How do nuclear power plants work? - M. V. Ramana and Sajan Saini

原子力発電所の仕組み ― M.V.ラマナとサジャン・サイニ

翻訳: Yuya Koike 校正: Tomoyuki Suzuki

On a December afternoon in Chicago during the middle of World War II,

第二次世界大戦の最中 12月のある日のシカゴで

scientists cracked open the nucleus at the center of the uranium atom

科学者はウラン原子の中心にある 原子核を分裂させ

and turned nuclear mass into energy over and over again.

核の質量を次々とエネルギーに 転換することに成功しました

They did this by creating for the first time

彼らは驚くべき技術である 原子炉の中で

a chain reaction inside a new engineering marvel:

史上初めて連鎖反応を引き起こすことに

the nuclear reactor.

成功したのです

Since then, the ability to mine great amounts of energy from uranium nuclei

それ以来 ウランの原子核から 莫大なエネルギーを作り出す技術は

has led some to bill nuclear power

理想郷的で潤沢な電力源になると

as a plentiful utopian source of electricity.

一部の人たちは宣伝してきました

A modern nuclear reactor generates enough electricity from one kilogram of fuel

現代の原子炉は１キログラムの燃料から

to power an average American household for nearly 34 years.

平均的なアメリカの１世帯の34年分の エネルギーを作り出します

But rather than dominate the global electricity market,

しかし原子力は世界の電力市場を 席巻するどころか 逆に

nuclear power has declined from an all-time high of 18% in 1996

1996年に18%のシェアを 占めたのを頂点として

to 11% today.

現在では11%にまで落ち込んでいます

And it's expected to drop further in the coming decades.

今後数十年で さらに落ち込むと予想されます

What happened to the great promise of this technology?

とても期待されたこの技術に 何が起きたのでしょう？

It turns out nuclear power faces many hurdles,

原子力利用には多くの障壁があることが 分かってきました

including high construction costs

それには高い建設コストや

and public opposition.

公衆からの反対などがあります

And behind these problems lie a series of unique engineering challenges.

これらの問題の背後には 一連の独特な技術的問題があります

Nuclear power relies on the fission of uranium nuclei

原子力はウランの原子核を 核分裂させ

and a controlled chain reaction

そして さらに多くの原子核を分裂させる―

that reproduces this splitting in many more nuclei.

連鎖反応を制御する技術に 依存しています

The atomic nucleus is densely packed with protons and neutrons

原子核は強力な核力によって

bound by a powerful nuclear force.

陽子と中性子が密に束縛されています

Most uranium atoms have a total of 238 protons and neutrons,

ほとんどのウラン原子は 合わせて238個の陽子と中性子を持っています

but roughly one in every 140 lacks three neutrons,

しかしおよそ140個に１つの割合で 中性子が３つが欠けているものがあります

and this lighter isotope is less tightly bound.

この軽い方の同位体の束縛は 相対的に弱く

Compared to its more abundant cousin,

より豊富にある兄弟原子に比べ

a strike by a neutron easily splits the U-235 nuclei

ウラン235は中性子が衝突すると よりたやすく

into lighter, radioactive elements called fission products,

核分裂生成物と呼ばれる より軽い放射性元素へと分裂します

in addition to two to three neutrons,

さらに２、３の中性子や

gamma rays,

ガンマ線や

and a few neutrinos.

数個のニュートリノも発生します

During fission, some nuclear mass transforms into energy.

核分裂の間 核の質量の一部が エネルギーへと変換されます

A fraction of the newfound energy powers the fast-moving neutrons,

新たに作り出されたエネルギーの一部が 高速で動く中性子に移され

and if some of them strike uranium nuclei,

それがウランの原子核に衝突すると

fission results in a second larger generation of neutrons.

核分裂によって より多くの 第２世代の中性子を生み出します

If this second generation of neutrons strike more uranium nuclei,

この第２世代の中性子が さらに多くのウランの原子核に衝突することで

more fission results in an even larger third generation, and so on.

もっと多くの第３世代を生み出し それが連鎖していきます

But inside a nuclear reactor,

原子炉の中では

this spiraling chain reaction is tamed using control rods

この連鎖が制御棒によって 制御されています

made of elements that capture excess neutrons and keep their number in check.

これは過剰な中性子を補足し 数を抑制する元素で作られています

With a controlled chain reaction,

この制御された連鎖反応によって

a reactor draws power steadily and stably for years.

原子炉は定常的かつ安定的に 何年もの間 エネルギーを作り出します

The neutron-led chain reaction is a potent process driving nuclear power,

中性子による連鎖反応は 原子力発電を動かす強力なプロセスです

but there's a catch that can result

しかしここには落とし穴があります

in unique demands on the production of its fuel.

燃料を再生産しなければならないという 特殊な要請があるのです

It turns out, most of the neutrons emitted from fission have too much kinetic energy

核分裂から生み出される 大半の中性子の運動エネルギーは過剰なため

to be captured by uranium nuclei.

ウランの原子核に捕捉されません

The fission rate is too low and the chain reaction fizzles out.

これでは核分裂反応率が低すぎて 連鎖反応は立ち消えになります

The first nuclear reactor built in Chicago used graphite as a moderator

シカゴに建てられた最初の原子炉では 黒鉛を減速材として用い

to scatter and slow down neutrons just enough

中性子を散乱、減速させることで

to increase their capture by uranium and raise the rate of fission.

ウランによる捕捉を起こりやすくし 核分裂反応率を高めました

Modern reactors commonly use purified water as a moderator,

現代の原子炉では一般的に 純水を減速材として用いています

but the scattered neutrons are still a little too fast.

しかし散乱した中性子は それでもなお 少し速すぎるのです

To compensate and keep up the chain reaction,

それを補い連鎖反応を高めるために

the concentration of U-235 is enriched

ウラン235の濃度が

to four to seven times its natural abundance.

自然のものの４～７倍に 高められています

Today, enrichment is often done by passing a gaseous uranium compound

現在では濃度を高めるために 気化したウラン化合物を

through centrifuges

遠心分離機に通し

to separate lighter U-235 from heavier U-238.

相対的に重いウラン238から 軽いウラン235を分離する方法が一般的です

But the same process can be continued to highly enrich U-235

しかしこの処理を続けていくことで ウラン235の濃度を

up to 130 times its natural abundance

自然のものの130倍まで高め

and create an explosive chain reaction in a bomb.

爆発的な連鎖反応を起こす 核兵器を製造することもできます

Methods like centrifuge processing must be carefully regulated

このような遠心分離機を用いた手法は 厳しく制限し

to limit the spread of bomb-grade fuel.

核兵器となる材料の拡散を 抑制しなければなりません

Remember, only a fraction of the released fission energy

核分裂により解放された エネルギーの一部だけが

goes into speeding up neutrons.

中性子を加速させるのでしたが

Most of the nuclear power goes into the kinetic energy of the fission products.

核反応のエネルギーの大半は 核分裂生成物の運動エネルギーに転換されます

Those are captured inside the reactor as heat by a coolant,

それらは 原子炉の中で 普通は純水が使われる冷却液により

usually purified water.

熱として捕捉されます

This heat is eventually used to drive an electric turbine generator by steam

この熱は最終的には 原子炉の外にある発電機のタービンを

just outside the reactor.

蒸気でまわして電気を生み出します

Water flow is critical not only to create electricity,

水の流れは電気を生み出すためにも 重要ですが

but also to guard against the most dreaded type of reactor accident,

メルトダウン（炉心溶融）という 最悪の原子力事故を防ぐためにも

the meltdown.

重要な役割を担っています

If water flow stops because a pipe carrying it breaks,

例えばパイプが破損したり ポンプの故障により

or the pumps that push it fail,

水の流れが止まってしまうと

the uranium heats up very quickly and melts.

ウランは急速に温度を上げ溶融します

During a nuclear meltdown,

メルトダウンが起こると

radioactive vapors escape into the reactor,

放射性の蒸気が原子炉内に漏れ出します

and if the reactor fails to hold them,

もし原子炉がこれを支えきれなくなると

a steel and concrete containment building is the last line of defense.

鉄とコンクリートでできた建物が 最後の砦となります

But if the radioactive gas pressure is too high,

放射性ガスの気圧が高くなり過ぎると

containment fails and the gasses escape into the air,

封じ込めは失敗し ガスは大気中に放出し

spreading as far and wide as the wind blows.

風に乗って遠くまで広範囲に拡散します

The radioactive fission products in these vapors

蒸気に含まれていた 放射性核分裂生成物は

eventually decay into stable elements.

最終的に安定な元素へと 崩壊していきます

While some decay in a few seconds,

崩壊が数秒で起こるものもあれば

others take hundreds of thousands of years.

数千年を要するものもあります

The greatest challenge for a nuclear reactor

原子炉における最大の課題は

is to safely contain these products

これらの物質を安全に閉じ込め

and keep them from harming humans or the environment.

人間への被害や 環境の破壊から守ることです

Containment doesn't stop mattering once the fuel is used up.

燃料が尽きたからといって 封じ込めが終わるわけではありません

In fact, it becomes an even greater storage problem.

実際 それは保管の問題として さらに大きな問題となってくるのです

Every one to two years,

１年から２年に１回

some spent fuel is removed from reactors

使い終わった燃料が炉から取り除かれ

and stored in pools of water that cool the waste

水のプールに保管することで 放射性廃棄物を冷却し

and block its radioactive emissions.

放射能の放出を抑止します

The irradiated fuel is a mix of uranium that failed to fission,

この照射済燃料を構成するのは 核分裂を起こさなかったウランや

fission products,

核分裂生成物

and plutonium, a radioactive material not found in nature.

プルトニウムといった 自然界には存在しない放射性物質です

This mix must be isolated from the environment

これらの混合物は崩壊を終えて 安全な物質になるまで

until it has all safely decayed.

周囲環境から 隔離しなければなりません

Many countries propose deep time storage in tunnels drilled far underground,

多くの国は地下深くに長期的な保管のための トンネルの掘削を提案していますが

but none have been built,

まだ作られたことはありません

and there's great uncertainty about their long-term security.

長期的な安全保障があるのかが とても不確実なのです

How can a nation that has existed for only a few hundred years

国が生まれてわずか数百年しか 経っていない国が

plan to guard plutonium through its radioactive half-life

どうして放射性物質ウランに対し その半減期24,000年もの期間の

of 24,000 years?

保全計画を立てることが できるのでしょうか

Today, many nuclear power plants sit on their waste, instead,

現在 多くの原子力発電所では 期限も決めずに敷地内に

storing them indefinitely on site.

使用済み核燃料を貯蔵し続け これといった対策を取らずにいます

Apart from radioactivity, there's an even greater danger with spent fuel.

放射能のほかにも 使用済み燃料には更に大きな危険があります

Plutonium can sustain a chain reaction

プルトニウムは まだ連鎖反応を起こすことが可能で

and can be mined from the waste to make bombs.

爆弾を作るために 持ち出されることもあり得ます

Storing spent fuel is thus not only a safety risk for the environment,

このように使用済み燃料の貯蔵は 環境リスクだけではなく

but also a security risk for nations.

国の安全保障上のリスクにも なっているのです

Who should be the watchmen to guard it?

誰がこれを監視していくのか？

Visionary scientists from the early years of the nuclear age

核エネルギーの幕開け時代の 先見の明のある科学者は

pioneered how to reliably tap the tremendous amount of energy

原子に内在するとてつもないエネルギーを

inside an atom -

確実に得るための手段を開拓しました

as an explosive bomb

それは強力な爆弾として また―

and as a controlled power source with incredible potential.

制御により得られる とてつもない ポテンシャルを秘めたエネルギー源としてです

But their successors have learned humbling insights

しかし後継の科学者達は 謙虚な姿勢で考えることで

about the technology's not-so-utopian industrial limits.

核技術は夢のようなものではなく 産業的利用に限界があると学んだのです

Mining the subatomic realm makes for complex, expensive, and risky engineering.

このような亜原子領域の エネルギー利用の先には

複雑で高価、リスクのある技術が 待ち受けているのです