原子炉の静寂から目覚め：中性子源領域

原子炉の静寂から目覚め：中性子源領域

原子炉起動の鍵、中性子源領域

原子炉の出力を変化させる様子は、まるで夜明け前から太陽が燦々と輝き昼間になるまでのように、徐々に変化していきます。静かな闇夜に包まれた原子炉を目覚めさせる最初の段階、それが「中性子源領域」です。

原子炉は停止状態からいきなり最大出力になるわけではありません。原子炉内の核分裂反応は、中性子と呼ばれる粒子がウランなどの核燃料に衝突することで始まり、さらに中性子を放出して連鎖的に反応が進んでいきます。しかし、停止状態の原子炉内には、この核分裂反応を引き起こすのに十分な中性子が存在しません。

そこで、「中性子源」を用いて原子炉内に中性子を注入し、核分裂反応を促します。中性子源から供給される中性子によって、わずかながら核分裂反応が始まり、徐々に中性子の数が増えていきます。この、中性子源によって原子炉内の出力レベルをゆっくりと上昇させていく領域が「中性子源領域」と呼ばれます。

原子炉の出力はこの中性子源領域から始まり、徐々に上昇していきます。そして、中性子源からの供給がなくても自ら安定して核分裂反応を維持できる状態へと移行していきます。原子炉の出力変化を朝日に例えるなら、「中性子源領域」はまさに夜明け前にほのかに明るくなっていく、そんな最初の瞬間を捉えていると言えるでしょう。

中性子源が支配する世界

– 中性子源が支配する世界
原子炉の運転サイクルにおいて、出力運転に至るまでの道のりは、様々な段階を経て進みます。その中でも、原子炉がまるで深い眠りからゆっくりと目覚めるように、ゆっくりと出力を上げていく段階があります。この段階は、「中性子源領域」と呼ばれ、原子炉自身が発する力よりも、外部から与えられる力が支配的な、特殊な領域です。

原子炉の心臓部である炉心には、核燃料としてウランやプルトニウムが使われています。これらの物質は、自然の状態でもごく稀に核分裂を起こし、中性子を放出しています。これが「自発核分裂」と呼ばれる現象です。しかし、この自発核分裂によって生じる中性子の数は非常に少なく、原子炉を動かすには全く足りません。そこで、原子炉の起動時には、「中性子源」と呼ばれる装置を用いて、外部から中性子を供給します。

中性子源領域では、この中性子源から放出される中性子が主役となり、原子炉内の核分裂反応を緩やかに誘発していきます。この段階における中性子の量は、毎秒毎平方センチメートルあたりわずか10のマイナス1乗個から10の5乗個程度と、極めて微量です。これは、例えるなら、静かな湖面に小石を投げ入れた時に発生する、穏やかな波のようなものです。この段階では、原子炉はまだ眠りから覚めたばかりであり、その莫大なエネルギーは、まだその片鱗すら見せていません。

出力領域へのステップ

原子炉は、まるで静かな状態から力強く動き出す機械のように、段階的に出力を上げていきます。この出力上昇過程は大きく分けて三つの段階に分けられます。

まずは「中性子源領域」です。ここは原子炉が眠りから覚め、微弱な中性子を発生させ始める段階です。この段階では、非常に感度の高い中性子検出器を用いて、注意深く中性子の発生状況を監視します。

次の段階は「中間出力領域」です。この段階では、原子炉の出力が徐々に上昇し始めます。この段階は、原子炉が本格的な運転に向かうための準備段階とも言えます。ここでは、中性子源領域よりも高いレベルの中性子を監視できる検出器が使われます。

そして最終段階が「出力運転領域」です。この段階に入ると、原子炉は定格出力の約1％から最大120％までの広い範囲で出力を変化させることができます。これは、発電量の調整などを行う上で非常に重要な段階です。この段階では、広範囲の中性子束レベルに対応できる複数の検出器が配置され、常に原子炉の状態が監視されています。

このように、原子炉は段階的に出力を上昇させていきます。そして、それぞれの段階に応じて適切な中性子検出器が使用され、原子炉の安全運転が守られています。

安全な運転のための緻密な監視体制

原子力発電所の中心部には、膨大なエネルギーを生み出す原子炉が存在します。この原子炉を安全かつ安定的に運転するためには、核分裂反応の速度を調整する「制御棒」の操作が欠かせません。制御棒の操作は、原子炉内の中性子の量、すなわち「中性子束」を計測し、その変化を監視することによって行われます。
原子炉内の中性子束は、場所によって大きく異なるため、複数の計測器を組み合わせることで、広範囲にわたる中性子束レベルを正確に把握する必要があります。この計測システムは、まるでバトンリレーのように機能します。中性子数が少ない「中性子源領域」からスタートし、「中間領域」、「出力領域」へと、段階的に計測範囲を一部重複させながら、中性子束レベルの監視を途切れなく引き継いでいきます。
このように、緻密な監視体制を構築することで、原子炉の出力変化をスムーズかつ安全に行うことが可能となります。原子炉は、このシステムによって、私たちに安定したエネルギーを供給し続けているのです。