理科エネルギーと科学 1 人類の発展とエネルギー地球の誕生から今までの 46 億年を 1 年におきかえるとていったその中には放射性物質も含まれていた放射性物質は 46 億年前に地球が誕生した時海ができた 41億年前から地球を構成している物質のひとつで主なも最初の生命の誕生 39億

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とよみじゅふく
5 years ago
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科エネルギーと科学 1 人類の発展とエネルギー地球の誕生から今までの 46 億年を 1 年におきかえるとていったその中には放射性物質も含まれていた放射性物質は 46 億年前に地球が誕生した時海ができた 41億年前から地球を構成している物質のひとつで主なも最初の生命の誕生 39億年前 3月のにウランやトリウムなどがあるこれらは放射線を出す能力放射能が弱まるのに長い時間が

今でも地層の中に残っている現代のわたしたちは地球が生まれたときから地層の中にあったウランを取り出し核燃料として利用している化石燃料の起源今わたしたちが消費している石油や天然ガス石炭などの化石燃料は数億年前の海洋生物の死 7月がいや大森林が地中にうもれて形成されたものと考えられている 8月最古の多細胞生物と考えられているエディアカラ生物群石油 2 億年前から 6500

1 科エネルギーと科学 1 人類の発展とエネルギー地球の誕生から今までの 46 億年を 1 年におきかえるとていったその中には放射性物質も含まれていた放射性物質は 46 億年前に地球が誕生した時海ができた 41億年前から地球を構成している物質のひとつで主なも最初の生命の誕生 39億年前 3月のにウランやトリウムなどがあるこれらは放射線を出す能力放射能が弱まるのに長い時間がかかるため地球が誕生してから 46 億年たったシノアバクテリアの死がいなどが堆積してできたストロマトライト 4月下旬膨張し冷えながらさまざまな物質を作り出し 2月 9日 137 億年前ビッグバンによって誕生した宇宙は午前 0 時地球誕生 46億年前 1月 5月 26 1日放射性物質の起源光合成をする生物シアノバクテリアの誕生 32億年前 6月下旬今でも地層の中に残っている現代のわたしたちは地球が生まれたときから地層の中にあったウランを取り出し核燃料として利用している化石燃料の起源今わたしたちが消費している石油や天然ガス石炭などの化石燃料は数億年前の海洋生物の死 7月がいや大森林が地中にうもれて形成されたものと考えられている 8月最古の多細胞生物と考えられているエディアカラ生物群石油 2 億年前から 6500 万年前に繁殖していた生物やプランクトンなどの死がいが土砂の重みや地熱によって液状に変化したと考えられている 9月天然ガス 2 億年前から 6500 万年前に繁殖していた生物の死がいが泥と一緒に海底につもって地熱を受 A Review of the Universe 中旬多細胞生物の誕生 10 億年前月 10 下旬日夜 27 日 31 日月恐竜が絶滅 6500 万年前石炭 3 億 2 千万年 2 億 5 千万年前に形成された森林が地中につもって土砂の重みや地熱を受けて石のように固い石炭に変化したものと考えられているほ乳類の繁栄 5000 万年前午前 10 時 40 分人類の祖先が誕生 700万年前午後 11 時 59 分 58 秒産業革命 31 日生物が陸上に進出 4 億年前月 11 け生成されたものと考えられている地球や生物進化化石燃料の生成過程には諸説ある

2 27 50 P.15 P.17 P

自然エネルギーの利用科エネルギーと科学化石エネルギーの利用石炭が中心電気エネルギーの利用蒸気機関と産業革命石油革命 18 世紀半ばワットが蒸気機関を発明しそ 1950 年ころ中東やアフリカに相次いで大油れは工場での動力源のほか蒸気機関車蒸気船田が発見されたり石油の新しい採掘方法が開発などさまざまな分野に応用されるようになったされたりして

石炭が豊富だったイギリかせない燃料であるまた火力発電や工場の機スを中心に産業革命が起こり文明も急速に発展械を動かす燃料として石油化学製品の原料とししたて経済の成長を支えてきた 1800 1915 年 1919 年 1940 年猪苗代力発電所から初の長距離送電福島東京が始まるイギリスでラザフォードが核反応の実験をおこなうアメリカが日本への石油輸出を停止

3 自然エネルギーの利用科エネルギーと科学化石エネルギーの利用石炭が中心電気エネルギーの利用蒸気機関と産業革命石油革命 18 世紀半ばワットが蒸気機関を発明しそ 1950 年ころ中東やアフリカに相次いで大油れは工場での動力源のほか蒸気機関車蒸気船田が発見されたり石油の新しい採掘方法が開発などさまざまな分野に応用されるようになったされたりして石油が大量にとれるようになった蒸気機関の利用によってこれまでの畜力や自日本でも 1960 年代にエネルギー資源の主役は然エネルギーにくらべて生産力は大幅に向上した石炭から石油へ代わったこれを石油革命とそれまで暖房用にのみ使われていた石炭が原動いう力として利用されその消費量も飛躍的に増大す石油は自動車や船飛行機などの交通機関に欠ることとなったまた石炭が豊富だったイギリかせない燃料であるまた火力発電や工場の機スを中心に産業革命が起こり文明も急速に発展械を動かす燃料として石油化学製品の原料とししたて経済の成長を支えてきた年 1919 年 1940 年猪苗代力発電所から初の長距離送電福島東京が始まるイギリスでラザフォードが核反応の実験をおこなうアメリカが日本への石油輸出を停止日本初の製鉄所創業福岡県北九州市八幡製鉄所電力の動力需要が電灯需要をこえる 1901 年ベクレルが放射能を発見ドイツのレントゲンがX 線を発見日本初の力発電所完成京都日本初の火力発電所完成東京 1913 年 1896 年 1895 年 1891 年 1887 年エネルギー保存の法則の発見アメリカでエジソンが電球を発明 1850 年頃イギリスのグローブが燃料電池の原を発明 1879 年 1839 年凝縮器ボイラーファラデーが発電機を発明シリンダーピストンが起こった弁B 弁C 1831 年イタリアでボルタが化学変化を利用して電流をとり出す電池を発明産業革命イギリスのワットが蒸気機関を発明し弁A ドイツのオームがオームの法則を発表世紀半ば年 1800 年空気抜きポンプワットの蒸気機関日本初の火力発電所で使用されていた発電機エジソンダイナモ写真提供国立科学博物館日本初の力発電所蹴上発電所京都

4 29 P P.15 P.31 P P.11 P C

科エネルギーと科学 2 身のまわりのエネルギーエネルギーとはエネルギーとは仕事をすることができる能力エネルギーは熱エネルギーや運動エネルギーのことであるものを動かしたりものを温めた光エネルギー電気エネルギーなどのさまざまなりまわりを明るくしたりできるのはエネルギーすがたでわたしたちの身のまわりに存在していがあるからであるるさまざまなエネルギーとその変換

5 科エネルギーと科学 2 身のまわりのエネルギーエネルギーとはエネルギーとは仕事をすることができる能力エネルギーは熱エネルギーや運動エネルギーのことであるものを動かしたりものを温めた光エネルギー電気エネルギーなどのさまざまなりまわりを明るくしたりできるのはエネルギーすがたでわたしたちの身のまわりに存在していがあるからであるるさまざまなエネルギーとその変換力学的エネルギー他のものを動かしたり変形させたりすることができる運動エネルギーと位置エネルギーを合わせて力学的エネルギーという重力によって落下し他のものを動かすことができる火薬の爆発光合成ホタルの発光原子核が分裂または融合する時に放出されるエネルギーのことをいうモーターを回したり電球を光らせたりすることができる電灯テレビ核エネルギー電池を使用くそうろ球電摩擦熱エネルギー燃料化学エネルギー電気エネルギー太陽電池昇上の温気燃焼熱エネルギー原子炉排気熱エネルギー火力原子力発電電気ストーブ電熱器自動車のエネルギー変換と保存回転運動エネルギー回転運動エネルギーーターモものの温度を上げることができる機電発発電力熱エネルギー燃料食料火おこし器 30 推進運動エネルギー化学反応によって熱や光電気など他のエネルギーに変わることができる電池に充電位置エネルギー化学エネルギーエンジン運動エネルギー光エネルギー太陽まわりを明るくすることができるエネルギーはすがたや形を変えることができるエネルギーの変換たとえば自動車はガソリンなどの化学エネルギーが燃焼によって熱エネルギーなどに変わりそのエネルギーがピストンを動かす運動エネルギーに変わることで自動車を走らせることができるこのようにわたしたちはいろいろなエネルギーを目的に合った形に変えることでくらしに役立てている

6 科 1 年身のまわりの物質物質の姿と状態変化 3 年化学変化とイオン化学変化と電池 3 年運動とエネルギーエネルギーと仕事その他の教科技術分野エネルギー変換に関する技術エネルギー資源の種類エネルギーの保存エネルギーは熱や光電気などさまざまなものにすがたを変えるがすがたを変える前と後でその全体の量は変わらない性質がありこれをエネルギーの保存というエネルギーはジュール J という単位で表すことができるに 100 変換されるわけでなく一部が熱エネルギーなどのすがたで周囲に放出される場合があるエネルギー位置エネルギー 100 運動エネルギー 0 を変換して利用する場合は効率仕事量と消費された下に落ちると位置エネルギー 0 運動エネルギー 100 エネルギーの比率を考えなければならない一部は熱でうばわれる一次エネルギーと二次エネルギーというまた一次エネルギーを電気などの使い人間はさまざまなものをエネルギー資源として利用している石油石炭天然ガスなどの化石やすい形に変換したものを二次エネルギーという燃料や力太陽光風力など自然から直接得私たちが生活で利用するエネルギーの多くは二次ることができるエネルギー資源を一次エネルギーエネルギーである一次エネルギー石油二次エネルギー二次エネルギー石炭二次エネルギー灯油電気ウラン力太陽光精製加工風力天然ガス都市ガス LP ガス関連するページガソリン素などエネルギー資源の供給と利用形態 P.14 さまざまな発電方法 P 発電方式別発電単価設備利用率 P.41 地熱考えてみようなど身のまわりにある電気製品はどのようなエネルギー変換をしているのか考えてみようエネルギーがすがたを変えるとき目的のエネルギー 31

科エネルギーと科学 3 さまざまな発電方法発電のしくみ電気を作るしくみには電磁誘導の原を応用した発電機を使う方法と半導体などの物化学的性質を応用した太陽電池や燃料電池を使う方法がある火力発電所や原子力発電所地熱発電所力発電所風力発電所は熱や力風力を利用して発電機を回している発電機を使う発電方法長所短所 32 火力発電天然ガス石炭

7 科エネルギーと科学 3 さまざまな発電方法発電のしくみ電気を作るしくみには電磁誘導の原を応用した発電機を使う方法と半導体などの物化学的性質を応用した太陽電池や燃料電池を使う方法がある火力発電所や原子力発電所地熱発電所力発電所風力発電所は熱や力風力を利用して発電機を回している発電機を使う発電方法長所短所 32 火力発電天然ガス石炭石油などの化石燃料を燃やして得られる熱で高温高圧の蒸気を作りタービンを回して発電する電力の需要に合わせて発電量をボイラー調節することができる発電時に二酸化炭素が出る排煙だつりゅう脱硫装置大量の燃料が必要天然ガス石炭石油の資源は無限ではない燃料タンク燃焼により発生する硫黄酸化物蒸気窒素酸化物ばいじんなどは排煙脱硫装置排煙脱硝装置電気排煙だっしゅう脱臭装置式集じん装置を設置し大気中への排出量を低減させている燃料天然ガス石炭石油などタービン沸騰型原子力発電ろ蒸気原子炉 BWR ウランが核分裂した時に蒸気燃料ろ原子炉発生する熱で蒸気を作りタービン発電機少ない量の燃料で大きなエネルギーが出るため燃料の輸送や制御棒発電時に二酸化炭素を出さない加圧型ろ制御棒蒸気発生器蒸気燃料タンク放路天然ガス石炭石油など冷却海燃料ウラン資源の量には限りがある高温安全対策の一層の強化や大規模事故を想定した対応が必要であるなども開発されている火山の多い日本には豊富な熱資源がある高温の地熱を得られる場所が国立国定公園内や温泉地の周辺などに多く場所の確保が難しいタービン発電機温地熱貯留層マグマ溜まり冷却塔復器空気冷却還元井へ電方法バイナリー発電発電時に二酸化炭素を出さない蒸気還元井などの熱を利用した発も左右されない生産井発電するまた温泉気分離器昼夜を通して発電でき天候に 3,000m の深さ蒸気でタービンを回してきすいぶんりき 1,000 蒸気を取り出しその純国産エネルギーである熱マグマの熱を受けた熱燃料蒸気と熱地熱発電発電機原子力発電のタービン羽根車放射性廃棄物が発生する原子炉 PWR せいぎょ加圧器保管が容易である燃料をリサイクルできるせいぎょボイラー復器タービンを回して発電する

8 純国産エネルギーである力発電流れこみ式ダム式必要なときにすぐに発電できるダムなどにためたや川の流れを利用しが高いところから低いところ発電時に二酸化炭素を出さないダムにたまるの量によってはダム発電できないことがある川新たなダムを作る場所を確保しづらくなっている車回して発電する発電機車へ流れるの力で車を発電機ダム式の力発電はダムの周辺や下流域の生態系に影響を与えるおそれがある純国産エネルギーである発電時に二酸化炭素を出さないしブレード羽根を回して発電する発電機風増速機可変ピッチ変化するため供給量が安定しないたくさん発電するためには広大な設置面積が必要騒音や低周波震動で周辺住民に健康被害が起こるおそれがある風風車のブレード部分に鳥が巻き込まれてしまうことがある半導体を使う発電方法 33 純国産エネルギーである太陽光発電発電時に二酸化炭素を出さない太陽光発電は光を受けると電気エネルギーを発発電方式でこの半導体発電量が天候に左右されるため供給量が安定しない太陽光電極反射防止膜大量に発電するためには広大な設置面積が必要 N型シリコン電流生する半導体を利用した自然に吹く風の力を利用風の向きや強さで発電出力が大きくブレード風力発電半導体 PN接合面を太陽電池という太陽 P型シリコンの光のエネルギーを直接半導体電気エネルギーに変換し電極て発電する発電方法別の二酸化炭素排出量 LNG 液化天然ガス天然ガスを冷却して液体にしたもの 1kWh 当たりの二酸化炭素排出量単位 g-co2 /kwh 発電燃料燃焼設備運用石炭火力 43 石油火力 PWR BWR 13 LNG LNG 太陽光風力原子力地熱火力火力複合発電燃料の燃焼に加え原料発電燃料の燃焼に加え原料の採掘から発電設備等の建設燃料輸送なさいくつの採掘から発電設備等の建どに消費される全てのエネルギーを対象として二酸化炭素排出量を算出設燃料輸送などに消費され原子力については 1 回だけのリサイクルを前提として高レベル放射る全てのエネルギーを対象と性廃棄物処分発電所設備廃棄廃炉などを含めて二酸化炭素排出量をはいしゅつしてCO2排出量を算出算出原子力については 1 回だけ出所電力中央研究所日本の発電技術のライフサイクル CO2 排出量評価 2010 年 7 月のリサイクルを前提としてはいき高レベル放射性廃棄物処分 11 はいき科 2 年電流発電のしかた 3 年運動とエネルギーエネルギーと仕事 3 年科学技術と人間その他の教科技術分野エネルギー変換に関する技術エネルギー変換はいろ発電所設備廃棄廃炉などを力ふくめて算出関連するページエネルギー資源の特徴と使われ方 P.15 限りあるエネルギー資源 P.17 地球温暖化 P LNG 液化天然ガス天然ガスを冷却して液体にしたもの出所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平成13年 8 月ライフサイクルCO2排出量による発電技術の評価平成12年 3 月調べてみよう 20 バイオマス発電や波力発電潮力発電などについて調べてみよう

9 科エネルギーと科学 4 核分裂と放射線原子と原子核すべての物質は原子がたくさん集まってできているその原子はさらに小さな粒子でできているどのようなしくみになっているのか見てみよう物質原子原子核陽子 34 原子は原子核とその周りを周っている電子によってできている原子の大きさは約 1 億分の 1cm 程度でとても小さい原子核は陽子電子とでできている原子核の大きさは約 1 兆分の 1cm 程度原原子核子の約 1 万分の 1 である核分裂と核分裂の連鎖反応とは核分裂とは原子核が分裂して異なる原子核に分かれる現象をいうウランには核分裂しやすいウラン 235 と核分裂しにくいウラン 238 がある核分裂のしくみ陽子ウランウランウランウランウラン 235 分かれるこのときエネルギーが発生しまた同時に数個のも放出される核分裂によって放り出されたは別のウラン 235 原子核にぶつかりまた核分裂が起こるこうして次々と核分裂が起こることを核分裂の連鎖反応という原子力発電所では核分裂の連鎖反応が一定の量で続くよう調節しておりこの状態が続くことを臨界というウラン燃料ているウラン 235 の原子核にが飛び込こむと原子核は不安定な状態になり分裂して異なる原子核に運動エネルギー運動エネルギー原子力発電の燃料にはウラン 235 とウラン 238 が入っ 1cm 1cm ペレットウランウランペレット 1 個で 1 家庭の約 8.3ヶ月分の電力を作ることができる沸騰型の場合天然のウラン鉱石にはウラン 238 が 99.3% とウラン 235 が 0.7% の割合でふくまれている天然ウランのままでは原子力の燃料としてウラン 235 の割合が低すぎるのでこれを 3 5% 程度になるよう濃度を高めているウランの濃縮

10 科 3 年運動とエネルギーエネルギーと仕事 3 年科学技術と人間その他の教科技術分野エネルギー変換に関する技術エネルギー変換放射線とは放射性物質から放出される放射線放射線は高いエネルギーをアルファもち光の速さに近い高速の粒ベータ粒子線 α線 β線線陽子線 α線原子核から飛び出るヘリウムの原子核子粒子線と波長の短い電磁陽子波に大別される放射線を出す物質を放射性 β線原子核から飛び出る電子線原子炉加速器などから作られる高速で飛ぶの流れ陽子線加速器などから作られる陽子の流れ射線を出す能力のことを放射エックスガンマ電磁波 X線 γ線能とよんでいる原子力発電 X線電子 β線に利用されるウランは核分裂原子核の外で発生電子の軌道間移動からも生成されるするときに放射線を出すとともにいろいろな放射性物質 γ線原子核から出るも作る出所環境省放射線による健康影響等に関する統一的な基礎資料平成25年度版放射線放射能を表す単位放射性物質放射線を出す能力放射能を持つ放射線ベクレル Bq 放射性物質が放射線を出す能力を表す単位 1 ベクレル 1 秒間に 1 つの原子核が壊変することを表す 35 グレイ Gy 放射線のエネルギーが物質に吸収された量を表す単位シーベルト Sv 受けた放射線による人体に与える影響の度合いを表す単位放射線の人体への照射による将来への影響を表す日常生活と放射線私たちの身の回りにある放射線は大地や食べ物などから出ている自然放射線と病院の X 線検査などで使われている人工放射線がある世界各国の大地からの年間平均自然放射線量ミリシーベルトイタリア 0.65 中国 0.54 インド 0.49 アメリカガラパリブラジル日本 0.46 陽江中国スーダンオーストラリア 0.81 ラムサールイランのぞいてほぼ同じレベルである自然放射線量がとりわる放射性物質が多いことが原因と考えられているスロバキア 0.59 世界各地における年間自然放射線量は一部の地域をけ高い地域は他の地域とくらべて土壌や岩石に含まれノルウェードイツ電子物質といい放射性物質が放ケララインド関連するページ原子力発電所の事故 P.21 放射性廃棄物の処分 P.23 放射性物質の起源 P.26 チリ 0.45 出所国連科学委員会 UNSCEAR 2000 より財電力中央研究所作成ガラパリは1982年報告調べてみようしゃへい放射線から身を守るのに適した遮蔽物を調べてみよう

科エネルギーと科学人工放射線の利用放射線には物を通り抜ける透過能力や電子をはじく作用物の性質を変える作用などがあるこれらの特性を生かし各分野で放射線が利用されている

主な放射線治療法には X 線 γ 線電子線などが使われているまた副作用を軽減し正常な細胞にダメージを与えないようがん細胞だけをねらっ

沖縄県で農作物に被害をもたらしていたこのハエを根絶するために不妊虫放飼法が用いられたこの手法は増殖させたウリミバエのサナギに γ 線を照射して生殖細胞を業ウリミバエの根絶

1972 年から根絶実験を開始し 1993 年までにウリミバエを根絶させた 36 ウリミバエ工非破壊検査 X 線や γ 線を物体に当てて写真を撮ると調べたい物を破壊せずに内部に

耐性耐衝撃性硬さなどが向上し品質や機能を高めることができる自動車のラジアルタイヤにもこの技術が使われており強度を上げ品質の安定化に役立っている自然人文科学年代測定

という放射性物質の量を調べることで年代を推定することができる AMS 加速器質量分析法による炭素 14 年代測定法によって年代が測定された土器財大阪府文化財センター所蔵日常生活

11 科エネルギーと科学人工放射線の利用放射線には物を通り抜ける透過能力や電子をはじく作用物の性質を変える作用などがあるこれらの特性を生かし各分野で放射線が利用されているがんの放射線治療医放射線治療はがん細胞に強い放射線を当てがん細胞を消滅させる方法である手術で体を切らないので痛みをともなわず身体的負担の少ない治療法である学主な放射線治療法には X 線 γ 線電子線などが使われているまた副作用を軽減し正常な細胞にダメージを与えないようがん細胞だけをねらって集中的に放射線を当てることができる重粒子の放射線治療も広まりつつある重粒子線がん治療照射室国研放射線医学総合研究所農ウリミバエは繁殖力の強い有害ミバエのひとつで沖縄県で農作物に被害をもたらしていたこのハエを根絶するために不妊虫放飼法が用いられたこの手法は増殖させたウリミバエのサナギに γ 線を照射して生殖細胞を業ウリミバエの根絶破壊しその不妊虫を野に放って野生虫と交尾しても卵がふ化しないようにする方法である不妊虫をどんどん野に放せば野生虫同士の交尾が減って世代とともに虫が減りやがて撲滅できる沖縄県では 1972 年から根絶実験を開始し 1993 年までにウリミバエを根絶させた 36 ウリミバエ工非破壊検査 X 線や γ 線を物体に当てて写真を撮ると調べたい物を破壊せずに内部に傷やひびなどがないかを調べることができる ( 非破壊検査という飛行機のジェットエンジンや配管の内部の検査に利用されている業素材の品質向上プラスチックやゴムに放射線を当てると耐熱性耐性耐衝撃性硬さなどが向上し品質や機能を高めることができる自動車のラジアルタイヤにもこの技術が使われており強度を上げ品質の安定化に役立っている自然人文科学年代測定考古学や地質学古代生物学などの分野では年代の測定がとても重要である考古学では放射性炭素年代測定法という方法を用い遺跡の出土品に付着していたすすなどに含まれる炭素 14 という放射性物質の量を調べることで年代を推定することができる AMS 加速器質量分析法による炭素 14 年代測定法によって年代が測定された土器財大阪府文化財センター所蔵日常生活 X 線検査 X 線検査は私たちが病院で受ける医療用のほか空港などでの荷物検査にも使われている X 線を当てればかばんを開けることなく透過像を見て内容物を判断したり内部の物質を判定したりすることができる空港などで利用されている手荷物用 X 線検査装置配管の非破壊検査

12 37 X 1 ICRP 50mSv 10Gy 1000mSv 10mSv 1mSv 0.1mSv 0.01mSv 1Gy 100mSv 1 2.1mSv X 1 100mSv 5 PET1 CT1 UNSCEAR2008 ICRP mSv 0.33mSv 0.48mSv 0.99mSv 35 P.21 P.23 P.26

分散型エネルギーによる発電システム博士 ( 工学 ) 野呂康宏著コロナ社コロナ社

分散型エネルギーによる発電システム博士 ( 工学 ) 野呂康宏著コロナ社コロナ社分散型エネルギーによる発電システム博士 ( 工学 ) 野呂康宏著まえがき / ii 目次分散型エネルギーと発電形態 1 3 3 5 6 8 10 11 13 15 16 DC 18 太陽光発電 19 19 20 21 21 23 iv 25 27 27 27 30 30 30 31 35 37 38 40 41 太陽熱発電 42 43 44 48 49 49 50 51 風力発電 52