加圧水型軽水炉：エネルギー源の主力

加圧水型軽水炉：エネルギー源の主力

原子力発電の仕組み

原子力発電は、ウランという物質が持つ巨大なエネルギーを利用して電気を起こす仕組みです。ウランの原子核は、中性子と呼ばれる小さな粒子がぶつかると分裂し、その際に莫大な熱エネルギーを放出します。この現象を核分裂と呼びます。原子力発電所では、この核分裂反応を人工的に制御しながら継続的に起こさせることで、膨大な熱エネルギーを得ています。

原子炉と呼ばれる巨大な施設の中で、ウラン燃料は燃料集合体として格納され、核分裂反応が制御されています。核分裂で発生した熱は、周囲の水を沸騰させて高温高圧の蒸気を発生させます。この蒸気の勢いは凄まじく、タービンと呼ばれる巨大な羽根車を回転させるのに十分な力を持っています。タービンは発電機と連結しており、タービンが回転することで発電機も回転し、電気が生み出されます。

火力発電も、燃料を燃やして熱を作り、蒸気でタービンを回して発電する点は同じです。しかし、原子力発電は、石炭や石油の代わりにウランを燃料とし、核分裂という全く異なる方法で熱を生み出す点が大きく異なります。火力発電と比べて、原子力発電は、同じ量の燃料から桁違いに多くのエネルギーを取り出せるという利点があります。

加圧水型軽水炉とは

– 加圧水型軽水炉とは

加圧水型軽水炉（PWR）は、現在世界で最も広く採用されている原子炉の形式です。その名の通り、水を冷却と中性子の速度を調整する減速材の両方に利用しています。

原子炉の中では、ウラン燃料が核分裂反応を起こして膨大な熱を発生します。この熱を効率よく取り出すために、PWRでは高圧の水を循環させています。具体的には、約150気圧という非常に高い圧力をかけることで、水は沸騰することなく300度以上の高温でも液体状態を保ちます。

炉心で熱せられた水は、一次冷却系統と呼ばれる配管の中を循環します。高温高圧の水は次に蒸気発生器に送られ、そこで熱交換により二次冷却系統の水を沸騰させて蒸気を発生させます。発生した蒸気はタービンを回し、発電機を駆動することで電力を生み出します。

PWRの特徴である高圧の水を利用する設計は、水の状態変化を抑えることで安定した運転を実現できるという利点があります。また、一次冷却系統と二次冷却系統を分離することで、放射性物質の拡散を抑制する効果も期待できます。このような特徴から、PWRは安全性と信頼性の高い原子炉として、世界中で広く利用されています。

二つの冷却系統

加圧水型原子炉（PWR）には、一次冷却系統と二次冷却系統という、役割の異なる二つの冷却系統が備わっています。この二つの冷却系統は、互いに独立して機能しており、原子炉の安全運転に重要な役割を果たしています。

一次冷却系統は、原子炉の心臓部である炉心で発生した熱を効率的に取り除く役割を担っています。高圧に保たれた冷却水は、炉心内を循環しながら核分裂反応で生じた熱を吸収し、高温高圧の状態になります。この高温高圧の冷却水は、蒸気発生器へと送られます。

二次冷却系統は、一次冷却系統とは完全に分離されています。蒸気発生器において、一次冷却系統の高温水は、二次冷却系統の冷却水と熱交換を行います。この熱交換により、二次冷却系統の冷却水は沸騰し、高温高圧の蒸気を発生させます。こうして作られた蒸気は、タービンへと送られ、タービンを高速回転させます。タービンに連結された発電機は、この回転エネルギーを利用して電気を作り出します。

このように、PWRでは二つの冷却系統を分離することにより、放射性物質を含む可能性のある一次冷却水が、二次冷却系統やタービンに混入することを防いでいます。これは、万が一、炉心で異常が発生した場合でも、放射性物質の拡散を最小限に抑え、環境への影響を低減するための重要な安全対策となっています。

安全性への配慮

原子力発電所における安全確保は最も重要な課題であり、その中でも加圧水型原子炉（PWR）は、多重の安全装置を備えることで、高い安全性を追求しています。

炉心における異常な反応の発生をいち早く検知し、核分裂反応を制御するために、制御棒が重要な役割を担っています。制御棒は中性子を吸収する性質を持つ物質で作られており、異常事態発生時には自動的に炉心に挿入されます。これにより、核分裂反応の連鎖を効果的に抑制し、反応を穏やかな状態へと導きます。

さらに、PWRは、一次冷却系統に加えて、緊急時冷却系統と呼ばれる予備の冷却システムを備えています。一次冷却系統は、原子炉で発生した熱を常に運び出す役割を担っていますが、万が一、冷却材の喪失やポンプの故障などにより一次冷却系統が機能しなくなった場合でも、緊急時冷却系統が作動します。緊急時冷却系統は、炉心に冷却水を注入することで、炉心の温度上昇を抑え、炉心溶融といった深刻な事故の発生を防止します。

このように、PWRは、多重の安全装置を備えることで、高い安全性を確保し、人々と環境を守っています。

エネルギー源としての将来性

エネルギー源としての将来性について考えていきましょう。現在、地球温暖化の主な原因とされる二酸化炭素の排出量削減が世界的な課題となっています。その中で、発電時に二酸化炭素を排出しない原子力発電は、地球環境保護の観点から非常に重要な役割を担うと期待されています。中でも、加圧水型原子炉（PWR）は、世界で最も多く採用されている原子炉形式であり、その安全性と信頼性の高さから、今後もエネルギー供給の重要な柱として活躍が期待されています。PWRは、ウラン燃料を効率的に利用できるため、資源の有効活用にも貢献します。また、運転コストが比較的安価であることも大きなメリットです。エネルギー資源の多くを輸入に頼る我が国にとって、エネルギーの安定供給を確保する上でも、PWRの重要性はますます高まっています。さらに、PWRは技術革新が進んでいる分野でもあります。より安全性と経済性を高めた新型炉の開発も進んでおり、将来のエネルギー需要を満たすための切り札として期待されています。 原子力発電は、地球温暖化問題やエネルギー安全保障といった課題を解決する有効な手段となります。私たちは、原子力発電の持つ可能性を最大限に活かし、持続可能な社会の実現に向けて努力していく必要があります。