高速増殖炉について

質問

こんにちは、
すいません。高速増殖炉の基本的なことを教えて下さい。
１． 高速増殖炉はU238に炉内の速中性子をぶつけてPu239に変換させ、更に炉内の速中性子をPu239ぶつけて核分裂させて、エネルギーを取り出すのでしたか？
２． なぜ燃料（U238）の約1.2倍の燃料（Pu239）になるのでしたか？

高速増殖炉は、発電しながら消費した以上の燃料を生み出すことのできる原子炉です。「もんじゅ」の場合は消費した燃料の約1.2倍の燃料（プルトニウム）を新たに作ることができます。

http://www.fepc.or.jp/nuclear/cycle/kousoku/sw_index_01/index.html

回答No.7

noname#175206 · ベストアンサー

補足、承りました。#5他です。

>それぞれの燃料の構成の図（下記のような図）はないでしょうか？

　昔読んだ教科書の記憶だけで（まとまった図はなかった）、現在どのようなものがあるかは調べたことがありません。お役に立てず、申し訳ありません。

>理論上、個数は算出できないでしょうか？

　設計次第でしょうね。まずプルトニウムの反応ということで、その辺りをググってみると、以下のようなページが手始めとして参考になるかもしれません。

http://www.rist.or.jp/atomica/data/dat_detail.php?Title_No=04-09-01-09

　ウラン235の核分裂によりウラン238からプルトニウム239を作るのは、まだプルトニウムが燃料に適するほどの量がない場合で、軽水炉でも発生して来るプルトニウム239が溜まって来れば、プルトニウム239の核分裂により、ウラン238をプルトニウム239に転換します。

　その工程も原子炉であるわけなので、核分裂としては反応率を1に保った臨界を維持しながら、余剰の中性子を利用してプルトニウム239を作り続けるのは、非常に難しいとは言えます。高速増殖炉や新型転換炉が、なかなかうまく行かないというのは、仕方ないかもしれません。

お礼

毎々、ご丁寧なご回答有難うございます。

少し大そうな名称だと思いますが、増殖炉の「増殖」の意味が解りました。

回答No.6

indoken2

「1.2倍」というのは、設計上の定義であって、そのようにコントロールするという意味です。

「なぜ燃料（U238）の」とご質問にお書きですが、U238は燃料ではありません。
高速増殖炉内で燃料に変わる「原料」です。

お礼

下図
http://www.tohoku-epco.co.jp/electr/genshi/shiryo/cycle/03.html

補足

お返事有難うございます。

核燃料サイクルは簡単に書くと

「再処理工場」→「高速増殖炉」→「再処理工場」→「高速増殖炉」→「再処理工場」
という循環（サイクル）をしますが、
それぞれの燃料の構成の図（下記のような図）はないでしょうか？
あれば、具体的に、解り易いです。

無ければ、
最初　「再処理工場」ウラン２３８が１００個あったとして、
「高速増殖炉」で、プルトニウム２３９が何個生成、プルトニウム２３９が何個核分裂、ウラン２３８が何個残る
という理論上、個数は算出できないでしょうか？
「再処理工場」→「高速増殖炉」→「再処理工場」
100個U238 　→？

回答No.5

noname#175206

補足、承りました。#4他です。

　お示しのリンク先の図では、見やすくするためか、プルトニウム1個の核分裂で中性子が3個出て、1個が失われ、2個がプルトニウム239を作り、そのうち1個がまた核分裂するように描いていますね。

　実際には、平均としても、1個のプルトニウムからもっと多くの中性子が出たり、あるいは反応せずに失われる中性子が少なくなり、1個より多くのプルトニウムが残存するのです。それが、平均1.2個なら1.2倍のプルトニウムを得るということです。

お礼

下図
http://www.tohoku-epco.co.jp/electr/genshi/shiryo/cycle/03.html

補足

お返事有難うございます。

核燃料サイクルは簡単に書くと

「再処理工場」→「高速増殖炉」→「再処理工場」→「高速増殖炉」→「再処理工場」
という循環（サイクル）をしますが、
それぞれの燃料の構成の図（下記のような図）はないでしょうか？
あれば、具体的に、解り易いです。

無ければ、
最初　「再処理工場」ウラン２３８が１００個あったとして、
「高速増殖炉」で、プルトニウム２３９が何個生成、プルトニウム２３９が何個核分裂、ウラン２３８が何個残る
という理論上、個数は算出できないでしょうか？
「再処理工場」→「高速増殖炉」→「再処理工場」
100個U238 　→？

回答No.4

noname#175206

補足、承りました。#2他です。

>例えば、当初U238が100個あれば、生成するPu239も100個で、そのうち、50個が核分裂したとすれば、Pu239が50個残ります。

　そのような現象だとして、その核分裂したプルトニウム239が50個からは、100個以上の高速中性子が生じ、さらに100個以上のウラン238がプルトニウム239に変わります。

　この時点で、50＋100＝150個のプルトニウム239ができます。そのうちの50個がまた核分裂したとすると、同様の反応で、100＋200＝300個のプルトニウム239となります。こうして、プルトニウム239が増えて行きます。

　このような反応は、核分裂するウラン235やプルトニウム239に比べて、ウラン238が圧倒的に多量にあるという前提があります。

　増殖炉といっても、燃料として使った物自体が増えるのではなく、核燃料として使えないウラン238の元素転換ということですね。

補足

お返事有難うございます。

＞当初U238が100個あれば、生成するPu239も100個で、そのうち、
＞50個が核分裂したとすれば、Pu239が50個残ります。
＞　そのような現象だとして、その核分裂したプルトニウム239が50個からは、
＞100個以上の高速中性子が生じ、さらに100個以上のウラン238が
＞プルトニウム239に変わります。
＞　この時点で、50＋100＝150個のプルトニウム239ができます。

ご説明がよく理解できませんが、間違っておられるのではないでしょうか？

＞元となるのはウラン235やプルトニウム239です。核燃料に不純物と
＞して8割以上含まれるウラン238ではありません。

ひょっとして、これも間違ってないでしょうか？
下図の通り、高速増殖炉では基本的にプルトニウム239の核分裂を利用して
エネルギーを取り出すと思います。

http://www.geocities.jp/tobosaku/kouza/fbr1.html

回答No.3

Tann3

No.1さんの回答者さんがNo.2でも説明されていますが、追加でNo.1の「補足」に書かれたことへの説明をします。

＞＞ウラン235（やプルトニウム239）の核分裂反応による高速中性子で、
＞＞ウラン238からプルトニウム239を、元の核燃料以上に増やすことから、
＞＞『高速増殖炉』という名前がついています。

＞なぜウラン238からプルトニウム239が、元の核燃料以上に増えるのか？
＞その仕組みが解らず、質問しました。
＞ウラン238＋中性子１個＝プルトニウム239
＞であり、増えも減りもしないと考えるのですが、如何でしょうか？

　ウラン235、プルトニウム239とも、1回の核分裂で複数個の中性子を放出します。ウラン235の場合は、約3.5個だったと思います。
（これは、核分裂の結果でどんな元素が生成されるかにもよりますが、軽い元素ほど陽子数に比べて中性子数が少なくなるので、ほぼ確実に2個以上の中性子が出ます）
　質問者さんの考える「1個の核分裂＝1個の中性子」というのが違っているのです。

　高速増殖炉の場合、燃料の組成（ウランとプルトニウムの比率、さらにプルトニウムの中でも239、240の比率など）によって1回の核分裂あたりの平均中性子数が異なると思いますが、おそらく3個程度以上にはなると思います。

＞＞核分裂反応には関係しないウラン238は、核燃料の大半を占めるのですが、
＞＞中性子を捕獲しやすく、ネプツニウム239を経てプルトニウム239になります。

＞ウラン238→ネプツニウム239→プルトニウム239になるのですね。
＞その中性子源は、何なのでしょうか？すべて速中性子でしたか？熱中性子も使うのでしょうか？

　上記のように、核分裂を定常的に維持するための中性子以外に、余剰の中性子が出ます。これが、高速状態のまま、あるいはいろいろな原子核と衝突してエネルギーを失いながら最終的には熱中性子（熱運動程度の遅い中性子）になる過程でプルトニウムを生成することになります。（「高速の方が吸収されやすい」とか「低速の方が吸収されやすい」という「効率」はありますが、「どちらかでないと吸収されない」というものではありません）。
　また、原子炉から外に漏れ出したり、構造材（原子炉の壁、制御棒、燃料の構造体など）に吸収されて無駄になる中性子もあります。
　そういった無効になる中性子も合わせて、

「核分裂維持に1個、プルトニウム生成に1.2個（高速、低速を問わず平均で）、その他無駄になるもの（平均で1個程度？）」

の合計で約3個分（1回の核分裂で放出される中性子の平均数）ということになります。

補足

ご回答有難うございます。

＞「核分裂維持に1個、プルトニウム生成に1.2個（高速、低速を問わず
＞平均で）、その他無駄になるもの（平均で1個程度？）」の合計で約3個分
＞（1回の核分裂で放出される中性子の平均数）ということになります。

了解しました。下図の高速増殖炉の説明は正しいのですね。しかしウラン238→プルトニウム239に変換して、「増殖」というのは抵抗があります。プルトニウム239の燃え残り（完全燃焼しなかった）とも考えられますので、、、

http://www.geocities.jp/tobosaku/kouza/fbr1.html

下図のように、高速増殖炉での発電前と発電後の構成が解れば、意味がより解り易いのですが、無いでしょうか？稼働したことが無い（？）ので、実績データはないですが、理論的には計算できるはずです。

http://www.tohoku-epco.co.jp/electr/genshi/shiryo/cycle/03.html

＞それを制御して、ウラン235やプルトニウム239の一つの核分裂による
＞中性子を、複数のウラン239に反応させ、複数のプルトニウム239を
＞得るのが高速増殖炉です。
プルトニウム239の核分裂：プルトニウム239の生成＝1：1.2
であり、高速増殖炉では基本的にプルトニウム239の核分裂を利用して
エネルギーを取り出すのですね？

回答No.2

noname#175206

補足、承りました。#1です。

　元となるのはウラン235やプルトニウム239です。核燃料に不純物として8割以上含まれるウラン238ではありません。

　ウラン235やプルトニウム239が核分裂すると、複数の中性子が飛び出て、それが連鎖反応を引き起こします。高濃度のものを制御しなければ、核爆発となるほどの、ネズミ算式に増える反応です。

　それを制御して、ウラン235やプルトニウム239の一つの核分裂による中性子を、複数のウラン239に反応させ、複数のプルトニウム239を得るのが高速増殖炉です。

補足

ご回答有難うございます。

使用済み燃料の構成は下記の右図の通りです。Ｕ235,Pu239も２％程度ありますが、U238が95％で大半を占めております。
http://www.tohoku-epco.co.jp/electr/genshi/shiryo/cycle/03.html

＞元となるのはウラン235やプルトニウム239です。核燃料に不純物として
＞8割以上含まれるウラン238ではありません。

高速増殖炉は、再処理工場でウラン235やプルトニウム239の割合を増やすのでしょうか？

＞　ウラン235やプルトニウム239が核分裂すると、複数の中性子が飛び出て、
＞それが連鎖反応を引き起こします。高濃度のものを制御しなければ、核爆発＞となるほどの、ネズミ算式に増える反応です。
最初にウラン235やプルトニウム239を核分裂させるための中性子（多分熱中性子）は、どこから、軽水炉と同じようなものでしょうか？

＞それを制御して、ウラン235やプルトニウム239の一つの核分裂による
＞中性子を、複数のウラン239に反応させ、複数のプルトニウム239を
＞得るのが高速増殖炉です。

高速増殖炉は、Pu239の核分裂も利用するのですね？

下記の一番下の図は、U238に速中性子をぶつけて、Pu239に変換して、核分裂をする図になっております。

http://www.geocities.jp/tobosaku/kouza/fbr1.html

例えば、当初U238が100個あれば、生成するPu239も100個で、そのうち、50個が核分裂したとすれば、Pu239が50個残ります。

増殖の意味は、U238が燃料として100個あっても、ゴミなので　0個とカウントして、燃料のPu239が50個出来るから、増殖していると考えるのでしょうか？

回答No.1

noname#175206

燃料となるウラン235は、あまりにも速い高速中性子では核分裂を起こしにくく、軽水炉では水で減速した熱中性子により核分裂の連鎖反応を維持しています。このため沸騰が激しくなると核分裂が弱まるという、僅かながらの安定性があり、原子炉としての運用が可能になっています。

　核分裂反応には関係しないウラン238は、核燃料の大半を占めるのですが、中性子を捕獲しやすく、ネプツニウム239を経てプルトニウム239になります。この反応は連鎖反応を起こす中性子を止めてしまうので、通常の原子炉では核分裂反応を抑制してしまいます。しかし、高速中性子をウラン238にわざと当てるようにして、プルトニウム239を得ることができます。

　ウラン235（やプルトニウム239）の核分裂反応による高速中性子で、ウラン238からプルトニウム239を、元の核燃料以上に増やすことから、『高速増殖炉』という名前がついています。

補足

ご回答有難うございます。

＞ウラン235（やプルトニウム239）の核分裂反応による高速中性子で、
＞ウラン238からプルトニウム239を、元の核燃料以上に増やすことから、
＞『高速増殖炉』という名前がついています。
なぜウラン238からプルトニウム239が、元の核燃料以上に増えるのか？
その仕組みが解らず、質問しました。
ウラン238＋中性子１個＝プルトニウム239
であり、増えも減りもしないと考えるのですが、如何でしょうか？

＞核分裂反応には関係しないウラン238は、核燃料の大半を占めるのですが、
＞中性子を捕獲しやすく、ネプツニウム239を経てプルトニウム239になります。
ウラン238→ネプツニウム239→プルトニウム239になるのですね。
その中性子源は、何なのでしょうか？すべて速中性子でしたか？熱中性子も使うのでしょうか？