原子の原子核に変化が生じる物理反応を核反応といい、この反応時に放出されるエネルギーを核エネルギーといいます。
核の質量が核エネルギーの源となり、主に熱の形で放出されます。 核反応には2種類ある。 i) 核分裂
ii) 核融合
核分裂 ウラン、プルトニウム、トリウムなどの放射性原子の重い原子核に低エネルギーの中性子を照射し、原子核を小さな核に分割する。 この過程は核分裂と呼ばれる。 例えば、ウラン235原子に中性子を照射すると、重いウランの原子核が分裂し、3個の中性子を放出しながらバリウム139とクリプトン94を生成する。 この反応では質量がエネルギーに変換されるため、多くのエネルギーも発生します。
また、核分裂反応では中性子も使い切られて発生します。 核分裂反応で発生した中性子は、さらに重い原子核の核分裂を引き起こし、連鎖反応を起こす。 ウラン235の核分裂で発生した中性子がすべてさらなる核分裂を起こせば、制御できないほどのエネルギーが発生し、原子爆弾という爆発につながる。 しかし、ホウ素は中性子を吸収することができるので、ホウ素棒を使うことで核分裂反応を制御することができます。
原子力発電所では、核分裂反応を利用して発電を行いますが、その燃料となるのがウラン-235です。 原子炉の中では、黒鉛の炉心にウラン235の棒が挿入されています。 黒鉛は減速材と呼ばれ、中性子の速度を遅くし、核分裂反応が起きやすいようにする働きがある。 ウラン235棒の間には、余分な中性子を吸収し、核分裂反応が制御不能になるのを防ぐためにホウ素棒が置かれています。 ホウ素の棒は制御棒と呼ばれます。 核燃料棒は、必要に応じて原子炉の中に入れたり、外に出したりすることができます。 原子炉は、それが核放射線を吸収することができるように厚い壁を持っているコンクリートの部屋に囲まれています。
原子力発電所または原子力発電所
さて、原子炉での核分裂反応に起因する生成熱は、液体ナトリウムまたは炭酸ガスを使用して冷却され、それはまた熱交換器に転送することができます。 ここで冷却水の助けを借りて蒸気に変換されます。 生成された蒸気はタービンを回し、発電機を動かすのに使われます。
原子炉で制御された核分裂反応が起こると、膨大な量の熱エネルギーが発生します。 そのため、原子炉に取り付けられた配管に液体ナトリウムを連続的に送り込んでいます。 ナトリウムは原子炉で発生した熱を吸収するのに役立っています。 そして、パイプを通して非常に高温のナトリウムは、熱交換器の中で水の中を通ります。 水は高温のナトリウムから熱を吸収して沸騰し、蒸気になる。 この蒸気は高圧でタービンのあるタービン室に通される。 この蒸気がタービンを回転させ、さらにその軸と発電機が取り付けられている。 タービンが回転すると、その軸も回転し、発電機を駆動させるわけです。 この発電機は発電に役立ちます。
タービン室から出てくる使用済みの蒸気は、水を含む復水器を通過し、この水は蒸気を冷却するのに役立ちます。 この蒸気はその後水に変わり、配管を通って再び熱交換器に送られる。 ウラン235の核分裂反応で発生する廃棄物は放射性物質で、環境に対して非常に有害です。
インドの原子力発電所
インドには7基の原子力発電所があります。 それらは
i) タラプール原子力発電所（マハラシュトラ州）
ii) ラジャスタン原子力発電所（ラジャスタン州）
iii) マダラス原子力発電所（タミルナドゥ州）
iv) カイガ原子力発電所（カルナータカ州）
v) クダンクラム原子力発電所(Kudankulam Atomic Power Station)。 タミルナドゥ州
vi) ウッタルプラデーシュ州ナローラ原子力発電所
vii) グジャラート州カクラパール原子力発電所
核爆弾
核爆弾はウラン235とプルトニウム239の核分裂反応に基づいて作られています。 核分裂反応を意図的に暴走させ、短時間に大量のエネルギーを発生させます。
ウラン-235とプルトニウム-239の核分裂に基づく原子爆弾は、第二次世界大戦中の1945年に、日本の広島と長崎に投下されました。
アインシュタインの質量とエネルギーの関係
アインシュタインは質量はエネルギーに等しいとした。
E = mc2
E は生じたエネルギー量
M は破壊された質量
C は真空中の光速
光速は大きいので少量の質量でも極めて大きなエネルギーが発生することになる。 また、質量をキログラム（kg）、光速をメートル毎秒（m/s）とすると、エネルギーはジュール（J）になります。
したがって、核反応で任意の物質の質量1kgが破壊された場合、生成されるエネルギー量は次のようになる。
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
核エネルギーを表すエネルギー単位
核反応で放出するエネルギーのSI単位は電子ボルト（eV）または百万電子ボルト（MeV）である。 また、
1 electron volt = 1.602 * 10-19 joules
1 million electron volt = 1.602 * 10-19 * 106 joules
1 MeV = 1.602、10-19、106 joule
1 million electron volt = 1.602 * 10-13 J
エネルギーから見た原子質量単位の値
原子質量単位の絶対質量は1.66 * 10-27 kg、光速の正確な値は2.998 * 108m/sですから、エネルギーから見た原子質量単位の値は、1.602 * 10-19 * 106ジュールです。 これらの値をアインシュタインの式に当てはめると、
1 atomic mass unit (u) = 1.492 * 10-10 J
また、
1 atomic mass unit (u) = 931 MeV
Nuclear Fusion
fusion の意味は接合、結合することである。 したがって、軽い電子を持つ2つの原子核が結合して重い原子核になる過程が核融合である。 核融合の過程でも莫大なエネルギーが放出されます。
原子の原子核は正の電荷を持っているので、互いに反発し合います。 そのため、この2つの原子核を結合または融合して1つの重い原子核を作るためには、多くの熱エネルギーと高い圧力が必要です。 このことから、核融合は軽い原子を高温高圧で加熱することで行われることがわかる。 例えば、重水素原子を高圧で高温にすると、2つの重水素原子核が結合して重い原子核を持つヘリウムになり、中性子が放出され、多くのエネルギーが解放される。 核融合反応で発生するエネルギーはまだ制御されておらず、核分裂反応よりはるかに大きい。
水素爆弾
非常に高い温度で起こる核反応を熱核反応と呼ぶ。 この反応を利用して、大量破壊をもたらす水素爆弾を製造している。 水素爆弾は、水素の同位体である重水素（2H）と三重水素（3H）、およびリチウム-6という元素が使われます。 水爆の爆発は、原子爆弾を使って行われる。 これは、原子爆弾が爆発すると、その核分裂反応で大量の熱が発生し、重水素と三重水素の温度が数マイクロ秒で上昇するためです。 その結果、核融合反応が起こり、水爆は莫大なエネルギーを生み出して爆発するのです。
原子力の利点
- 少量の燃料（ウラン235）から莫大なエネルギーが得られる
- 原子炉に何度も燃料を入れる必要がない。 一度、原子炉に燃料（ウラン235）を入れると、一気に2～3年機能します。
- 二酸化炭素や二酸化硫黄などのガスを発生しません。
原子力エネルギーの欠点
- 原子炉の廃棄物は放射能で、有害放射線を出し続けているのです。
- 原子炉の事故により放射性物質が漏れる危険性
- 燃料のウランが限られる
- 原発の設置費用が高い
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