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５．エネルギー
エネルギーとのかかわり
電池： 太陽電池 ，燃料電池
スクーリング（教養科目：物理が拓いた世界） 2010.8 今井 元風力 ， 太陽光
原子力 ，
これからのエネルギ源：
核融合
クリーンエネルギーカー
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人類とエネルギーのかかわり(1)
人類とエネルギーのかかわり(1)
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（出所） ㈶日本エネルギー経済研究所「エネルギー・経済統計要覧」
近年の人類とエネルギーのかかわり(2)
【世界人口の地域別推移と見通し】 人口増加は確実にエネルギー消費の増加に結びついている
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発電状況（日本)
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暮らしとエネルギー：
エネルギーの供給過程と利用形態
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生活用品の製造にかかる間接エネルギー
品 目 生 産 工 程 投入エネルギー （原油換算） 米栽培(玄米1kg） 栽培 → 収穫 → 出荷 → 0.35ℓ 洋服（紳士ジャケット）1着 （600g） 素材 → 布地製造 → 縫製 → 7ℓ 自動車（1,800cc） 製鉄 → プレス（部品ごとの製造） → 加工・組立て → 1,442ℓ 住宅（戸建・床面積100m2） 製材 → 加工・組立て → 8,774ℓ カラーテレビ（21型） 材料（樹脂・電子部品）製造 → 組立て → 輸送 → 38ℓ 図書1冊（300グラム） 製紙 → 印刷 → 製本 → 0.55ℓ （資料）文部科学省資料より作成7
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現在の発電方法
落下する水の流れで タービンを回して発電水力発電
火力発電
原子力発電
燃料を燃やして水蒸気を つくりタービンを回して発 ウランが「核分裂」するときに 放出する大きなエネルギー を利用して､水蒸気をつくり 電 タービンを回して発電。高い 放射能を持つ物質を管理・ 制御しながら運転。 写真提供：東京電力9
原子力発電と原子爆弾の違い
原子力発電
ウラン235原子爆弾
ウラン235 100%原子爆弾はウラン235をほぼ100％まで濃縮しているのに対し、原子力発電
（軽水炉）燃料のウラン235の濃縮度は3〜5％。従って、原子爆弾と原子力発
電の燃料はウラン235の濃縮度が大きく異なっており、原子炉が原子爆弾の
ように核爆発を起こすことはない。
3～5%10
核分裂の仕組み
U235 U238 U238 U238 U235 U235 U235 U238 U238 U238 熱 熱 熱 熱 中性子ウラン235は、中性子を吸収し核分裂することによって熱エネルギーを出す。
ウラン238は核分裂を起こし難いが、中性子を吸収することによって核分裂
するプルトニウムに変わる。
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原子力発電：プルサーマル
使用済燃料をリサイクルしてプルトニウムを通
常の原子力発電所で使うこと
原子力発電所で使い終わったウラン
燃料の中には、発電の際にできたプル
トニウムと、再利用できるウランが
約９５％残っている。
再処理で取り出したプルトニウムを、
ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料
（ＭＯＸ燃料）として原子力発電所（軽水
炉）で再利用することを「プルサーマル
（計画）」と呼ぶ。
「プルサーマル」の名前は、プルトニウムをサーマルリアクター
（軽水炉）で使用することに由来している。
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新エネルギー
核融合発電 水に含まれる水素の仲 間(重水素など)を燃料 に発電 地熱発電 地球内部の熱エネルギー で水を水蒸気にして､ター ビンを回して発電 太陽光発電 太陽の光が当たると電流 が流れる性質を持った半 導体を使って発電 波力発電・潮汐発電 海岸に打ち寄せる波や 潮の満ち引きのエネル ギーを電気にかえる。 風力発電 風を風車で回転のエネ ルギーにかえて､発電 バイオマス発電 木材を燃やしたり､微生 物が出すガスを燃やし て発電 宇宙太陽光発電 天候に左右されない 宇宙で太陽光発電を 行ない､地上にエネル ギーを送る。 燃料電池 水素と酸素を反応さ せて､電気を取りだす。14
日本の風力発電導入量推移
２００９年度総設備容量：約２，１８６千ｋＷ（１，６８３基）
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風力エネルギーの利用
風力エネルギーは、無尽蔵でクリーンな 自然エネルギーのひとつで、化石燃料問 題の解決が期待されている。 しかし不規則でエネルギー密度が小さい ため、効率よく風を受けることが重要とな る。 メカニズムは、太陽エネルギーにより空気 が動き風となる。風(風力エネルギー)は 風車のブレード(羽根)を回転させて、歯車 により機械エネルギーに変換される。この 機械エネルギーは、主に発電機により電 気エネルギーに変換して利用されるが、 熱エネルギーに変換して温室や加熱に、 また機械エネルギーのまま揚水や製粉な どにも利用される。 出展：NEDO16
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http://app2.infoc.nedo.go.jp/kaisetsu/neg/neg01/index.html#elmtop
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現在最も多く使われている太陽電池はシリコン太陽電池である。この太陽電池では
発電のために性質の異なるｎ型シリコンとｐ型シリコンの２つのシリコン半導体を重ね
合わせて使用している。
出展：ＮＥＤＯ21
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燃料電池
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燃料電池の多様な応用範囲
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核融合：太陽
太陽の写真と内部のようす ３／４が水素(記号：H)で構成されている。 太陽の中心温度：１５００万度 高密度：鉄の２０倍：(粒子の数がものすごく多い） 水素 → 核融合反応 → ヘリウム(記号：He) 膨大なエネルギー（熱や光）を出す。 太陽の質量 ＝ 地球の質量×約33万 （巨大なガスの塊） 核融合反応で水素がなくなるまで５０億年もかかる。 地球は、太陽より小さく、太陽のような高い密度を作る ことができないので、水素(記号：H)で核融合反応を起 こすことは困難。 （NASAの撮影：http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap051122.html） 光る星の燃料は水素であり、 核融合で燃えている。25
核融合反応
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新エネルギー：核融合
http://www.atomin.go.jp/website/siryoukan/atom/ka/ka/kaku_yugo.html 原子核どうしの反発 スピードが遅いと 1億度以上の超高温プラズマ 猛スピードの衝突 重水素、リチウムは海から取り出す 地球の理想的なエネルギー27 有効落差110ｍで水 量がおよそ327億トン LNG(液化天然ガス)な ら100万トン(20万トンタ ンカーで５隻分) 濃縮ウランなら23トン (10トン･トラックで2.5台分) およそ175kgの燃料 （重水素・三重水素） 同じエネルギーを生み出すのに必要な燃料は･･･ （100万kWクラスの原子力発電所１基が１年間につくる発電量を得るために必要な燃料） 水力 火力 原子力 核融合 ＝ ＝ ＝
将来の発電(核融合)
海水 ドラム缶１本 重水素 6g 石油換算 ドラム缶 約250本分核融合発電
核融合の燃料は海水からとれる!?
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核融合発電
磁場閉じ込め方式核融合炉に必要なプラズマの条件
① 温度10 keV(約1億度)
② 密度10
14cm
-3(100兆個/cc)
③ 閉じ込め時間１秒以上
核融合炉の３大条件
☆ 高レベルの放射性廃棄物がでない。
☆ 地球温暖化の原因となる二酸化炭素を生じない。
☆ 燃料は海水中に豊富にある重水素である。
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80度のお風呂は入れないけど、サウナには入れるのはなぜ？
密度と温度の関係
液体の密度
気体の密度
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京都議定書の6％削減約束とわが国の
温室効果ガス排出量
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温室効果の模式図
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人為起源の温室効果ガスの総排出量
に占めるガスの種類別の割合
（IPCC第4次評価報告書より）【世界と日本の温室効果ガス観測地点】
（りょうり ） ：気象庁観測所 （2004年の数値 二酸化炭素換算量）33
主な温室効果ガスの大気中の濃度変化
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運輸部門のCO2排出量推移と削減目標
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クリーンエネルギー自動車
石油代替エネルギーを利用したり、ガソリンの消費量を削減し
たりすることで排気ガスを全く排出しない、または排出しても量
が少ない車
【電気自動車】 【メタノール自動車】 【ハイブリッド自動車】 【天然ガス自動車】36
クリーンエネルギー自動車
【出荷台数の推移】 クリーンエネルギー車 H17年基準排出ガス 75%低減レベルCopyright (C) Japan Automobile Manufacturers Association, Inc.
H17年基準排出ガス 50%低減レベル H12年基準排出ガス 50%低減レベル H12年基準排出ガス 25%低減レベル H12年基準排出ガス 75%低減レベル
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ハイブリッドトラック/バス
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ハイブリッドカー：エネルギーの流れ
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出典： 総合エネルギー調査会新エネルギー部会（2001年6月）他
