原子力発電

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原子力発電(げんしりょくはつでん)とは、原子核反応時に出るエネルギーを利用した発電。ここでは地上の核分裂を利用した主に商業用の原子力発電について説明する。

原子力発電とは何か[編集]

総説[編集]

原子力とは、原子核反応により得られるエネルギー(核エネルギー)のことである。原子核反応には核分裂反応核融合反応の二種類の反応があるが、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り、そのため、単に「原子力発電」と言う場合には核分裂反応のエネルギーを用いた発電方法を指す。

原子力発電には、大きく分けて三つの要素が必要である。核分裂反応を起こす元となる核燃料、核分裂反応を起こさせる原子炉、そして原子炉から取りだした熱で発電を行う発電施設である。

核燃料は、天然鉱石である閃ウラン鉱から作られる。閃ウラン鉱に含まれるウラン放射性同位体であるウラン235は、容易に核分裂反応を起こすため、原子力発電に用いられている。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、ウラン濃縮工程とよばれるウラン235の濃縮作業が必要となる。

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つないしそれ以上に分裂することをいう。このとき、その原子は中性子を放出することがある。そして放出された中性子がまた別の原子に捕捉され、さらにまたその原子が分裂を起こし、そしてそこからまた中性子が放出され…、という連鎖反応が起きることがある。こうした連鎖反応により核分裂反応が持続している状態を臨界と呼ぶ。原子炉において初めて臨界が達成された時を初臨界といい、これはその原子炉が実際に稼働した最初の時とされる。

原子には、中性子を捕捉して分裂するものと、捕捉しても分裂しないものがあることが知られている。分裂するものとして代表的なものは、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。また、分裂しないものとしては、ウラン238が知られている。しかしウラン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、核燃料として使用することができる。このことから、ウラン238に人為的に中性子を当て、プルトニウム239を生産することが考えられた。これを核燃料サイクルといい、プルトニウムの生産に使われる原子炉を高速増殖炉という。

ファイル:Reacteur eau pressurisee.gif
加圧水型原子力発電所のモデル

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(臨界)、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。

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二つによって分類される。減速材としては、黒鉛重水軽水[1]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。現在一般的な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。

原子力発電で一般的に使用されている軽水炉はさらに二種類に分けられる。沸騰水型原子炉(BWR)と加圧水型原子炉(PWR)である。

ファイル:Nuclear.power.plant.Dukovany.jpg
チェコのDukovany原子力発電所。冷却塔から廃熱のための蒸気が出ている。

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発電に利用することは出来ず、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[2]

なお、21世紀初頭現在の原子力発電における熱効率はおよそ30%程度である。これは、原子力発電では、発生した熱の30%程度しか発電に利用することができず、残りはすべて廃熱としなければならないということである。

冷却塔は原子力発電所以外にも設置されることがあるが、その多くは原子力発電所に設置されている。発電にともなって発生する熱量が非常に大きく、その分だけ比較的巨大な廃熱施設が必要となるためである。なお、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。日本国内の原子力発電所は全てこのようにして冷却塔の必要がない構造となっている。

原子力発電プラントの基本要素(PWR)[編集]

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サイクルを形成する4要素が中心となる。

原子炉(炉心、燃料棒集合体、制御棒)、蒸気タービン復水器ポンプ

またこのほかに補助的な役割を果たす多くの機器や設備が必要となる。

発電機、変圧器、送電線、発電機建屋、圧力容器、格納容器、燃料交換装置とクレーン、原子炉建屋、一次冷却水配管系、二次冷却水配管系、緊急炉心冷却装置、熱交換器、加圧器、非常用ポンプ、非常用発電機、燃料プール、センサー類、冷却水フィルター、空気フィルター、各種圧力逃がし弁、復水器冷却水系設備、コントロールルームと操作機器・記録装置類・通信機器類、消火装置、放射性管理区画ゲート等

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。

火力発電所との違い[編集]

一般的には、わかりやすく「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、詳細には以下の点で違いがある。

蒸気の違い

タービンを回す蒸気が原子力発電所では 280-290度、6.9MP であり、火力発電所の蒸気の 600-610度、31MP よりも温度・圧力が低く設計されている。そのため火力発電に比べて熱効率が劣ってしまう。

  • 蒸気の温度と圧力を低く設計しなければならない理由は、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出来ないためである。
  • 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出来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できない。
タービンの違い

原子力用タービンの回転数は1500rpm又は1800rpmであるが、火力用タービンは3000rpm又は3600rpmである。

熱力学第二法則により、熱効率は入出力の温度差によって決まることが分かっている。そのため、熱効率を上げるには発電に使用する蒸気の温度を高くすることが必要である[3]が、以上のように原子力発電では蒸気の温度を上げることには限界があり、現在以上に熱効率を上げることがほとんど不可能となっている。これは火力発電と比べて不利な点である。

原子力発電の歴史[編集]

ファイル:ebr-1.zdv.jpg
EBR-I:アメリカ、アイダホ州:世界初の原子力発電を行った発電所

史上初の原子力発電は、1951年、アメリカ高速増殖炉EBR-Iで行われたものである。このときに発電された量は、200ワットの電球を4個灯しただけであった。

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日にアイゼンハワー大統領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(AEC)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、ソ連(当時)の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、5MWの発電を行った。
1955年に、科学者と技術者の集会としては世界最大となる国連のジュネーブ会議が開催され、原子力技術の発展について討議した。

ファイル:Shippingport Reactor.jpg
アメリカ、シッピングポート原子力発電所

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コルダーホール発電所が完成した。出力は50MW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EEC諸国によりユーラトム(EURATOM)が発足した。同年に国際原子力機関(IAEA)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。最大の原因は1973年に発生した第一次石油危機以降の建設費の高騰である。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。

この建設費の高騰のため、アメリカでは1974年以降原子力発電の開発がストップした。原子力発電のコストが、石炭火力発電のコストより高くなったためである。[4]この年に建設を予定されていた原子炉は74基(うち着工済みは28基)あったが、すべて中止された。[5] なお、一部には、この建設費高騰は過剰な安全設備によるものとして批判する者もある。
また同年には、アメリカ原子力委員会(AEC)が推進と規制の両方を担当する事への批判から、AECを廃止し、推進をエネルギー研究開発管理部(ERDA、後にエネルギー省)、規制を原子力規制委員会(NRC)に分割することとなった。

ファイル:3MileIsland.jpg
アメリカ、スリーマイル島原子力発電所

1977年、アメリカでは民主党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。この政策は、日本の原子力政策にも大きな影響を与えることとなった。

日本における原子力発電の歴史[編集]

日本における原子力発電は、1954年3月に当時改進党に所属していた中曽根康弘稲葉修齋藤憲三川崎秀二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にちなんだものであった[6]

1955年12月19日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」[7]であった。そして基本法成立を受けて1956年1月1日原子力委員会が設置された。初代の委員長は読売新聞社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。

1956年6月に日本原子力研究所(現・独立行政法人日本原子力研究開発機構)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。

1957年11月1日には、電気事業連合会加盟の9電力会社[8]および電源開発の出資により日本原子力発電株式会社が設立された。

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。

日本に初めて導入された商用発電炉は同じく東海村に建設された。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英国製のガス冷却炉であった。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。

原子力発電の現状[編集]

世界のエネルギー消費と原子力発電[編集]

ファイル:Nuclear power stations.png
原子力発電の世界での現状:濃い緑色は原子炉をすでに持つ国。明るい青緑色は新たに持つ国。濃い黄色は追加で持つことを検討している国。薄い黄色は初めて持つことを検討している国。青は建設を中止したか廃炉した国。明るい青は廃炉をした国。赤はすべての商業用原子炉を廃炉した国。

2004年の実績では、原子力発電によって世界中のエネルギーの3.5%、世界中の電力の15.7%が供給されており、米国、日本、フランスで世界中の原子力による電力の57%が発電されている。[9]

2007年には、国際原子力機関 (IAEA) は世界中で435基の原子力動力炉が31か国で運転されている[10]と報告している。[11] [10]

米国は最も多くのエネルギーを原子力によって生産しており、原子力発電によって総電力の20%をまかなっている。フランスにいたっては、発電量に占める原子力発電の割合が世界で最も高いウェートを示しており、2006年の実績では80%もの電気エネルギーを原子炉から得ている。[12][13] 欧州連合 (EU) 全体では、電力の30%を核エネルギーから得ている。 [14]

原子力政策はEU加盟の各国によって違いがあるが、いくつかのEU加盟国やオーストラリア、アイルランドなどの国では稼動中の原子力発電所は存在しない。反対にフランスでは59基もの原発が稼動しており、火力を含めた総発電量の18%をイタリア、イギリス、ドイツに輸出している。[15][16]

原子力エネルギーが高い割合を占める国では、原子力発電は発電出力の変更を行わないか極めて遅いため、調整力として揚水発電や電力輸出入を活用している事が多い。フランスの場合でも、ヨーロッパに張り巡らされた送電網、特に隣国ドイツとの電力輸出入が活用されている。

発電以外の原子力エネルギーの利用としては、複数国の軍隊空母潜水艦などや、旧ソ連の砕氷船にて、原子力推進を利用している。これらは原子力船と呼ばれる。

また、将来への研究として、「本質的に安全な原子力発電プラント」(en:Passive nuclear safety)や核融合炉の開発、高温電気分解(High-temperature electrolysis、HTE または steam electrolysis)による海水淡水化、地域の暖房供給などの研究が現在も世界各国で続けられている。

原子力発電の今後[編集]

アメリカは2006年に輸入化石燃料への依存量を減らすなど幾つかの目的を持つ新しいエネルギー政策「国際原子力パートナーシップ(Global Nuclear Energy Partnership、GNEP)」を発表。日本、フランス、中国ロシアなどとの協力によってこの政策を推進してゆくことを発表した。2007年にはオーストラリアブルガリアガーナハンガリーヨルダンカザフスタンリトアニアポーランドルーマニアスロヴェニアウクライナ、イタリア、カナダ韓国がこの計画への参加を表明している。この計画の中心となるのは核燃料サイクル高速中性子炉などの第4世代原子炉である。詳細は国際原子力パートナーシップの項を参照されたい。

日本の現状[編集]

21世紀初頭現在の日本では経済性や安全性から軽水炉の2つのタイプ、沸騰水型原子炉(BWR)と加圧水型原子炉(PWR)が使われている。現在、沸騰水型原子炉は、米ゼネラルエレクトリック(GE)の技術を導入した東芝日立製作所で製造されており、加圧水型原子炉は米ウエスチングハウス(WH)の技術を導入した三菱重工業で製造されている。しかし、2006年に東芝がウエスチングハウスを買収することで業界再編が進んでいる。

日本の原子力発電は需要に合わせた電気出力の増減(負荷追従運転)は行わず、常時一定の電力供給を専門としている。これはチェルノブイリ原子力発電所の重大事故のもともとのきっかけが負荷追従運転の実験にあった点が影響していると言われている。[[1]] 夜間などの電力が余る時間帯の原子力発電電力を揚水発電所へ送って、上のダムへと水をくみ上げ昼間の発電に備える工夫も行っているが、負荷追従運転が出来ないのは経済性からいえば無駄である。現在フランスでは商用原子炉で負荷追従運転が認可されている。

増え続ける使用済み核燃料に含まれるプルトニウムの処分方法とウラニウムの輸入量を減らすための解決策として、高速増殖炉計画が推進されていたが、技術的な困難さのために計画は頓挫した。現在はMOX燃料によるプルサーマル計画が進められているが、これには賛否両論が存在している。

2004年現在、日本における定格最大出力電力の約30%、電力量の約50%を担っている。一次エネルギーとしての原子力エネルギーは電力事業のみであり、日本での一次エネルギーに対する割合は15%程度となっている。

原子力発電の利点[編集]

現行の原子力発電の利点として、以下の諸点が挙げられている。

  • 酸性雨光化学スモッグなど大気汚染の原因とされる窒素酸化物(NOx)や硫黄酸化物(SOx)を排出しない
  • 使用する燃料の重量・体積が化石燃料型の発電に比べて極端に少なくて済む
  • 核燃料の交換頻度が低い事や核燃料物質の国際的な入手ルート・価格がほぼ確立し安定している為に、化石燃料型の発電に比べて相対的に安定した電力供給が期待できる
  • 経済性が高い(発電量当りの単価が安い)とされている。(ただし、この場合廃炉や放射性廃棄物の半永久管理に関するコスト(現状では見積もり不能)は考慮されていない)
  • 化石燃料資源の乏しい国でも比較的少量の核燃料を繰り返し使用する再処理技術(=核燃料サイクル)の確立により核燃料物質の入手に関わる制約が圧倒的に緩和できる
  • 技術力のあることが国際的にアピールできる
    • 優秀な原発技術は海外へ売り込むことができる。
  • 海水からのウラン採取が実現すれば燃料はさらに豊富となる
  • 原子力発電所ができると、地元には一定の雇用が期待できるほか、電源立地地域対策交付金などの電源三法交付金固定資産税法人税などの税収も確保できる。

炉心融解[編集]

臨界状態は、核分裂反応が連鎖している状態であるが、仮にこの連鎖が異常に高い効率で核分裂反応が進むとすぐに核燃料内部が中性子であふれ、出来るだけ速やかにすべてのウラニウム235の原子核を核分裂される方向へと働いてしまう。制御を超えて一度に進む核分裂反応は、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あたりに放たれてしまう。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無く、起こりえる最悪の可能性としては進みすぎた核分裂反応による高温のために炉心が溶け落ちる炉心融解である。炉心融解を避けるために、核燃料の精製度や量、形、配置、反射材、制御棒の高さ、水の圧力、ホウ酸の量、可燃性毒物の量などの調整により制御された範囲内で核分裂反応が進むようにしている。また、多少の調整のブレがあってもすぐには制御を離れないように、最初から炉心での反応そのものが簡単には進まないように設計している(負の反応度)。

発電コストなどのデータ[編集]

1kWhあたりの発電コスト[編集]

経済産業省(旧通産省)による試算[編集]

平成11年に通商産業省資源エネルギー庁が発表した試算によれば、1kWhあたりの発電コストは以下の通り。[17]

  • 原子力 5.9
  • LNG火力 6.4円
  • 石炭火力 6.5円
  • 石油火力10.2円
  • 水力 13.6円

なお、この試算は漁業補償金や原子力に特有な再処理、バックエンドコストを含んだもの(燃料費は1kWhあたり1円から2円と見積もられている。)だが、電源三法による地元交付金等は含まれていない。原子力発電コストは燃料費の割合が低いが故に、燃料費の高騰を原因とする値段の高騰を招きにくい特性がある。

原子力資料情報室による試算[編集]

2005年6月に特定非営利活動法人原子力資料情報室が発表した試算によれば、運転年数40年の場合、1kWhあたりの発電コストは以下の通り。 [18]

  • 原子力 5.73円
  • LNG火力 4.88円
  • 石炭火力 4.93円
  • 石油火力8.76円
  • 水力 7.20円

1kWhあたりの二酸化炭素排出量[編集]

温室効果の原因となる二酸化炭素の排出量が少ないことは、原子力発電の利点の一つとされている。電力中央研究所が平成12年に発表した試算によれば、原子力をはじめとする各種発電方式について、発電所の建設から廃止までの発電量と二酸化炭素排出量を考慮した、1kWhあたりの二酸化炭素排出量は以下の通り。 [19]

  • 原子力 22グラム
  • 水力 11グラム
  • LNG火力 608グラム
  • 石油火力 742グラム
  • 石炭火力 975グラム

原子力発電では核分裂反応に起因する二酸化炭素の排出は全くないが、発電所の建設・運用・廃止や燃料の生産・輸送、廃棄物の処分等に起因する二酸化炭素の排出も上記の試算には含まれているため、若干の排出が見られる。この点は水力発電も同様である。

発電所建設費の例[編集]

世界の原子力発電所開発状況(2003)[編集]

数字(基数)は計画中の発電所を含む。()内は発電量、単位は万kW。

世界合計:498基(43,549)

詳細は原子力発電所を参照

関連項目[編集]

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注釈[編集]

  1. 原子炉においては、重水と区別するため、一般的な水は軽水と呼ばれる。
  2. 同様に、廃熱のための施設は火力発電所でも必要となる。
  3. 理論的には出力の温度を下げても熱効率を上げることが出来るが、外気温以下に温度を下げるにはエネルギーが必要となる。つまりこれは熱効率を上げるためにエネルギーを消費することになり、現実的には意味がない。
  4. ある試算では、1970年代では建設費が1基1億7000万ドル程度だったものが、1983年には17億ドルになり、1980年代後半では50億ドルであったとされている
  5. アメリカでは、1979年のスリーマイル島原子力発電所事故により原子力発電の開発が中止されたと考える人が多いが、実際はそれ以前に既に開発が中止されていた。
  6. この時の提出者の一人が、後にこう言ったとされている。
    「学者がボヤボヤしているから、札束で頭をぶんなぐってやったんだ」
    なお、この言葉は中曽根康弘が言ったものとされていたが、それは誤りであることが判明している。
  7. 原子力基本法 第2条-原子力開発利用の基本方針
    平和の目的に限り、安全の確保を旨として、民主的な運営の下に、自主的にこれを行うものとし、その成果を公開し、進んで国際協力に資するものとする。
  8. 1957年当時。現在は沖縄電力も含めて10社。ただし現在でも沖縄電力は日本原子力発電に出資していない。
  9. 10.0 10.1
  10. NUCLEAR POWER PLANTS INFORMATION, by IAEA, 15/06/2005
  11. EnerPub () Spero News {{#if:|{{{archiveurl}}}|http://www.speroforum.com/site/article.asp?idarticle=9839&t=France%3A+Energy+profile}} {{#if:Spero News|France: Energy profile}} {{#if:2007-06-08|2007-06-08|}} {{ #if: |p. {{{page}}} |{{ #if: |pp. {{{pages}}} | }} }} {{#if:2007-08-25|2007-08-25|{{ #if:|{{{accessdaymonth}}}|{{ #if:|{{{accessmonthday}}}| }} }} }}
  12. (alternate copy)
  13. 出典:総合エネルギー調査会原子力部会(第70回)資料3:原子力発電の経済性について(平成11年12月)
  14. 出典:公益事業学会第55回全国大会:原子力発電の経済性に関する考察(2005年6月12日)
  15. 出典:(財)電力中央研究所「ライフサイクルCO2排出量による原子力発電技術の評価」研究報告:Y01006(平成13年8月)
  16. 「北海道電力株式会社泊発電所 原子炉設置変更許可申請(3号原子炉の増設)の概要」(平成15年6月)
  17. 電源開発株式会社 「市原パワー株式会社市原発電所の運転開始について」(平成16年9月30日)
  18. 北陸電力 「敦賀火力発電所2号機(70万kW)の運転開始について」(平成12年9月28日)
  19. 電源開発株式会社 「郡山布引高原風力発電所の竣工について」(平成19年1月31日)

参考資料[編集]

  • JAIF資料
  • 『わたしはなぜ原子力を選択するか 21世紀への最良の選択』 バーナード・L・コーエン著 近藤駿介監訳 ERC出版 1994年 ISBN 4900622052
  • 『原発・正力・CIA 機密文書で読む昭和裏面史』 有馬哲夫 新潮新書 新潮社 ISBN 9784106102493cs:Jaderná_elektrárna

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