原子力発電の基礎｜核分裂・PWR・BWRの違いを完全図解

※本記事にはプロモーション（広告）が含まれています。

○ 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!

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

原子力発電の計算|質量欠損とE＝mc²でエネルギーを求める

電験三種の電力では、「ウラン235が1g核分裂すると、何Jのエネルギーが出るか」「石炭なら何kg分か」という計算がよく出ます。使うのは、アインシュタインの式 E＝mc² だけです。

質量欠損とは

核分裂のあとにできる物質をすべて集めて重さをはかると、分裂する前よりほんの少しだけ軽くなっています。この減った分を質量欠損といい、減った質量がエネルギーに変わっています。

質量とエネルギーの式

E［J］＝ m［kg］× c²　（c＝3×10⁸ m/s：光の速さ）

質量はgではなくkgで入れます。ここをまちがえると答えが1000倍ずれます。

例題①:ウラン235を1g核分裂させたときのエネルギー

ウラン235が1g核分裂し、質量欠損が0.09%だったとする。発生するエネルギーと、それと同じ熱を出す石炭（発熱量25,000kJ/kg）の量を求めよ。

ステップ	計算	答え
① 質量欠損	1g×0.0009＝0.0009g	9×10⁻⁷ kg
② エネルギー	9×10⁻⁷×(3×10⁸)²	8.1×10¹⁰ J
③ 石炭に直す	8.1×10¹⁰÷(25,000×10³)	約3,240kg（約3.2t）

わずか1gのウランが、石炭3トン分以上の熱を出します。原子力発電の燃料が少なくてすむのは、このためです。発熱量の単位はkJ/kgなので、③では10³をかけてJ/kgにそろえています。

例題②:発電所が1日に使うウラン235の量

電気出力1,000MW、熱効率33%の原子力発電所が1日運転したとき、核分裂するウラン235の量は？（ウラン235が1g核分裂すると8.1×10¹⁰Jとする）

ステップ	計算	答え
① 1日の電力量	1,000×10⁶ W×86,400 s	8.64×10¹³ J
② 必要な熱	8.64×10¹³÷0.33	約2.62×10¹⁴ J
③ ウラン235	2.62×10¹⁴÷8.1×10¹⁰	約3,200g（約3.2kg）