原子力発電の仕組み：加圧水型原子炉PWR

原子力発電の仕組み：加圧水型原子炉PWR

加圧水型原子炉とは

– 加圧水型原子炉とは加圧水型原子炉（PWR）は、現在、世界中で最も広く採用されている原子炉の形式です。その仕組みと特徴について詳しく見ていきましょう。PWRは、ウラン燃料の核分裂反応で発生する熱を利用して電気を作り出す発電方法です。火力発電所と同様に、蒸気の力でタービンを回転させて発電機を動かすという点では同じですが、PWRは石炭や石油ではなく、ウラン燃料の核分裂反応を熱源としている点が大きく異なります。PWRの心臓部には、核分裂反応が起こる原子炉圧力容器と、そこで発生した熱を水に移すための蒸気発生器があります。原子炉圧力容器内では、核燃料棒に中性子を当てて核分裂反応を起こし、膨大な熱エネルギーを生み出します。この熱は、加圧された高温・高圧の水によって蒸気発生器に運ばれ、そこで二次側の水に熱が伝達されて蒸気が発生します。発生した蒸気はタービンに送られ、タービンを回転させることで発電機が駆動し、電気が作られます。タービンで仕事をした蒸気は復水器で冷やされて水に戻り、再び蒸気発生器へと送られます。このように、PWRは熱源こそ違いますが、火力発電と同じように蒸気を利用した発電システムであると言えます。PWRは、原子炉圧力容器内の水が常に高圧に保たれているため、沸騰することなく高温を維持できるという特徴があります。これにより、効率的に熱エネルギーを取り出すことが可能となっています。

PWRの仕組み：一次冷却系統

加圧水型原子炉（PWR）の心臓部である炉心には、核分裂反応を起こす低濃縮ウラン燃料が、燃料集合体となって数多く並んでいます。この炉心内でウランの核分裂反応が連続的に起こることで、莫大な熱が生まれます。この熱を効率的に取り出すために、PWRでは高圧の軽水が冷却材として用いられています。
一次冷却系統と呼ばれるループ状の配管の中を、冷却材である軽水が循環し、炉心で発生した熱を吸収する仕組みです。配管内を循環する高温・高圧の冷却材は蒸気発生器に送られ、そこで自身の熱を二次冷却系統の水に移して蒸気を発生させます。
PWRでは冷却材である軽水の沸騰を防ぐため、100～160気圧という高い圧力をかけています。これは、水は圧力が高いほど沸点が上昇するという性質を利用したものです。このように、PWRの一次冷却系統は、原子炉の安全な運転において非常に重要な役割を担っています。

PWRの仕組み：二次冷却系統

加圧水型原子炉（PWR）の心臓部ともいえる一次冷却系統では、核分裂反応によって発生した熱を冷却材である水が吸収し、高温・高圧の状態になっています。この熱を安全かつ効率的に電力に変換するために、PWRは二次冷却系統と呼ばれる重要なシステムを備えています。

一次冷却系統の高温・高圧水は、蒸気発生器と呼ばれる巨大な熱交換器へと送られます。蒸気発生器内には、一次冷却系統とは完全に独立した二次冷却系統の水が流れています。高温の一次冷却材は、蒸気発生器内の多数の伝熱管の中を流れていきます。一方、二次冷却系統の水は、これらの伝熱管の外側を流れています。

この時、伝熱管を介して一次冷却材の熱が二次冷却系統の水に伝達されます。その結果、二次冷却系統の水は沸騰し、高温・高圧の蒸気を発生させます。重要なのは、この過程において一次冷却材と二次冷却材は直接接触することはないということです。これにより、放射能を含む一次冷却材が二次冷却系統に混入することを防ぎ、安全性を高めています。

PWRの仕組み：発電

加圧水型原子炉（PWR）は、水を冷却材として利用し、その熱で蒸気を発生させてタービンを回し、電力を生み出します。

原子炉内で発生した熱は、一次冷却水と呼ばれる水によって吸収されます。高圧に保たれた一次冷却水は、蒸気発生器へと送られます。蒸気発生器は、一次冷却水と二次冷却水の間で熱交換を行う装置です。一次冷却水の熱によって、二次冷却水は沸騰し、蒸気へと変化します。

こうして発生した高温高圧の蒸気は、タービンへと送られます。タービンは、蒸気の持つエネルギーを回転エネルギーに変換する装置です。タービンは複数の羽根車から構成されており、蒸気が羽根車に勢いよく吹き付けることで回転します。タービンが回転すると、その回転軸に連結された発電機も回転し、電力が発生します。

タービンを回転させた後の蒸気は、復水器へと送られます。復水器は、蒸気を冷却して水に戻す装置です。冷却された水は再び蒸気発生器へと戻され、再び蒸気へと変化します。このように、PWRでは、水を循環させて繰り返し利用することで、効率的に発電を行っています。

PWRの特徴と利点

– PWRの特徴と利点加圧水型原子炉、通称PWRは、原子力発電において世界中で広く採用されている炉型の一つです。その特徴と利点について詳しく見ていきましょう。PWRの最大の特徴は、一次冷却材と二次冷却材が完全に分離されている点にあります。原子炉で発生した熱は、まず一次冷却材である水によって運ばれます。この水は高圧に保たれているため、高温になっても沸騰することなく、炉心で発生した熱を効率的に吸収します。その後、一次冷却材は蒸気発生器へと送られ、そこで二次冷却材である水に熱を伝えます。二次冷却材はこの熱によって蒸気へと変化し、タービンを回して発電を行います。このように、PWRは一次冷却材と二次冷却材を分離することで、放射性物質を含む一次冷却材が二次冷却系統や外部に漏れるリスクを大幅に低減しています。また、PWRは一次冷却材に高い圧力をかけることで、水の沸点を上昇させています。これにより、炉心が高温になっても冷却材が沸騰しにくく、安定した運転が可能となります。さらに、PWRは世界中で長年の運転実績があり、その安全性と信頼性はすでに実証済みです。これらの利点から、PWRは現在最も普及している原子炉型の一つとなっています。