やさしい物理講座ｖ68「核ごみの有効活用の研究開発の必要性」

以前のブログでも再三掲載した。
核分裂生成物の解決法　 副題　放射線（α・β・γ）発電の提言｜tsukasa_tamura (note.com)
「核のごみ」の最終処分場の選定で騒がれているが、「核ごみ」を資源として有効活用できるように研究開発すべきであると考える。
中国では研究開発中の「原子力電池、放射線β」の報道記事を紹介した。
「核ごみ」と忌み嫌うのではなく「資源」と重宝がられる日が到来することを切に望んでいるのである。今回はそのような報道記事と提言を紹介する。

　　　　　皇紀2684年5月15日
　　　　　さいたま市桜区
　　　　　理論物理研究者　田村　司

【速報】核のごみ最終処分場の「文献調査」 町議会の全員協議会が終了 玄海町長は午前11時半からの記者会見で説明へ 佐賀

FBS福岡放送 によるストーリー

原発から出るいわゆる「核のごみ」の最終処分場選定を巡り、佐賀県の玄海町長は10日午前11時半から会見を開きます。調査の第1段階となる「文献調査」を受け入れるかどうかの判断について説明するものとみられます。

佐賀・玄海町議会 FBS福岡放送© FBS福岡放送

玄海町議会は10日午前10時から全員協議会を開き、脇山伸太郎町長が出席しました。

全員協議会は非公開で行われ、10分程度で終了しました。この場で、脇山町長は議員に対し、原発から出る高レベル放射性廃棄物、いわゆる”核のごみ”の最終処分場を選ぶための文献調査を受け入れるかどうかについて、説明したものとみられます。

全員協議会は非公開で行われた FBS福岡放送© FBS福岡放送

調査の第1段階となる文献調査を巡っては、町議会ですでに調査への応募を求める請願が賛成多数で採択され、経済産業省も町に対して調査を受け入れるよう申し入れていました。

佐賀・玄海町は原発の立地自治体 FBS福岡放送© FBS福岡放送

文献調査を受け入れた場合、北海道の寿都町（すっつちょう）と神恵内村（かもえないむら）に続き、玄海町が全国3例目で原発が立地する自治体では初めてとなります。

脇山町長は午前11時半から記者会見を開き、文献調査の受け入れるかどうかの判断と、その理由について説明する見通しです。

放射線（α・β・γ）発電の提言

　⑴、太陽光発電技術の応用と新技術開発の必要性

光電効果のE=ℎνからわかるようにガンマー線を電気エネルギに変換する技術の開発。
現在、原子力発電というと聞こえがよいが実体の原理は火力発電と変わらない。しかも発生した熱効率も３０％程度のようす。また夜間は発電されても消費されない。
今回の提言は、核反応から発生するガンマー線エネルギーを電気エネルギーに変換する応用技術の開発。

「太陽光発電システム」では、シリコン半導体に光が当たると電気が発生する現象を利用し、太陽の「光エネルギー」（可視光）を直接「電気エネルギー」に変換して活用します。原理は電気的な性質が異なるN型半導体とP型半導体を重ね合わせて光を当てると、接合面を境にN型側に電子（－）、P型側に正孔（＋）が集まるという性質を活用し、それぞれの電極をつなぐことで電気が流れる仕組みを作り出している。

太陽電池モジュールの発電によって生まれる直流電力は、パワーコンディショナによって、一般に利用できる交流電力（電力会社が供給するのと同じ）に変換されます。「太陽光発電システム」には、商用の電力線とつなげる「系統連系システム」と、発電した電気をバッテリーに蓄えたり、そのままで使う「独立電源システム」がある。

　⑵、熱電対の原理（ゼーベック効果）と「ペルチェ素子による冷却と発電」

1821年、ドイツ人科学者ゼーベック（T.J.Seebeck）が、2つの異なる金属をつなげて、両方の接点に温度差を与えると、金属の間に電圧が発生し、電流が流れることを発見しました。

この現象を発見者の名前をとって「ゼーベック効果」と言います。この回路に電流を起こさせる電力を熱起電力（Thermoelectromotive force）と呼ばれ、その極性と大きさは2種類の導体の材質と両端の温度差のみによって定まることが確認されています。核分裂による熱反応はこれの方法により電気エネルギーに変換可能である。

熱電対は前述のゼーベック効果により、2種類の金属の接合部（測温接点）T1の温度と計測器側接点（基準接点）T0の温度差Tによる電圧を発生します。

ペルチェ素子は直流電流を流すことにより、一方の面から他方の面に熱を移動させる効果のある熱電変換デバイスで、冷却と加熱及び温度制御をおこなうことができる半導体素子（６００円から２０００円）です。

ペルチェ効果：２つの異なる金属を電気的に直列に結合して直流電流を流すとその結合部分にジュール熱以外の吸熱及び発熱が発生する現象。

原理：ｐ型の熱電半導体とｎ型の熱電半導体を銅電極で接合し、ｎ型から直流電流を流すと上側の接合面から下側の接合面へ熱を運びます。また電源の極性を逆にすることにより、熱の移動方向も逆になるので冷却・加熱を完全に逆転することが可能です。

ペルチェ素子（熱電発電）はペルチェ効果の逆反応であるゼーベック効果を利用して、熱（温度差）を利用して電気をつくることができる。

核反応の熱で高熱の水蒸気でタービンを回すことによる発電方法より、緩やかな発熱による温度差で発電できるのである。核分裂生成物による発熱、ガンマー線、などの放射線は、「核ごみ」として地中に保存（廃棄）することなく、半減期の期間はエネルギーに変換できる資源として、「核ごみ」は取り扱うことが、有効な資源活用であると吾輩は強く思う。

充電不要スマホ実現へ。中国、50年間発電し続ける民生向け「原子力電池」を開発

• 2024年1月12日 13:42

• 劉 尭

　中国・北京貝塔伏特新能科技有限公司は8日(現地時間)、民生向けとしては初めて実用化できるレベルの小型化/モジュール化/低価格化を実現した「原子力電池(中国語では原子能電池)」の開発に成功したと発表した。この原子力電池は50年間の安定した発電が可能としており、充電、メンテナンスが一切不要。既にテスト段階に入っており、もうまもなく市場向けに投入できる。

　原子力電池は放射性電池などとも呼ばれ、半減期の長い放射性元素が放出するエネルギーを半導体変換器を用いて電気に変換する。
　米国やロシアなどでは開発が進んでいるのだが、宇宙開発などに使われている程度だった。

　同社の原子力電池は初の民生向けとなっており、放射性同位体ニッケル63から発せられるベータ粒子を用いている。
2枚の厚さ10μmの単結晶ダイヤモンド半導体でそのニッケル63を挟み込むモジュール構造を採用。モジュールとなっているため、数個もしくは数百個でユニットを作成し、直列または並列でつなぐことで、異なるサイズ、異なる出力を持つ電池を作成できるという。

　最初の製品は「BV100」という名前で、世界初のコンシューマ向け原子力電池となる。電圧は3V、出力は100μWと小さいが、本体サイズはわずか15×15×5mmでコイン1枚よりも小さい。常に電気を発しており、毎日8.64J(ジュール)、毎年3,143Jのエネルギーを発することができる。

　2025年には1Wの製品を予定しており、法律および政策的に問題がなければ、「(事実上)永遠に充電する必要がないスマートフォン」や「(事実上)永遠に飛び続けられるドローン」も実現できるとしている。

　原子力電池は物理電池でも化学電池でもないため、リチウムイオン電池の10倍以上の容量密度を実現できる。1gの中に3,300mWhの容量を凝縮でき、発火しない、爆発しない、充電サイクルを持たないといった特性も持つ。さらに、周囲の環境や負荷による劣化も少なく、-60～120℃の環境で正常に動作し、自己放電も発生しないといった特性を持つ。

　また、外部に対して放射性物質を出すこともないため、人工の心臓や渦巻管といった医療機器にも応用可能。ニッケル63は壊変で最終的に銅の安定した同位体となり、一切の放射性を持たず、自然や環境への脅威にもならないとしている。

　今回の製品は原子力電池ならびにダイヤモンド半導体の2つの分野でブレイクスルーで実現したとして、欧米企業を「遥遥領先(圧倒的にリードの意、HuaweiのMate 60 Proの発表会で使われ、中国では一躍トレンドワードとなった)」したと謳う。PCT国際特許の取得を進めているほか、ストロンチウム90、プロメチウム147、重水素といった同位体を用いた電池の開発も進め、より高効率だが寿命が2～30年程度の原子力電池の開発も進めるとしている。【17時14分訂正】記事初出時、半減期についての記述に誤りがございました。お詫びして訂正します。

参考文献・参考資料

【速報】核のごみ最終処分場の「文献調査」 町議会の全員協議会が終了 玄海町長は午前11時半からの記者会見で説明へ 佐賀 (msn.com)

やさしい物理講座ⅴ62「中国で開発の原子力電池は放射線βで発電か？」｜tsukasa_tamura (note.com)

充電不要スマホ実現へ。中国、50年間発電し続ける民生向け「原子力電池」を開発 - PC Watch (impress.co.jp)

核分裂生成物の解決法　 副題　放射線（α・β・γ）発電の提言｜tsukasa_tamura (note.com)