原子力発電の鍵、同位体とは？

原子力発電の鍵、同位体とは？

元素の兄弟、同位体

私たちの身の回りにある物質は、建物でも、空気中でも、そして私たち自身も、すべて目には見えない小さな粒子である原子からできています。原子はさらに小さな陽子、中性子、電子という粒子から構成されていて、陽子の数がその原子が何という元素であるかを決める重要な要素となっています。例えば、陽子が1つだけなら水素、8つなら酸素といった具合です。

ところで、同じ元素であっても、原子核の中にある中性子の数が異なる場合があります。これを同位体と呼びます。例えば水素の場合、陽子が1つで中性子を持たない軽水素、陽子が1つと中性子が1つの重水素、さらに陽子が1つと中性子が2つの三重水素（トリチウム）の3種類が存在します。このように、同位体は原子番号、つまり陽子の数は同じですが、質量数、すなわち陽子と中性子の数の合計が異なるのです。

原子力発電で利用されるウランにも、同位体が存在します。ウランは原子番号92番の元素ですが、天然に存在するウランの大部分は質量数238のウラン238で、核分裂を起こしやすいウラン235はわずか0.7%程度しか含まれていません。原子力発電では、このウラン235の割合を増加させた濃縮ウランが燃料として使われています。同位体は、原子力発電において重要な役割を担っているのです。

化学的性質はほぼ同じ

同じ元素でも、原子核の中にある中性子の数が異なるものを同位体と呼びます。中性子の数は原子の質量に影響を与えますが、陽子の数と電子の数は同じままです。
原子の化学的な性質は、主に陽子の数と電子の数の組み合わせによって決まります。陽子の数は原子番号と一致し、電子の数は陽子の数と等しいため、原子は電気的に中性となります。
同位体は中性子の数が異なるだけで、陽子の数と電子の数は同じなので、化学的な性質はほとんど変わりません。例えば、水素には中性子を持たない軽水素と、1つの中性子を持つ重水素が存在します。どちらも酸素と結合して水になりますが、重水素で作られた水は重水と呼ばれ、わずかに性質が異なります。
これは、質量の差が反応速度に影響を与えるためです。重水素は軽水素よりも質量が大きいため、化学反応の速度が遅くなる傾向があります。このように、同位体は化学的な性質はほぼ同じですが、質量の差によってわずかな違いが生じることがあります。

物理的性質は異なる

元素の種類を決めるのは原子核に含まれる陽子の数ですが、原子核中には陽子と同じく中性子も含まれています。同じ元素でも中性子の数が異なるものを同位体と呼びます。陽子の数は同じなので化学的性質は変わりませんが、中性子の数の違いによって質量数が変わるため、物理的性質に違いが現れます。

例えば、水素の同位体である重水素は、普通の水素である軽水素に比べて中性子を1つ多く持ちます。そのため、重水素は軽水素に比べて質量が大きくなります。その結果、重水素で構成された水（重水）は、普通の水に比べて沸点や融点が高くなるといった違いが現れます。

また、質量の違いによって拡散速度や熱伝導率も異なります。拡散速度は軽い方が速く、熱伝導率は重い方が高くなります。このように、同位体は質量の違いによって様々な物理的性質に違いを示すため、原子力分野だけでなく、医療や工業など幅広い分野で利用されています。

放射性同位体と安定同位体

同じ元素でも、原子核を構成する中性子の数が異なる場合があります。このような原子を同位体と呼びます。同位体は大きく分けて二つの種類が存在します。

一つは放射性同位体です。放射性同位体は、原子核が不安定な状態にあるため、余分なエネルギーを放射線として放出して安定になろうとします。この現象を放射性崩壊と呼びます。放射性崩壊の種類には、アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊などがあり、それぞれ放出される放射線の種類やエネルギーが異なります。

もう一つは安定同位体です。安定同位体は、原子核が安定しているため放射線を放出しません。自然界には安定同位体と放射性同位体が様々な割合で存在しています。

原子力発電では、ウランなどの放射性同位体が利用されています。ウラン235などの原子核に中性子を当てると、核分裂反応が起こり、莫大なエネルギーが熱として放出されます。この熱を利用して蒸気を発生させ、タービンを回し発電します。原子力発電は、化石燃料を使用しないため、地球温暖化対策として有効な手段の一つと考えられています。しかし、放射性廃棄物の処理など、安全性確保の観点から課題も残されています。

原子力発電とウランの同位体

原子力発電は、ウランという物質が持つ巨大なエネルギーを利用して電気を作り出す発電方法です。ウランにはいくつかの種類が存在しますが、原子力発電に利用できるのはウラン235と呼ばれる種類だけなのです。
ウラン235は、原子の中心にある原子核に中性子が衝突すると、核分裂という現象を起こします。核分裂とは、ウラン235の原子核が分裂し、その際に莫大な熱エネルギーと新たな中性子を放出する現象です。この熱エネルギーを利用して水を沸騰させ、蒸気によってタービンを回し発電機を動かすことで、電気エネルギーに変換しています。
では、なぜウラン238など、他の種類のウランは利用できないのでしょうか？それは、ウラン235だけが中性子を吸収することで容易に核分裂を起こす性質を持っているからです。ウラン238も核分裂を起こしますが、自然界に存在する中性子ではなかなか核分裂を起こしません。そのため、ウラン238を原子力発電に利用するには、特別な処理が必要となります。
原子力発電所では、効率よくエネルギーを生み出すために、天然ウランからウラン235の濃度を高めた燃料を使用しています。この燃料を用いることで、安定した核分裂反応を維持し、電力を供給することが可能となるのです。