福島原子力事故を教訓に 原子力開発の将来を展望 -大局的視点に立ってー

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1 環境とエネルギーを考える エネルギー確保と放射性廃棄物ゼロは可能か 藤家洋一

2 小さな自然と大きな自然 科学は目に見えない世界を切り拓いてきました 小さすぎて目に見えない世界と大きすぎて目に見えない世界とがあり その間に私たちが目にする自然があります 原子の世界は小さすぎて見えません 逆に宇宙は大きすぎて目に入りません しかしこの二つは密接に関連して私たちの自然環境を創っているのです 又陰に隠れて見えない世界もあります レントゲンが切り拓いた世界です 最初に小さくて目に見えない世界を訪ねましょう ここには原子や 原子核のミクロな世界があります エネルギーの源はこのミクロ世界にあります 火力も原子力もミクロ世界の反応を使っています その後大きすぎて目に入らない世界を訪ねましょう ここは星の世界であり マクロな宇宙です ミクロ世界の原子力が星の世界や宇宙の出来事を支配しています 2

3 原子の大きさを 1 として 半分ずつに分割を 13~14 回繰り返すと やっと原子核に到達できる 約 120m 阪神甲子園球場 パチンコ玉約 1cm 拡大図 原子の中の原子核の大きさはどのくらいか? 3

4 子の世界を訪ねる : 原子 分子の大きさ 10-9 m 30 回 分子 m 33 回 原子 m 47 回 原子核 m 50 回 陽子 m 57 回 クオーク 4

5 小さな自然と大きな自然 大きさを実感 1mの物差し を何回 倍々 を繰り返したら? 地球から太陽まで銀河 m 大洗町 9km 地球一周 4 万 km 1 億 5 千万 km 70 回 宇宙 m 以上 13 回 25 回 37 回 86 回以上 5

6 小さな世界と大きな世界はつながっている 太陽では原子力の火が燃えている 20 億年前地球の自然に原子炉 ( 核分裂 ) があった 核融合 オクロの天然原子炉の跡 ( アフリカ ) 宇宙のエネルギーは原子力

7 太陽は信仰の対象から研究の対象へ 太陽 1 H+ 1 H 2 D+e + 2 D+ 1 H 3 He 3 He+ 3 He 4 He+2 1 H (P-P 反応 ) 原子炉としての太陽の諸データ 中心温度 万度 中心気圧 億気圧 中心密度 鉛の約 14 倍 (156g/ cm3 ) 全放射エネルギー 万 kwe 級発電所 10 京 (10 17 ) 基相当 7

8 地球環境って何 1. 太陽の恵み : 地球に質のよいエネルギー太陽光線となって到達するのは 22 億分の 1 ですが それでも地球人が使うエネルギーの数倍あります. 太陽のエネルギーを植物が化学エネルギーに変換するのはそのわずかに 0.02% です それでも生態圏を構成し これまでの地球環境を支えてきたのです 2. 地球の自然 : 地球には海があり 山があり 川があり 平地があります. また自然には植物や動物が生きています. 地球はこれまで太陽のエネルギーを受けて自然環境を創ってきました. 風 雲 雨 すべて太陽光線がもたらしたものです. 3. 物質の循環する生態圏 : その中で植物が太陽光線を受け光合成でぶどう糖つくり アミノ酸を作り たんぱく質を作ります それを動物が食べることで再び 炭酸ガスと水さらにアンモニアなどに戻し物質のリサイクルが行われます その結果自然に物質が循環するようになりました 主な元素は炭素 水素 窒素 酸素の 4 種類です これを生態圏と呼んでいます

9 原子と原子核化学反応と核反応 原子にたどり着いたところは電子がぐるぐる回転しながら原子核の周りを回っています 電子と遭遇しながらもっと中に入り込んでいきましょう ちょうど原子の大きさの 1 万分の 1 ぐらいのところに重い塊があります これが原子核です 原子の大きさを東京ドームぐらいにしたとき 原子核の大きさは二塁ベースの上に置いたビー玉ぐらいです ( 図ー原子と原子核 ) 原子はもっといっぱい中身が詰まっていると思っていましたか? 実は空間の中に原子核と電子が浮いているようなものです 次の図は原子の構造を示しています わたしが生まれる頃イギリスのラザフォードが実験の結果たどりついた原子の構造です ( 図ー原子核の構造を探る ) 金箔にアルファ線を当てる実験をしたのです わたしたちが使う火は原子核の回りの電子を原子がやり取りして分子を作ることによって出てきます ( 図ー化学反応 ) 化学反応によって取り出されるエネルギーは地球のエネルギーです 石炭や 石油は化石燃料と呼ばれ大切な燃料です 原子核同士があるいは原子核と放射線がぶつかって起こるのが核反応です ( 図ー核反応 ) 原子力は宇宙のエネルギーです 太陽はじめ恒星の中で起こるのを核融合といい 惑星で起こるのを核分裂ということがあります 地球にも昔核分裂炉がありました 9

10 水素 (H) の原子 水素 (H) の分子 水 (H 2 O) の分子 酸素 (O) の原子 酸素 (O) の分子 H 2 ( 気体 ) + 1/2O 2 ( 気体 ) = H 2 O( 液体 ) 2g + 16g = 18g+ 286kJ 化学反応の原理 10

11 原子の世界を訪ねる : ラサ フォート の原子模型 1911 年ラザフォード ( イキ リス ) 薄い金の箔にアルファ線を当てると約 1 万個に 1 個のアルファ線が大きな角度で反射されることから 原子核の存在を発見 アーネスト ラサ フォート ( ) ニュージーランド生まれ直観力に優れ 簡単な実験で原子の正体を明らかにしていった 従来の模型 ラサ フォート の模型 原子核 図アルファ粒子の実験 11

12 中性子 ウラン 235 の原子核 n + ウラン235 臭素 90+ ランタン n + 207MeV 中性子による核分裂反応 ウラン 235 の熱 中性子 ウラン kgkg 中性子 臭素 90 ランタン 144 アインシュタインの特殊相対性理論 ( 質量とエネルギーは等価 ) エネルギー = mc 2 m: 失った質量 ( 質量欠損 ) c: 光の速さ ( 毎秒 30 万 km) 核反応の原理 kg = 207MeV = 207,000,000eV 12

13 地球と太陽の連携 生態系のエネルキ ーシステム 大気 CO 2 大気 O 2 炭酸ガス + 水 大気 炭水化物 * + 酸素 炭水化物 + 酸素 大気 炭酸ガス + 水 植物と動物の間を - 炭素 酸素 水素窒素が循環 - 植物と動物がエネルキ ー的にハ ランスしていれば大気中の炭酸ガスもハ ランス 炭水化物 * C 6 H 12 O 6 ( ブドウ糖 ) など 13

14 地球を取り巻く自然と人類 : 太陽と地球の連携 太陽 風を吹かせる 雲をつくる 雪を降らせる 雨を降らせる 水を蒸発させて水蒸気をつくる 植物を育てる ( 光合成 ) 草食動物 肉食動物 波をつくる 陸地を暖める 微生物 海水をあたためて海流を起こす 無機物 石油 石炭 天然ガス

15 地球と太陽の連携 : 化石燃料の大量使用 豊かな社会の実現を目指して化石燃料を大量使用 環境の破壊 ( 温暖化 ) 15

16

17 原子力はエネルキ ーを提供し環境を保全できるか? 1 年間の資源消費量 1 年間の廃棄物発生量 石炭火力 石炭 220 万トン CO 万トン SO x 12 万トン灰 5 万トン 石油火力 石油 140 万トン CO 万トン SO x 4 万トン 軽水炉 ( フ リサーマル ) 天然ウラン 90 トン 高レベルガラス固化体 5 トン 高速増殖炉サイクル 天然ウラン 1 トン 高レベルガラス固化体 5 トン 17

18 原子の世界を訪ねる : 最初の原子炉 1942 年フェルミとそのク ルーフ フェルミがリーダーとなり の運動場の地下に シカゴ大学 人類最初の原子炉を建設 核分裂の連鎖反応が継続して起こっていることを確認しました 中性子 ウラン エンリコ フェルミ ( ) イタリアで生まれ米国に亡命実験と理論の両面に偉大な業績を残した 図ウランの中性子による核分裂反応 シカゴパイル 1 号 18

19 加圧水型軽水炉

20 沸騰水型軽水炉

21 Japan Atomic Energy Agency (JAEA) Oarai Research and Development Center HTTR

22 高速増殖原型炉 もんじゅ 22

23 原子力はエネルキ ーを提供し環境を保全できるか? 生態系の物質循環を維持するには 炭酸ガスを出さない原子力が必要です 原子力太陽の原子力と地球の原子力の連携が未来を生む 23

24 原子の世界を訪ねる : 原子と太陽系の構造 原子核 ラザフォードの原子構造模型 電子 原子核 92 個の陽子と 146 個の中性子 太陽系の構造 電子 (92 個 ) ウラン原子の構造モデル 24

25 地上に太陽を : 核融合開発は実験炉の段階へ 25

26 大強度陽子加速器 J-PARC 26

27 オリオン座に見るレーザー : レーザーを使って核燃料サイクルを 衝突 a) SPring-8 蓄積リング 8 GeV 電子 b) レーザー入射 反跳電子電子エネルギー測定 2.4 GeVガンマ線レーザー光標的 SPring-8 の 8GeV 電子ビームと 超伝導リニアック自由電子レーザーからの高出力レーザー光を相互作用させることにより高輝度 γ 線を発生させる n K - Θ + K - K + n 実験室 ペンタクォーク粒子の発見 (Phys.Rev.Lett.2003; Nakano et al.) ペンタクォーク粒子 中間子が 2 つのクォークから 陽子 中性子等が 3 つのクォークから構成されている粒子であることは知られていたが 4 つ 5 つのクォークから構成されている粒子が何故ないのかは 30 年来の基本的疑問であった シータ粒子の発見は長年の疑問に答えを提示し 新しいクォークの物理を拓いた 27

28 地球と太陽の連携 : 物質の循環 地球は太陽のエネルギーのおかげで植物と動物の共存できる環境 ( 生態系 ) を維持しています CO 2 o 2 O 2 植物は太陽のエネルキ ーを使った光合成で成長し 動物は植物を食料とし いずれも寿命が来ると死骸が地下で微生物により分解され 植物に利用されたり化石燃料になります この循環を通して 大気中の酸素や炭酸ガスは生き物に快適なレベルに保たれています 植物も私たちの体も 太陽の原子力 によって維持されています 28

() 実験 Ⅱ. 太陽の寿命を計算する 秒あたりに太陽が放出している全エネルギー量を計測データをもとに求める 太陽の放出エネルギーの起源は, 水素の原子核 4 個が核融合しヘリウムになるときのエネルギーと仮定し, 質量とエネルギーの等価性から 回の核融合で放出される全放射エネルギーを求める 3.から

() 実験 Ⅱ. 太陽の寿命を計算する 秒あたりに太陽が放出している全エネルギー量を計測データをもとに求める 太陽の放出エネルギーの起源は, 水素の原子核 4 個が核融合しヘリウムになるときのエネルギーと仮定し, 質量とエネルギーの等価性から 回の核融合で放出される全放射エネルギーを求める 3.から 55 要旨 水温上昇から太陽の寿命を算出する 53 町野友哉 636 山口裕也 私たちは, 地球環境に大きな影響を与えている太陽がいつまで今のままであり続けるのかと疑問をもちました そこで私たちは太陽の寿命を求めました 太陽がどのように燃えているのかを調べたら水素原子がヘリウム原子に変化する核融合反応によってエネルギーが発生していることが分かった そこで, この反応が終わるのを寿命と考えて算出した

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