原子力発電所でのエネルギーの移動

質問

原子力発電所では、中性子をウラン原子核にぶつけ、発生する電磁波で水を沸騰させ、発生する水蒸気でタービンを回転させるのですね。

エネルギーの移動は以下の順番ですか。

中性子の運動エネルギー⇒核子の運動エネルギー⇒電磁波エネルギー⇒水分子の運動エネルギー⇒タービンの回転エネルギー。

質量欠損は直接関係ない感じですか。素人っぽい質問ですみません。

回答No.3

QCD2001 · ベストアンサー

＞中性子の運動エネルギー⇒核子の運動エネルギー⇒電磁波エネルギー⇒水分子の運動エネルギー⇒タービンの回転エネルギー

全くの間違いです。

専門家以外にはあまり知られていないことなのですが、核分裂で生じた中性子をそのままウラン235の原子核にぶつけても、核分裂はなかなか生じません。原子核の中心に中性子がぶつからないと、核分裂は生じません。原子核の端にぶつかった場合には、中性子は弾き返されてしまうだけで、核分裂は生じません。

しかし、中性子を水などの軽い元素にぶつけて速度を遅くし、ほとんど止まっているくらいに中性子の速度を減速すると、原子核の中心に当たらなくても、効率よく核分裂が生じます。大まかに言うと、核分裂で発生した中性子をそのままウランの原子核にぶつけたときと、ほとんど止まっているくらいにまで中性子を減速した時とでは、核分裂の生じやすさは、10倍以上違います。
そこで、現在世界中で稼働している原子炉のうち、高速増殖炉以外のすべての原子炉は、中性子を水や黒鉛などの減速材によって、ほとんど止まっているくらいの速度に減速してから、原子核にぶつけて核分裂を生じさせています。

従って、原子炉で水を沸騰させる際には、中性子の運動エネルギーは関与しません。核分裂に使用する中性子の運動エネルギーは、ほぼゼロです。

核分裂により核子の結合エネルギーが解放される（この時質量欠損が生じる）
↓
原子核の破片の運動エネルギー
↓
燃料棒を構成する原子の熱エネルギー（燃料棒が高温になる）
↓
高温の燃料棒に接している一次冷却水の温度上昇（圧力をかけて、100度Cを超えても沸騰しないようにしている）
↓
二次冷却水の温度上昇と沸騰
↓
タービンの回転エネルギー
↓
発電機による発電

という経路でエネルギーが電力に変わってゆきます。
電磁波は全く関係ありません。

お礼

一気に核分裂を起こすために原子爆弾では中性子を減速させず、安定的に核分裂を起こしたい原子力発電では中性子を減速させるのですね。また一つ賢くなりました。遅い方が核分裂しやすいというのも初耳で、専門情報をありがとうございます。

太陽からは波長が２ナノメートルから10メートルくらいの電磁波が出ていて、電磁波で海水温が上昇するので、１次水もウラン燃料からの赤外線他で水温上昇するのかと思っていましたが、主に燃料棒の容器の熱振動で熱エネルギーが移動するのですね。

QCD様の調査力が一級で感心させられました。

回答No.2

chie65536（@chie65535）

＞原子力発電所では、中性子をウラン原子核にぶつけ、発生する電磁波で水を沸騰させ、発生する水蒸気でタービンを回転させるのですね。

違います。

＞中性子の運動エネルギー⇒核子の運動エネルギー⇒電磁波エネルギー⇒水分子の運動エネルギー⇒タービンの回転エネルギー。

違います。

＞質量欠損は直接関係ない感じですか。

違います。

核子の分裂⇒核子を結合させていた結合エネルギーが不要になる⇒不要な結合エネルギーが熱エネルギーとして放出される（放出された分、質量が減る。質量欠損）⇒以下略、なので、質量欠損が無いと核分裂を論じる事は出来ません。

お礼

素人の考えで申し訳ないです。ウラン原子核が核分裂を続けると最終的に安定な鉄原子核になると思います。核力間の距離が長く結合エネルギーが比較的弱くてユルユル、分裂しやすいウランが燃料として選ばれているのに、核分裂で質量欠損が生じて最終的に鉄原子核に落ち着くと、核力間の距離は短くなって結合エネルギーが強くなる？結合エネルギーの概念で考えると、結合エネルギーは失われていないようにも感じられます。中学校物理レベルの質問ですみません。

回答No.1

f272

核子の質量⇒熱エネルギー⇒水分子の運動エネルギー⇒タービンの回転エネルギー
ということだろう。質量欠損が直接関係するシステムです。

お礼

早速のご回答を感謝します。衝突させる中性子は超高速だし、電子より1800倍以上重いので、中性子の運動エネルギーも重要な感じですが、質量欠損から生じるエネルギーの方がずっと大きい感じなのですね。ありがとうございます。