426kcal/kg（≒26,900kJ/kg）などとなっている。
ちなみに、・原油（2000年～） 9,126kcal/ℓ（≒38,200kJ/ℓ）
・輸入天然ガス（2005年～）13,043kcal/kg（ （≒54,600kJ/kg ）質量（エネルギー）

炭素の燃焼

天然ウラン1kgの核分裂による発熱量を計算してみよう。

U-236

石炭
1molの炭素は12g なので、石炭がすべて炭素だとすると1kg（1,000g）の石炭は、1,000 ＝83.3mol
121molの炭素が完全燃焼したときの発熱量は394kJ なので、1kgの発熱量は、

U-235

ウラン
鉱石

中性子

活性化エネルギー
中性子
Kr-92 Ba-141

エネルギー（約200MeV/核分裂）
1MeV＝1.602×10-13J反応の進む向き天然ウランには核分裂しやすいウラン235が0.71%含まれ（すなわち1kg中では7.1g）、残りのほとんどが核分裂しにくいウラン238である。
ウラン235が全部核分裂するとしてエネルギーを計算してみよう。

1個のウラン235核分裂時のエネルギーが200MeVなので、1molのウラン235（235g）の発熱量は、アボガドロ数を6.022×1023個/molとして、200MeV/個×1.602×10－13J/MeV×6.022×1023個/mol≒19,300×109J/mol
したがって、7.1gのウラン235の核分裂による発熱量は
19,300×109J/mol×7.1/235mol＝583,000,000 kJ

394kJ/mol×83.3mol≒32,800kJ

石炭1kgの約18,000倍である。

2-3-1-11

Q7 化学反応と原子核反応によるエネルギーは結局？
電子

化学反応のエネルギーの源• 軌道電子が変化したことによるエネルギーの差（前後の質量の差は無視できる）

Ｋ殻
Ｌ殻
Ｍ殻

※

エネルギーはどんな形態で発生する・・・・
化学反応（炭素の燃焼の場合）
二酸化炭素
分子

数桁の差

• 二酸化炭素分子の運動や振動のエネルギー=>周囲の物質にぶつかってエネルギーを伝達（すなわち周囲に熱エネルギーを伝達する）。
• 一部は熱線（電磁波）として周囲に発散される

核分裂反応

原子核
原子
21ｔ

核分裂反応のエネルギーの源• 元の原子核と核分裂後の生成物との質量の差（Δｍ）=>「Ｅ＝Δｍｃ２」のエネルギー
出所：資源エネルギー庁• 核分裂生成物の運動や振動のエネルギー=>周囲の物質にぶつかってエネルギーを伝達（すなわち周囲に熱エネルギーを伝達する）。
• 一部は中性子線などの高速で移動する粒子線やガンマ線（電磁波）などとして周囲に発散される=>すなわち放射線が発生する。
（詳細は主題４参照）

核分裂生成物「原子力2008」（万ｔ）

この出力密度の差が発電時の燃料量の差となる。

100万kWの発電所を1年間運転するために必要な燃料※濃縮ウラン：天然ウラン中に約0.7%しか含まれていないウラン235の濃度を人工的に高めたウラン。発電用には3～4%程度のものが用いられる。

Q8 燃焼の条件は？
炭素の燃焼・・・・燃えるもの、酸素、温度
炭素（C） ＋ 酸素（O2）（燃えるもの）二酸化炭素（CO2 ） ＋ エネルギー

それでは、燃焼の止め方は・・・・
炭素の燃焼・・・・燃えるもの、酸素、温度①②

三つのどれかを除く。例えば、① 破壊消防（江戸の火消し）（燃えるもの）② 二酸化炭素消火器
二酸化炭素（CO2 ） ＋ エネルギー ③ 放水など（熱）

燃焼（化学反応）で発生したエネルギー（熱）が次の化学反応を引き起こし、燃焼が継続。

炭素（C） ＋ 酸素（O2）（熱）③

発生した熱によって次の反応が継続する温度が必要

ウランの核分裂・・・・核分裂するもの、中性子、核分裂が続く環境
ウラン（U235） ＋ 中性子（ｎ）（核分裂するもの）

核分裂（原子核反応）でエネルギー（熱）と中性子が発生し、この中性子が次の核分裂を引き起こし、核分裂が継続。

中性子を減らす方法がとられる。例えば、・制御棒挿入
・ホウ酸水※注入など

ウランの核分裂・・・・核分裂するもの、中性子、核分裂が続く環境
ウラン（U235） ＋ 中性子（ｎ）（分裂するもの）

核分裂生成物 ＋ 中性子（ｎ ） ＋ エネルギー

核分裂生成物 ＋ 中性子（ｎ ） ＋ エネルギー

（熱）

（熱）

分裂で発生した中性子によって次の核分裂が継続する環境が必要※ホウ素の同位体B10（ホウ素全体の約20%）には中性子を吸収する性質がある。

Q9 核分裂エネルギーをどのように制御する？

原子炉と原子爆弾の違いは・・・・
原子爆弾のウランは、連鎖反応を一瞬に起こすため、全部U-235にしてある核分裂のエネルギーを利用するには、• 核分裂の数を一定にし（「臨界状態」と呼ぶ）• それを継続的していく（「連鎖反応」と呼ぶ）ことが必要だ。
この環境を作り出し、発生したエネルギーを取り出すために「原子炉」が利用される。

全部核分裂するU-235なので、最初の核分裂で発生した中性子が次々と分裂を引き起こす。

核分裂生成物

超臨界状態
発電に使われる原子炉の燃料の場合、核分裂を起こすU-235の割合は4%程度で、残りは核分裂しにくいU-238だ。

中性子
U-235

U-235

エネルギー

「制御棒」などで前の核分裂で発生した中性子を調節し、次の核分裂につなげる「水」などで核燃料を冷し、発生した熱（エネルギー）を原子炉の外に取り出す。

U-238は中性子を吸収しても核分裂しないので、制御棒などで中性子数を調節し、同じ規模の核分裂を継続させられる。

臨界状態

2-3-1-12

Q10 発電用原子炉の構造は？

何で２つのタイプがある・・・・

これ以降の構成は火力発電所に同じ。

ＰＷＲは米国のウエスティングハウス社（WH）が原子力潜水艦用に開発したもの※１を、陸上での発電用に改良したもの、ＢＷＲは同じく米国のゼネラルエレクトリック社（GE）が、陸上での発電用に開発したものだ。

二つの軽水型原子炉が使われている

それを、WHは三菱重工㈱と、GEは㈱日立製作所と㈱東芝と提携し、国内の電力会社に導入した。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）

加圧水型原子炉（ＰＷＲ）• 発電用の蒸気を、原子炉を冷却する軽水から直接つくるのが沸騰水型原子炉=>燃料の上に蒸気を流す設備がある
ので、制御棒は下から調節され、緊急時は水圧で挿入される。
• 原子炉を冷却する軽水が沸騰しないように加圧し、その軽水で二次的に発電用の蒸気をつくるのが加圧水型原子炉=>制御棒は上から吊るされ、緊急時電動のポンプは重力で挿入される。
を示す。

ＰＷＲは、タービン側（２次系）に放射能を含む蒸気が来ないが、構成が複雑になる。但し、原子炉本体はシンプル。
ＢＷＲは、構成がシンプルだが、タービン側（２次系）に放射能を含む蒸気※２がくる。また、原子炉は大型になる。などの違いがあるが、発電規模、費用などには大差がないと言われる※１ PWRの場合、潜水艦が傾いても核燃料が冷却水から露出しない。
※２ 原子炉内で水の酸素（O‐16）が放射化され強いガンマ線を放出する窒素（N‐16）が生成されるが、短時間で減衰（半減期約7秒）するので、蒸気配管を長くすることによってタービンにきたときの放射線量率を低くしている。また、原子炉が停止すれば直ちに低下する。

M：モータ←：流れの方向Q11 核分裂生成物はどこへいく？
ＰＷＲ

ＰＷＲ：北海道、関西、四国、九州[電力会社と型式 ] ＢＷＲ：東北、東京、中部、中国

核分裂生成物の熱はいつまで続く・・・・

主題「放射線」も参照のこと• ペレット内のU-235が核分裂• 核分裂生成物はその後もペレット内または燃料棒内に留まっている。
• 核分裂生成物のほとんどが放射性物質。
• 放射性物質は安定な物質になるまで放射線を放出するので、原子炉停止後も燃料が発熱する。
=>原子炉停止後も冷却が欠かせない

2-3-1-13• 核分裂生成物には様々な放射性物質が含まれている。
• 放射性物質には「半減期」がある。

• 半減期の短いものは、強い放射線を出す（エネルギーが大きい）が、短期間で減少する。
• 半減期の長いものは、弱い放射線を出す（エネルギーが小さい）が、長期にわたって出し続ける。

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