核分裂性物質

原子炉は、ウランなどの核分裂しやすい物質を燃料として、莫大なエネルギーを生み出す装置です。燃料であるウランは、自然界に存在するウラン鉱石から抽出・精製され、原子炉で利用できる形に加工されます。この燃料は、原子炉の中心部に設置された多数の燃料集合体と呼ばれる部分に収納されます。 燃料集合体の中で、ウランは中性子を吸収すると核分裂を起こし、膨大な熱を発生させます。この熱は、原子炉内を循環する冷却材によって運び出され、蒸気を発生させるために利用されます。発生した蒸気は、タービンと呼ばれる羽根車を高速で回転させます。タービンに接続された発電機が回転エネルギーを電力に変換することで、私たちが家庭や工場で使う電気エネルギーが生まれます。 このように、原子炉と燃料は切っても切れない関係にあり、燃料の核分裂反応によって生み出される熱エネルギーを電気に変換することで、現代社会の重要なエネルギー源としての役割を担っています。

原子力発電は、ウランなどの核分裂しやすい物質が原子核分裂を起こす際に発生する莫大なエネルギーを利用しています。この核分裂しやすい物質を「核燃料物質」と呼び、原子炉の炉心に装荷されて熱エネルギーを生み出す役割を担います。 核燃料物質は原子炉の運転に伴い徐々に消費されていきますが、ある種類の原子炉では、消費される量よりも多くの核燃料物質を生み出すことができます。これを「増殖性」と呼びます。 増殖性を有する原子炉は、運転中に発生する中性子を効率的に利用することで、核燃料物質であるウラン238を核分裂可能なプルトニウム239に変換します。この過程を「核変換」と呼びます。 核変換によって生成されたプルトニウム239は、ウラン235と同様に核分裂を起こすことができるため、再び原子炉の燃料として利用することが可能です。このように、増殖性を有する原子炉は、核燃料資源の有効利用に大きく貢献する可能性を秘めています。 代表的な増殖炉として、高速増殖炉が挙げられます。高速増殖炉は、中性子の速度を落とさずに核分裂反応を起こすことで、高い増殖性能を実現しています。日本は、高速増殖炉の開発を長年進めており、高速実験炉「常陽」や原型炉「もんじゅ」などの開発実績があります。

生物の世界では、細胞分裂などによって同じ種類の生き物が数を増やすことを増殖と言います。原子力発電の世界でも、これと似た現象が起こることがあります。原子力発電所で使われる燃料には、ウランやプルトニウムといった、核分裂を起こすことができる物質が含まれています。これらの物質は、発電のために核分裂を起こしていくと、だんだんと減っていくように思われます。しかし実際には、運転中にこれらの核分裂性物質が増える場合があるのです。これを、原子力における増殖と呼びます。 増殖は、主にウラン238という物質が、核分裂の際に発生する中性子を吸収することによって起こります。ウラン238は、中性子を吸収すると、いくつかの段階を経てプルトニウム239という物質に変化します。このプルトニウム239も、ウランと同じように核分裂を起こすことができる物質です。つまり、ウラン238が中性子を吸収することによって、核燃料となる物質が増えることになるのです。原子力発電において増殖は、核燃料をより効率的に利用できる可能性を秘めた現象として、現在も研究が進められています。