原子力発電を起こす際の原子核の主な変化と、使用済み燃料の原子核の変化の違いについて教えて下さい。 結構急いでます。

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お礼日時:7/20 15:36

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▲まず“使用済み核燃料”の定義は・・・核燃料は1秒間でも中性子照射を受けると“使用済み核燃料”となります。従って核燃料内の変化は、制御棒が引き抜かれ、一秒後の状態から、約4年間使用されて、原子炉から、引き抜かれ冷却保管プールに入れられるまでの状態変化となります。一般的にはこのプールに入れられた状況を“使用済み核燃料”と呼ばれますが、このプールに入れられるまでの期間はまちまちで、核分裂反応を考察するには、この期間をよく吟味する必要があります。 ▲このプールに入れられるまでの期間は通常・・・ (1)核保有国(米英仏ロ中)では、運転後6ヶ月でプールに入れられ、数カ月冷却後に再処理工場に送られ、プチプチ切って化学処理されて、核兵器級プルトニウム(プルトニウム239が90%以上)を抽出し、核弾頭に装着されます。 (2)日本では13ヶ月後にプールに入れられ、冷却後に再処理工場に送られ、プチプチ切って化学処理されて、原子炉級プルトニウム(プルトニウム239が約70%)を抽出し、良い燃料、良い資源として保管されます。 (3)韓国、台湾は20ヶ月後に取り出され、プール冷却後中間貯蔵施設で保管されます。 (4)フィンランド、スウエーデン、ドイツ等では約4年間使用されて、完全燃焼して、地層処分します。 このように国々により、使用目的により核燃料棒の中の原子核変化は異なります。 ▲近年の核燃料棒の進化・・・ (1)1本の燃料棒(直径1.1cm、長さ約4.5m、板厚0.7mm、)の中では、未燃体ウラン:U238約97%+ 燃焼体ウラン:U235約3%がペレット状に積められ燃料を構成しています。100万KWの原発では約50,000本装着されます。そして制御板を抜いて運転を開始すると核分裂反応が始まり、核分裂生成物ができます。 (2)従来(1970~1990年代)の核燃料は、低燃焼度タイプで、燃焼コントロールのレベルは低く、一般の原子炉は約1~2年程運転し燃料棒を交換していました。棒内は、不完全燃焼の状態で未燃分としてプルトニウム239やウラン235が残留し、そのまま地層処分が出来ず、日本では東海村、ヨーロッパでは仏・ラアーグ再処理工場でMOXにしてこの未燃分を焼却しました。 (3)近年では、核燃料は高燃焼、高効率型に改良されて、所定の運転期間内で完全に燃焼するようになりました。使用済み核燃料となって、再処理工場で化学処理しても未燃分として、プルトニウム239やウラン235は(燃焼してしまい)抽出されなくなりました。出てくるのは不燃体のウラン238や残渣と呼ばれる核の不要ゴミのみとなりました。従って、今では六ヶ所村の再処理工場は意味のない場所となりました。日本が(MOX加工をビジネスにしている)フランスに使用済み核燃料を送りMOX加工を依頼するのは、フランスには(核弾頭解体により出る)大量の“核兵器級プルトニウム(239)”があり、これを(内々で)使って適当なMOXをつくってくれるからです。 ▲核燃料内の主な変化は・・・ 1本の燃料棒の中に詰められた未燃体ウラン:U238と 燃焼体ウラン:U235が核分裂反応を起こし、棒の中でプルトニウム239やその同位体プルトニウム240、241、242・・・が生成して、やがて燃焼して、最後には不燃体のウラン238と残渣となるプロセスにすぎません。これが使用済み核燃料の原子核変化なのです。

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・核分裂は、中性子が衝突することでウランやプルトニウムが2つに分裂(核分裂片)し、余った中性子が2~3個飛び出します。この中性子が他のウランやプルトニウムに衝突することで連鎖反応が継続します。 分裂エネルギー(粒子の質量×飛翔速度)は、核分裂片が168MeV,中性子が5MeV,その他β線やγ線などとなっています。(合計で約180MeV位で、中性子1個当たり平均2MeVです。) 日本の核分裂炉は、中性子遮蔽体である水の中で核反応を発生する方式で、核分裂片や中性子のもつ運動エネルギーを周辺の水の分子に何度も衝突させて減速を行い、周りの物質の運動エネルギーが増加することにより、熱エネルギーとして取り出しています。また、中性子の持つエネルギーを減らして、ウランなどが効率よく分裂する速度まで、減速させる役割もあります。 ウラン1molは、235[g] 、 生成エネルギー(核分裂)は1.8×10^10[kJ/mol] 燃料棒に含まれるウラン235の割合を4%と考えると、 ウラン燃料棒 1kgあたりが放出する全エネルギーは、3,060,000,000[kJ] 熱効率60%で電力になるとすると、184,000kWhです 制御棒を挿入し、炉内の中性子を吸収することで、核分裂の発生数を減らして 原子炉を停止しますが、指数関数的に炉内の核分裂が減少していきますが、燃料棒を取り出せるようになるまで、核分裂が十分に少なくなるのを待つ必要があります。 発電前は、核分裂し易いウラン235が3~5%、核分裂しにくいウラン238が95~97% 発電後は、核分裂片が3~5%に、ウラン235が1%、プルトニウムが1%、ウラン238が93~95%に減少します。 特に核分裂片とプルトニウムは、高レベルの放射性物質を含む危険な物質です。