✅ こんな悩みを抱えていませんか?
- 「核分裂って何が起きてるの?」
- 「PWRとBWRの違いが覚えられない…」
- 「原子力発電の問題が苦手で点数が取れない…」
電験三種の「電力」科目で必ず出題される原子力発電。特にPWR(加圧水型)とBWR(沸騰水型)の違いは、毎年のように問われる超頻出テーマです。
でも安心してください。この記事では、目に見えない核分裂のプロセスから、PWRとBWRの構造の違いまで、まるで目の前で見ているような図解で完全解説します。
💡 この記事で完全マスターできること
- 核分裂の連鎖反応のメカニズム
- PWR(加圧水型)の構造と特徴
- BWR(沸騰水型)の構造と特徴
- 試験で問われるPWRとBWRの違い12項目
それでは、原子の中心で起きている「見えないエネルギー革命」を、一緒に覗いてみましょう!
目次
⚛️ 核分裂とは?|原子が割れて巨大エネルギーを生む
📖 核分裂の定義
核分裂(かくぶんれつ)とは、ウラン235などの重い原子核に中性子が衝突すると、原子核が2つに割れて、膨大なエネルギーを放出する現象のこと。
この時に放出されるエネルギーは、1回の分裂で約200 MeV(メガ電子ボルト)。これは、石炭を燃やすエネルギーの約300万倍!
💡 イメージで覚えよう
核分裂 = 巨大な風船を針で刺す瞬間
パン!と割れて、中に詰まっていた莫大なエネルギーが一気に放出される感じです!
🔄 連鎖反応のメカニズム
核分裂の恐ろしくも素晴らしいところは、「連鎖反応」が起きること。1つの分裂が次々と新しい分裂を引き起こします。
🔄 核分裂の連鎖反応プロセス
- Step1: 中性子1個がウラン235に衝突
- Step2: ウラン235が2つに分裂(バリウム141 + クリプトン92など)
- Step3: 分裂と同時に2〜3個の新しい中性子が飛び出す
- Step4: この中性子が別のウラン235に衝突 → 連鎖反応スタート!
この連鎖反応を「制御棒」で調整することで、安定した発電を実現しているんです。制御棒を挿入すれば中性子を吸収して反応を抑え、引き抜けば反応を加速させます。
🔢 核分裂で発生するもの
ウラン235が1回分裂すると、以下のものが生成されます:
- 分裂生成物(2個): バリウム、クリプトン、セシウムなど
- 中性子(2〜3個): 次の連鎖反応を引き起こす
- エネルギー(約200 MeV): 熱エネルギーとして利用
- ガンマ線(γ線): 高エネルギーの放射線
この中で、熱エネルギーが水を沸騰させ、蒸気でタービンを回して発電するわけです!
⚡ 驚異のエネルギー密度
石炭1kgで得られるエネルギー: 約27,000 kJ
ウラン235を1kg核分裂させた場合: 約80,000,000,000 kJ
なんと約300万倍! だから小さな燃料で巨大な電力を生み出せるんです。
💧 PWR(加圧水型)とは?|二重防護の安全設計
📖 PWRの定義
PWR(Pressurized Water Reactor / 加圧水型原子炉)とは、一次冷却系で炉心を冷やし、その熱を蒸気発生器で二次冷却系に伝えて蒸気を作る方式。
最大の特徴は、水が炉心で沸騰しないこと。超高圧(約157気圧)をかけることで、325℃でも液体のまま保たれます。
🔑 PWRの3つのポイント
- ① 一次冷却水と二次冷却水が完全に分離
- ② 炉心の水は沸騰しない(高圧で液体のまま)
- ③ 蒸気発生器で熱だけを伝える(放射能は移らない)
⚙️ PWRの仕組み
PWRの全体構造を見てみましょう。一次系と二次系の2つの独立した回路があります。
🔄 PWRの動作フロー
- 一次系: 炉心で水が加熱される(325℃、157気圧)
- 熱交換: 蒸気発生器で一次系→二次系へ熱を伝える
- 二次系: 二次冷却水が蒸気になる(100℃、1気圧)
- 発電: 蒸気がタービンを回し、発電機で電気を作る
- 冷却: 蒸気が復水器で水に戻り、再び蒸気発生器へ
📊 PWRの主要データ
| 項目 | 数値 |
|---|---|
| 一次冷却水の圧力 | 約157気圧(15.7 MPa) |
| 一次冷却水の温度 | 高温側 325℃ / 低温側 290℃ |
| 制御棒の挿入方向 | 上から挿入 |
| 熱効率 | 約33% |
| 日本での採用率 | 約35%(関西電力など) |
💡 イメージで覚えよう
PWR = 二重鍋でお湯を沸かす
内側の鍋(一次系)は高圧で熱々。外側の鍋(二次系)にだけ蒸気が出る。内側の水は外に出ないから放射能も漏れない!
♨️ BWR(沸騰水型)とは?|シンプル構造の効率型
📖 BWRの定義
BWR(Boiling Water Reactor / 沸騰水型原子炉)とは、炉心で水を直接沸騰させ、その蒸気でタービンを回す方式。
PWRと違って、一次系も二次系もなく、1つの系統だけ。非常にシンプルな構造です。
🔑 BWRの3つのポイント
- ① 炉心で水が直接沸騰して蒸気になる
- ② 蒸気がそのままタービンへ(蒸気発生器なし)
- ③ 構造がシンプルで建設コストが安い
⚙️ BWRの仕組み
BWRの全体構造を見てみましょう。1つの回路だけで完結するシンプル設計です。
🔄 BWRの動作フロー
- 炉心: 水が核分裂の熱で沸騰(286℃、70気圧)
- 気水分離: 蒸気と水を分離(蒸気だけを取り出す)
- 発電: 蒸気が直接タービンを回し、発電機で電気を作る
- 冷却: タービン通過後、復水器で蒸気を水に戻す
- 循環: 給水ポンプで再び炉心へ送る
📊 BWRの主要データ
| 項目 | 数値 |
|---|---|
| 炉心の圧力 | 約70気圧(7 MPa) |
| 炉心出口の温度 | 286℃ |
| 制御棒の挿入方向 | 下から挿入 |
| 熱効率 | 約34% |
| 日本での採用率 | 約65%(東京電力など) |
💡 イメージで覚えよう
BWR = やかんでお湯を沸かす
やかんの中で直接沸騰させて、その蒸気を使う。シンプルだけど、やかんの中の水は「低レベルだけど放射能を含む」のが注意点!
⚠️ BWRの注意点
BWRでは、炉心で直接沸騰した蒸気がタービンに届くため、タービンや配管にも低レベルの放射能が付着します。そのため、タービンの保守作業には放射線対策が必要です。ただし、格納容器でしっかり遮蔽されているので、外部への影響はありません。
⚖️ PWR vs BWR|徹底比較で違いを完全理解
さあ、ここからが電験三種で最も問われるポイント!PWRとBWRの違いを、12項目で完全比較します。この表を覚えれば、試験で満点を狙えます!
🎯 試験で狙われるポイント
⚡ 電験三種で頻出の12項目
- 冷却系統: PWR=2ループ / BWR=1ループ
- 炉心の状態: PWR=沸騰しない / BWR=沸騰する
- 圧力: PWR=157気圧 / BWR=70気圧
- 温度: PWR=325℃ / BWR=286℃
- 制御棒: PWR=上から / BWR=下から
- 蒸気発生器: PWR=あり / BWR=なし
- 放射能: PWR=タービンに届かない / BWR=タービンに届く
- 熱効率: PWR=33% / BWR=34%
- 構造: PWR=複雑 / BWR=シンプル
- 建設コスト: PWR=高い / BWR=安い
- 安全性: PWR=二重防護で高い / BWR=格納容器で確保
- 日本での採用: PWR=35%(関西) / BWR=65%(東京)
📝 覚え方のコツ
💡 語呂合わせで覚えよう
「PWRは二重で安心、BWRはシンプルで効率」
- PWR = Pressurized(加圧) → Pressure(圧力)が高い! → 157気圧
- BWR = Boiling(沸騰) → Boil(沸騰)する! → 炉心で直接沸騰
- 制御棒: PWRはPush down(上から押す)、BWRはBottom up(下から上げる)
✏️ 練習問題
📖 例題
次の記述のうち、PWR(加圧水型原子炉)に関するものとして正しいものを選べ。
(1) 炉心で水が直接沸騰して蒸気になる
(2) 一次冷却水の圧力は約70気圧である
(3) 制御棒は下から挿入される
(4) 蒸気発生器で熱交換を行う
(5) タービンに放射能を含んだ蒸気が到達する
✅ 解答と解説
正解: (4) 蒸気発生器で熱交換を行う
解説:
(1) × BWRの特徴。PWRは沸騰しない
(2) × PWRは約157気圧。70気圧はBWR
(3) × PWRは上から挿入。下からはBWR
(4) ⭕ PWRは蒸気発生器で一次系→二次系へ熱交換
(5) × PWRは二次系が別なので、放射能はタービンに届かない
📚 まとめ|原子力発電の全体像を再確認
✅ この記事で覚えるべき3つのポイント
- 核分裂: ウラン235に中性子が衝突→2つに分裂→2〜3個の新しい中性子が飛び出し連鎖反応
- PWR: 一次・二次の2ループ構造で安全性重視。圧力157気圧、炉心で沸騰しない
- BWR: 1ループ構造でシンプル&効率重視。圧力70気圧、炉心で直接沸騰
原子力発電の核心は、核分裂の連鎖反応を制御して安定したエネルギーを取り出すこと。PWRとBWRは、どちらも同じ目的ですが、アプローチが違うんです。
試験では、圧力・温度・制御棒の方向・蒸気発生器の有無が狙われます。この記事の図解を頭に焼き付けて、満点を狙いましょう!
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この記事が、あなたの電験三種合格への一歩になれば嬉しいです。原子力発電を完全攻略して、得点源にしましょう! ⚛️✨