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

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

2014.11.26

藤家洋一

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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。

3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 8 7 6 5 4 3 2 1 0.007813 14 13 12 11 10 9 8 7 0.000061 0.000122 拡大図 原子の中の原子核の大きさはどのくらいか？ 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。 阪神甲子園球場 約120m パチンコ玉 約1cm

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原子の世界を訪ねる： 原子・分子の大きさ

10

-9

_{m ３０回}

10

-10

_{m ３３回}

10

-14

_{m ４７回}

10

-15

_{m ５０回}

10

-17

_{m ５７回}

分子 原子 原子核 陽子 ｸｵｰｸ

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？

大洗町 9km 地球一周 4万km

２５回

１3回

1億5千万km 地球から太陽まで _{銀河 10}21_m 宇宙 1026_m以上

37回

86回以上

70回

小さな世界と大きな世界はつながっている

宇宙のエネルギーは原子力

■20億年前

地球

_の自然に

原子炉(核分裂)があった

■

太陽

_では

原子力の火

が燃えている

オクロの天然原子炉の跡

（アフリカ）

核融合

7

太陽は信仰の対象から研究の対象へ

●中心温度- - - -1580万度 ●中心気圧- - - 2400億気圧 ●中心密度- - - -鉛の約14倍（156ｇ/㎤） ●全放射エネルギー - - - 100万kWe級発電所 10京（1017_）基相当 原子炉としての太陽の諸データ 2_D+e+ 3_He 4_He+21_H 1_H+1_H 2_D+1_H 3_He+3_He 太陽 （Ｐ－Ｐ反応）

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。

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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。

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化学反応の原理

＋１ 水素（Ｈ）の原子 ＋１ ＋１ 水素（Ｈ）の分子 ＋８ 酸素（Ｏ）の原子 酸素（Ｏ）の分子 ＋８ _＋８ ＋８ ＋１ ＋１ 水（Ｈ_２Ｏ）の分子

Ｈ

_２

（気体） ＋ １／２Ｏ

_２

（気体）

＝ Ｈ

_２

_{Ｏ（液体）}

２ｇ ＋ １６ｇ ＝ 18ｇ＋ 286kJ

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原子の世界を訪ねる：ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの原子模型

ｱｰﾈｽﾄ･ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ

(1871-1937)

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

図 アルファ粒子の実験

原子核の存在を発見

●1911年 ラザフォード (ｲｷﾞﾘｽ) 原子核 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 ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの 模型 従来の 模型

12 n + ウラン235 →臭素90+ランタン144 + 2n + 207MeV ウラン235の熱 中性子による核分裂反応

核反応の原理

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 ＝ ｍｃ２ ｍ： 失った質量（質量欠損） ｃ： 光の速さ（毎秒30万ｋｍ） 中性子 ウラン235の原子核 中性子 ウラン235 3.7×10 -30_㎏ 3.7×10-30㎏ 臭素90 中性 子 ランタン144 3.7×10-30_{㎏ ＝ 207MeV} = 207,000,000eV

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炭酸ガス

＋ 水

_{炭水化物 ＋}

_酸素

炭水化物

＊

_＋

_酸素

_炭酸ガス

_{＋ 水}

大気 CO_２ 大気 大気 O_２ 大気

地球と太陽の連携･･･

生態系のｴﾈﾙｷﾞｰｼｽﾃﾑ

炭水化物＊ C_６H_１２O_６（ブドウ 糖）など 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 ｴﾈﾙｷﾞｰ的にﾊﾞﾗﾝｽ していれば大気中の 炭酸ガスもﾊﾞﾗﾝｽ

風を吹かせる

太陽

水を蒸発させて 水蒸気をつくる 無機物 微生物 石油・石炭・天然ガス 波をつくる 植物を育てる （光合成） 陸地を 暖める 海水をあたためて 海流を起こす 草食動物 雨を降らせる 肉食動物 雲をつくる 雪を降らせる

地球を取り巻く自然と人類：太陽と地球の連携

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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）

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原子力はｴﾈﾙｷﾞ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 高レベルガラス固化体 ５トン 高レベルガラス固化体 ５トン 石炭 ２２０万トン 石油 １４０万トン 天然ウラン ９０ トン 天然ウラン １ トン

石炭火力

石油火力

軽水炉

（ﾌﾟﾘｻｰﾏﾙ）

高速増殖炉

サイクル

CO_２ ６００万トン SO_x １２万トン 灰 ５万トン CO_２ ５００万トン SO_x ４万トン

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原子の世界を訪ねる：最初の原子炉

エンリコ・フェルミ （1901-1954） 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 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。

人類最初の原子炉を建設

●1942年 フェルミとそのｸﾞﾙｰﾌﾟ フェルミがリーダーとなり、 シカゴ大学 の運動場の地下に 図 ウランの中性子 による核分裂反応

シカゴパイル1号

中性子 ウラン

Japan Atomic Energy Agency (JAEA)

Oarai Research and Development Center

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原子力はｴﾈﾙｷﾞｰを提供し環境を保全できるか？

太陽の原子力と地球の原子力の連携が未来を生む

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

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原子の世界を訪ねる：原子と太陽系の構造

太陽系の構造

ラザフォードの

原子構造模型

原子核 電子 電子

（92個）

原子核 92個の陽子と146個の中性子 ｳﾗﾝ原子の構造モデル

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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。

n → K

-

_Θ

+

_{→ K}

-

_K

+

_n

b) レーザー入射 a) SPring-8 蓄積リング 実験室 レーザー光 8 GeV 電子 反跳電子 電子エネルギー測定 衝突 2.4 GeVガンマ線 SPring-8 の ８ GeV 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。 標的

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

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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。 植物は太陽のｴﾈﾙｷﾞ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。 o2 O_２ CO_２