原子力発電

原子力発電とは、原子力を利用した発電のことである。現代の多くの原子力発電は、熱エネルギーで高圧の水蒸気を作り、蒸気タービンおよびこれと同軸接続された発電機を回転させて発電する。ここでは主に軍事用以外の商業用の原子力発電の全般について説明する。

原子力・核エネルギーの利用全般については原子力を参照
特に原子力発電の施設については原子力発電所も参照
原子力を利用した炉については原子炉、核分裂炉、核融合炉も参照
原子力を利用した電池については原子力電池を参照
原子力発電の事故については原子力事故も参照

1. 原理
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原子核反応は核分裂反応と核融合反応の2種類の反応に大別することができる。ただし、核融合反応の利用は実用段階にはなく、現在原子力エネルギーとして実用化されているのは核分裂反応のみである。そのため、単に原子力発電と言う場合は、核分裂反応時に発生するエネルギーを利用した発電を指す。

原子力発電の仕組みを簡単に表現すると、核分裂反応で発生する熱を使って水を沸騰させ、その蒸気で蒸気タービンを回すことで発電機を回して発電しているといえる。火力発電の場合は石油や石炭、液化天然ガスといった化石燃料を燃やして熱を作り出して蒸気を発生させ、その蒸気で蒸気タービンを回すことで発電機を回して発電を行っている。つまり、原子力発電と火力発電は、発生した蒸気でタービンを回し発電機で発電するという点で、同じ仕組みを利用しているといえる。このような蒸気でタービン発電機を回転させ、電力へ変換する発電方法を汽力発電という。

ただ、火力発電と原子力発電ではタービンを回すまでの過程は大きく異なり、またタービンの形式等も異なる。火力発電所との詳細な相違点については後述する。

1.1. 核分裂反応
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原子力発電は先述した通り、核分裂反応を利用した発電である。核分裂反応とは、何らかの要因で中性子を捕捉した原子が2つまたはそれ以上に分裂することである。ウラン235の中性子吸収に起因する核分裂反応を例に取ると、以下のように記述することができる。

つまり、ウラン235の核分裂の結果、核分裂片以外にも2 - 3個の中性子が発生するのである。この核分裂反応で発生した中性子は、他のウラン235に吸収され順々に核分裂反応が起こっていくことになる。この反応を核分裂連鎖反応といい、連鎖反応の進展程度を示す増倍係数 k}} が1.0以下の状態を未臨界、1.0の状態を臨界、1.0以上の状態を超臨界という。なお、中性子を吸収したウラン235は必ず核分裂を起こすわけではなく、約16 %の確率でγ線を放出した後、ほぼ安定なウラン236になることがある。

また、核分裂反応時は反応前の質量よりも反応後の質量の方が小さくなる。この質量差がE=mc2}}の関係式に基づき、膨大なエネルギーへと変わっている。このエネルギーの殆どは熱エネルギーへと変わり、原子力発電ではこの熱エネルギーを元に発電するのである。核燃料中からの熱除去および発電のプロセスに必要な要素が冷却材である。

核分裂反応で発生する中性子は平均エネルギー約1 MeVであり、高速中性子と呼ばれる。熱中性子炉では高速中性子を核分裂反応を起こしやすい、平均エネルギー約 0.05 eVの熱中性子と呼ばれる状態まで減速させる必要がある。減速は中性子と軽い原子核との弾性衝突により行われ、この目的を果たすために必要な要素が減速材である。

なお、核分裂反応の結果発生する中性子の大半は核分裂と同時に発生する即発中性子である。しかし、核分裂片の中には崩壊の途中で中性子を発する物があり、これは遅発中性子と呼ばれる。遅発中性子は原子炉内の全中性子の 0.65 %を占めるのみではあるが、遅発中性子があることにより外乱等に対する制御がしやすくなっている。

2. 基本要素
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2.1. 核燃料
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原子には、中性子を捕捉して分裂する物と、捕捉しても分裂しない物があることが知られている。分裂する物として代表的なものは、ウランの放射性同位体であるウラン235、プルトニウム239である。しかし、プルトニウム239は天然にはごく微量しか存在しないため、核燃料としてはウラン235が使われる。このウラン235は天然鉱石である閃ウラン鉱に含まれる。しかしこの中にはウラン235が0.7 %程度しか含まれていないため、21世紀初頭現在の一般的な原子炉で核燃料として利用するには、ウラン濃縮工程と呼ばれるウラン235の濃縮作業が必要となる。

また、分裂しない元素としては、ウラン238が知られている。ウラン238は、中性子を捕捉することによってプルトニウム239に転換でき、これを核燃料として使用することができる。

2.2. 原子炉
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原子力発電における核分裂反応において必要なことは、核分裂反応を制御することである。核分裂反応の制御とは、開始、持続、そして停止である。原子力発電においては、これらが自由に制御されなければならない。この、核分裂反応を制御できるということが原子力発電と原子爆弾を分ける大きな違いである。そして核分裂反応を制御する装置が原子炉である。

原子力発電に使用される原子炉には様々な種類がある。原子炉の種類は、減速材と呼ばれる中性子の制御を行う素材と、冷却材と呼ばれる原子炉から熱を運び出す素材の2つによって分類される。減速材としては、黒鉛、重水、軽水 などがある。冷却材としては、炭酸ガスや窒素ガスなどのガス、重水、軽水などがある。現在の日本の商用原子力発電では、減速材、冷却材のどちらとも軽水を使用している。これは軽水炉と呼ばれる。

核分裂炉を、用いる減速材で分類すると以下のように分けられる。

軽水炉 加圧水型原子炉 - 沸騰水型原子炉 重水炉 CANDU炉 - 新型転換炉 - ガス冷却重水炉 黒鉛炉 黒鉛減速ガス冷却炉 - 黒鉛減速沸騰軽水圧力管型原子炉 - 溶融塩原子炉 高速炉 高速増殖炉align = left

2.3. 発電施設
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原子力発電は、核分裂反応で発生する熱を使って水を沸騰させ、その蒸気で蒸気タービンを回すことで発電機を回して発電する。一方、火力発電では石油や石炭、液化天然ガスといった化石燃料を燃やして熱を作り出して蒸気を発生させ、発電を行っている。つまり、原子力発電と火力発電では、発生した蒸気でタービンを回し発電機で発電するという点で、同じ仕組みを利用しているといえる。

原子力発電所の象徴として、冷却塔の写真が使われることが多いが、これは発電に使用できなかった余りの熱を外部へ水蒸気として排出するためのものである。蒸気による発電では、熱力学第二法則により、発生した熱のすべてを電気エネルギーに変換することはできず、必ずある程度の廃熱が発生してしまうことが分かっている。冷却塔はその廃熱を処理するためのものである。一部の原子力発電所は海や川のそばに建設し、熱を温水の形で海や川に排出することで冷却塔を省いている。date=2013年8月。なお、この排水を温排水と呼ぶ。また、2012年の大飯原子力発電所再稼働時にクラゲが大量発生するという事態について、範囲=定期点検時に温排水が途切れて発育がよくなったためとされる。

2.4. 施設構成
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汽力発電の一種である原子力発電も原理はランキンサイクルであるため、作動流体である冷却材のサイクルを形成する原子炉、蒸気タービン、復水器、ポンプが中心となる。

またこの他にも補助的な役割を果たす多くの機器や設備が必要となる。

軽水炉を使用する原子力発電所の敷地内における施設、機器の構成の概要は以下のようになっている。

原子炉建屋
原子炉格納容器
燃料交換機
燃料貯蔵プール
原子炉圧力容器
制御棒
燃料集合体
燃料被覆管
燃料ペレット
原子炉補助建屋
放射性廃棄物処理設備
中央制御室
タービン建屋
蒸気タービン
タービン発電機
変圧器
送電線
非常時発電機
固体廃棄物貯蔵庫
取水口
排水口原子力発電プラントで特徴的な設備は気体、液体、固体の放射性廃棄物処理設備や放射線を検出するための環境センサー類、放射線管理区域の出入りを管理する設備である。

2.5. 火力発電所との差異
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一般的には、分かりやすく「原子力発電所でも火力発電所でも、蒸気タービンによる発電方式ということでは同じである」と説明されることがある。しかし、厳密には以下の点で違いがある。

2.5.1. 蒸気
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タービンを回す蒸気が原子力発電所では約284度、6.8MPa であり、石炭火力発電所の蒸気の約600度、25 MPa よりも温度、圧力が低く設計されている。この理由は、核燃料棒の被覆に使われているジルコニウムが比較的高温に弱いために 一次冷却水を高温にはできないためである。また、火力発電所では超臨界流体である超臨界蒸気が使用されている。超臨界流体とは、液体の性質と気体の性質を持った非常に濃厚な蒸気であり、熱を効率良く運ぶことができるが高温高圧状態が必要なため、原子力発電ではこれを利用することは現在はできない。これらの理由から一般的な火力発電所の熱効率は約47 %程度 であるのに対し、21世紀初頭現在の原子力発電における熱効率は約 30 %程度である。なお、冷却材に超臨界流体である超臨界圧軽水を用いた超臨界圧軽水冷却炉が現在研究中であり、これを原子力発電に用いれば熱効率は45 %程度まで上昇すると考えられているdate=2015年10月11日  13:59 }}。

2.5.2. タービン
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原子力用タービン発電機は4極であるため、回転数は1500 rpmまたは1800 rpm。火力用タービン発電機は通常2極であるため3000 rpmまたは3600 rpmである。 footer = 火力発電と原子力発電の模式図。いずれも水を熱源で蒸気に変えて、発生させた蒸気で蒸気タービンを回すことで発電を行う点では同じであるが、発生蒸気の温度と圧力に違いがある。現在ボイラ式火力発電の主流は超臨界圧・貫流ボイラーで、効率を向上させるためにタービン入口蒸気温度538-600℃、蒸気圧力24.1MPa以上の超臨界蒸気が使用されている。一方で原子力発電ではタービン入口蒸気温度約280℃、蒸気圧力5-7MPaの飽和蒸気が使用されている。火力発電では3000rpmまたは3600rpmの2極式タービン発電機が主に使用されているが、原子力発電では仕事量の小さい飽和蒸気を使用しているため、回転数の低い1500rpmまたは1800rpmの4極式タービン発電機が使用されている。

3. 歴史
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[[画像:Anti-nuke rally in Harrisburg USA.jpg|thumb|200px|アメリカ、スリーマイル島原子力発電所事故をきっかけに起きた反原子力運動]]1930年代に人類は核エネルギーを発見した。その最初の実用化は第二次世界大戦中の1945年に成し遂げられた、原子爆弾の開発であった。1942年12月2日に研究用原子炉シカゴ・パイル1号が臨界に達し、世界初の人工原子炉となった。その後プルトニウム生産のため試験炉や生産炉が各地に建設された。

史上初の原子力発電は、第二次世界大戦終結後の1951年、アメリカ合衆国の高速増殖炉EBR-Iで行われたものである。この時に発電された量は1kW弱、200W白熱電球4個を光らせるのがやっとであった。

本格的に原子力発電への道が開かれることとなったのは、1953年12月8日に時のアメリカ合衆国大統領、ドワイト・D・アイゼンハワーが国連総会で行った原子力平和利用に関する提案「Atoms for Peace」がその起点とされている。これは、従来核兵器だけに使用されてきた核の力を、原子力発電という平和利用に向けるという大きな政策転換であった。アメリカではこの政策転換を受け、1954年に原子力エネルギー法が修正され、アメリカ原子力委員会が原子力開発の推進と規制の両方を担当することとなった。

1954年6月27日、ソビエト連邦のモスクワ郊外オブニンスクにあるオブニンスク原子力発電所が、実用としては世界初の原子力発電所として発電を開始し、5 MWの発電を行った。

次に実用化されたのは潜水艦の動力炉であった。原爆の開発からわずか9年後の1954年に最初の原子力潜水艦が進水している。軍事用に開発された原子炉を民間に転用するところから原子力発電は始まった。

1955年に、原子力平和利用国際会議が開催され、原子力技術の発展について討議した。

1956年に、世界最初の商用原子力発電所としてイギリスセラフィールドのコールダーホール原子力発電所が完成した。出力は50 MWであった。アメリカでの最初の商用原子力発電所は、1957年12月にペンシルベニアに完成したシッピングポート原子力発電所である。

1957年には欧州経済共同体  諸国により欧州原子力共同体が発足した。同年に国際原子力機関  も発足した。

原子力発電初期のキャッチフレーズは、「Too cheap To meter」であった。これは、「原子力発電で作った電気はあまりに安すぎるので、計量する必要がないほどだ」、という意味である。原子力発電はそれだけ安く大量に電気を供給できるものと期待されていた。しかし現実はそうではなかった。バックアップ装置の増設等により、建設費が高騰したのだ。原子力発電は他の発電に比べて設備費の割合が非常に大きいため、建設費が高騰するとその影響がより大きくなってしまった。

1974年には、アメリカ原子力委員会  が推進と規制の両方を担当することへの批判から、AECを廃止し、推進をエネルギー研究開発管理部 、規制を原子力規制委員会  に分割することとなった。

1974年に、ノーマン・ラスムッセン教授を中心とした原子炉安全性研究において示されたラスムッセン報告により、確率論を基礎にした原子力発電の安全性に関する理論が推進の立場から広く語られるようになった。これによれば、大規模事故の確率は、原子炉1基あたり10億年に1回で、それはヤンキースタジアムに隕石が落ちるのを心配するようなものであるとされたのである。現在の原子力発電は、この理論を応用した多重防護というシステムを基に設計されている。

1977年、アメリカでは民主党のジミー・カーター政権が誕生した。カーター政権は1977年4月に核拡散防止を目的としてプルトニウムの利用を凍結する政策を発表した。これによりアメリカでは高速増殖炉の開発が中止され、核燃料サイクルが中止された。これ以降アメリカでは核燃料は再処理されず、基本的にワンススルー利用されるものとなった。

1979年3月28日、スリーマイル島原子力発電所事故が発生した。この事故は、世界の原子力業界に大きな打撃を与えた。特にアメリカ国内では先述した建設費用の高騰と合わせる形での事件であったため、原子力発電の新規受注は途絶えた。

続いて1986年には、1986年時点で最悪の原子力事故であるチェルノブイリ原子力発電所事故が発生。これにより原子力発電を利用していく際のリスク面が、一般に広く知れ渡ることとなった。

3.1. 日本
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日本でも第二次世界大戦中に原爆開発の研究は行われていたが、戦争末期に資金枯渇のため頓挫。1945年8月の敗戦後、連合国によって原子力に関する研究が全面的に禁止された。しかし1952年4月に日本国との平和条約が発効して禁止が解かれ、1953年にドワイト・D・アイゼンハワー大統領が国連総会で「平和のための原子力」演説を行ったことも契機となって再開されることとなった。

日本における原子力発電は、1954年3月、改進党の中曽根康弘・稲葉修・齋藤憲三・川崎秀二らにより原子力研究開発予算が国会に提出されたことがその起点とされている。この時の予算2億3500万円は、ウラン235に因んだものであった。

1955年12月19日に原子力基本法が成立し、原子力利用の大綱が定められた。この時に定められた方針が「民主・自主・公開」 の「原子力三原則」であった。そして基本法成立を受けて1956年1月1日に原子力委員会が設置された。初代の委員長は読売新聞社および日本テレビ社主でもあった正力松太郎である。正力は翌1957年4月29日に原子力平和利用懇談会を立ち上げ、さらに同年5月19日に発足した科学技術庁の初代長官となり、原子力の日本への導入に大きな影響力を発揮した。このことから、正力は日本の「原子力の父」とも呼ばれているdate=2015年10月11日  13:59 }}。

1956年6月に日本原子力研究所が特殊法人として設立され、研究所が茨城県東海村に設置された。これ以降、東海村は日本の原子力研究の中心地となっていく。

1956年7月1日、通商産業省公益事業局原子力発電準備室を設置。10月26日、IAEA憲章に調印

1957年8月1日、通産省公益事業局原子力発電管理官を設置。8月27日、日本第1号原子炉、原研のJRR1臨界

1957年11月1日には、電気事業連合会加盟の9電力会社 および電源開発の出資により日本原子力発電が設立された。

1958年6月16日、日米、日英原子力強力協定調印。9月1日、通産省公益事業局原子力発電課を設置。

1961年6月17日、原子力損害の賠償に関する法律を公布。

1962年9月12日、原研国産1号炉JPDRの発電試験に成功、日本で初発電。

日本で最初の原子力発電が行われたのは1963年10月26日で、東海村に建設された実験炉であるJPDRが初発電を行った。これを記念して毎年10月26日は原子力の日となっている。

1964年5月8日、日本の原子力設備に対する初のIAEA国内査察を実施。7月11日、電気事業法を公布。

1965年11月1日、通産省原子力発電技術顧問会を設置。　

1967年10月2日、動力炉・核燃料事業団が発足。

1969年6月12日、原子力船むつが進水。

1970年3月11日、初の沸騰水型、原電敦賀発電所営業運転を開始、電気出力33万1000kW。11月28日、初の加圧水型、関西電力美浜発電所1号機営業運転を開始、電気出力34万kW。

なお、日本に初めて設立された商用原子力発電所は同じく東海村に建設された東海発電所であり、運営主体は日本原子力発電である。原子炉の種類は世界最初に実用化されたイギリス製の黒鉛減速炭酸ガス冷却型原子炉であった。しかし経済性等の問題 によりガス冷却炉はこれ1基にとどまり、後に導入される商用発電炉はすべて軽水炉であったdate=2015年10月11日  13:59 }}。

2009年9月22日、当時の内閣総理大臣鳩山由紀夫は国連気候変動首脳会合での演説にて、二酸化炭素の25%排出削減 を含む鳩山イニシアチブを日本の国際公約とする声明を出した。

二酸化炭素排出量25%削減という2009年の鳩山内閣が打ち出した方針と並行して、温暖化対策としての原子力発電の促進も議論された。二酸化炭素の排出が少ない原子力エネルギーは日本の電力需要を満たすキーであることを鳩山は認めており、鳩山内閣として国会にて地球温暖化対策基本法を可決させる予定でいた。当時の環境大臣であった小沢鋭仁もこの法案に関して、原発の記載の必要を唱えていた。内閣府特命担当大臣福島みずほは、地震が頻発する日本における原発施設の安全性に懸念を示しており、この法案の閣議決定をめぐって鳩山・小沢と温度差があった。

2011年3月11日、東北地方太平洋沖地震に起因する福島第一原子力発電所事故が発生した。

2022年11月30日、自民党の「脱炭素社会実現と国力維持・向上のための最新型原子力リプレース推進議連」は決議をまとめ、最新型原子炉へのリプレースを推進する方針を明示するよう政府に求めた。

3.2. 略年表
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1895年 - 放射線の発見。
1939年 - 原子核分裂の発見。
1951年 - 世界初の原子力発電がEBR-Iで実施。
1953年 - Atoms for Peace提案。
1954年 - ソビエト連邦のオブニンスク原子力発電所発電開始。
1955年 - 原子力基本法が成立。
1956年 - 初の商用原子力発電所、イギリスのコルダーホール発電所運転開始。
1957年 - 国際原子力機関発足。
1963年 - 日本初の原子力発電実施。
1966年 - 日本初の原子力発電所、東海発電所完成。
1974年 - アメリカ原子力委員会分割。
1979年 - スリーマイル島原子力発電所事故発生。
1986年 - チェルノブイリ原子力発電所事故発生。
1999年 - 東海村JCO臨界事故発生。
2006年 - 国際原子力パートナーシップ発表。
2011年 - 福島第一原子力発電所事故発生

4. 事故
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4.1. 原子力事故
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臨界状態は、核分裂反応が連鎖している状態であるが、仮にこの連鎖反応が一気に進むと、エネルギーの発生も一度に起こり、発生する高熱と強力な放射線が周辺に放たれてしまう。これが核爆発である。ただし、現在の発電用原子炉で核爆発が起きることは全くない とされ、起こり得る事故は以下のようなものとなる。

4.1.1. 炉心溶融
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原子力発電所で起こり得る最悪の事故としては炉心溶融が挙げられる。これは、原子炉の炉心冷却が不十分な状態が続いた結果、もしくは炉心の異常な出力上昇の結果、炉心温度が上昇して溶融に至る事故であるdate=2015年10月11日  13:59 }}。最悪の場合は水素爆発や、より威力が強く破壊される範囲が広い水蒸気爆発などを誘発し、原子炉圧力容器、原子炉格納容器、原子炉建屋等を破壊し、原子力発電所の外に放射性物質を大量に拡散させる恐れがある。

炉心溶融を防止するために、現在は冷却材喪失事故の防止策として非常用炉心冷却装置等の設置、また異常な出力上昇の防止策として原子炉に自己制御性を持たせている。

しかし、現在までに3件以上の事例が記録されており、チェルノブイリ原子力発電所事故では広範囲に放射性物質を拡散させ、一部は日本や中国などの極東においても計測された。また、2011年3月の福島第一原子力発電所事故では1、2、3号炉で炉心溶融が発生していた。

4.1.2. 臨界事故
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臨界事故とは、制御棒の予期せぬ引き抜け等により想定外の臨界状態になることである。1978年11月2日に福島第一原子力発電所3号機で発生した事例がある。

4.2. 国際原子力事象評価尺度
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原子力発電所の事故、故障は国際原子力事象評価尺度に照らされ、0 - 7のレベル  に分けられることになっている。放射線被曝を伴わない事故の場合でも安全管理不適切と判断され、レベル1以上になることがあるgroup="注釈"。

5. 現状
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2014年の時点で、世界31の国・地域で426基の原子力動力炉が運転されており、同時点での発電容量は3億8,635万6,000   kWである。

以下に各地域の原子力発電の現状を記載する。

5.1. アメリカ合衆国
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アメリカ合衆国は最も多くの量の原子力発電を行っており、原子力発電によってアメリカ国内の総電力の19.4%を賄っている。2012年8月に使用済み核燃料の最終処分方針が決まるまでの間、新規建設および運転延長許可が凍結されていたものの、その2年後の2014年8月には規制委員会が処分方針を認め、この凍結を解除している。

低炭素社会への対応が求められる中、既存の原子力発電所は老朽化が進んでいるが、大型発電所の新規建設は難しいことから、エネルギー省ではベンチャー企業が開発する小型モジュール炉に資金援助を行っている。

軍用においては、アメリカ国防総省にて前線基地に電力を安定供給する目的の移動型原子炉「Project Dilithium」(後にProject Dilithium」から「Project Pele」へと計画名が変更）（ただしこれは福島原発事故以前のデーターを用いたものである。なお、この内原子力発電コストの見積もりについては、原子炉建設の際の漁業補償金、原子力に特有な再処理費用、1kWhあたり1 - 2円の燃料費等のバックエンドコストは含んでいるが、電源三法
による地元への交付金、電力企業からの地元対策寄付金、原子炉廃炉解体費用、原発事故の際の賠償金等は含んでいないため、これらを算入すると原子力発電コストはさらに高くなる。）