原子炉の安全を守る:受動的崩壊熱除去とは

原子炉の安全を守る:受動的崩壊熱除去とは

原子炉停止後の熱

原子炉は運転を停止した後も、核分裂生成物と呼ばれる物質から熱が発生し続けます。これは、ウランなどの核燃料が核分裂した後も、不安定な状態の物質が残り、それが安定な状態に戻ろうとする際に熱を放出するためです。この熱を崩壊熱と呼びます。

崩壊熱は、原子炉の運転時と比べると量は少なくなりますが、決して無視できるものではありません。原子炉が停止した直後には、運転時の数パーセント程度の熱が発生しており、時間の経過とともに徐々に減少していきます。しかし、完全に崩壊熱がなくなるまでには、非常に長い時間がかかります。

もし、崩壊熱を適切に冷却できなかった場合、原子炉内の温度が上昇し、最悪の場合には炉心溶融などの深刻な事故につながる可能性があります。そのため、原子炉には、停止後も冷却水を循環させるなど、崩壊熱を安全に除去するためのシステムが備わっています。このシステムは、非常用電源からも電力を供給できるようになっており、停電時でも機能するように設計されています。

崩壊熱除去の重要性

原子力発電所では、ウランなどの核燃料が核分裂反応を起こす際に莫大なエネルギーを生み出します。このエネルギーを利用してタービンを回し、電気を発電していますが、核分裂反応は原子炉を停止した後も完全に止まるわけではありません。燃料の中には、まだ不安定な状態の物質が残っており、それらが安定な状態に戻ろうとする過程で熱を発生し続けます。この熱を崩壊熱と呼びます。
崩壊熱は、運転中の原子炉が出す熱に比べると量は少ないものの、時間とともにゆっくりと減っていく性質があります。そのため、原子炉の運転を停止した後も、長期間にわたって適切に冷却し続ける必要があります。もし、崩壊熱をきちんと取り除くことができなければ、炉心の温度が上昇し、最悪の場合には燃料が溶け落ちるメルトダウンを引き起こす可能性もあります。
崩壊熱を安全に除去するために、原子力発電所には多重化された冷却システムが備わっています。通常運転時には、原子炉冷却系統と呼ばれる主要なシステムが冷却材を循環させて炉心を冷却しています。しかし、万が一、冷却材ポンプが故障するなどして原子炉冷却系統が機能しなくなった場合でも、崩壊熱除去系（余熱除去系）と呼ばれるバックアップシステムが自動的に作動して炉心を冷却し、安全を確保する仕組みになっています。このように、原子炉の安全を守るためには、崩壊熱を適切に除去することが非常に重要であり、多重化された冷却システムが重要な役割を担っています。

受動的崩壊熱除去の仕組み

– 受動的崩壊熱除去の仕組み原子炉は停止した後も、核分裂生成物の崩壊によって熱が発生し続けます。これを崩壊熱と呼びますが、この熱は適切に処理しなければ炉心の損傷を引き起こす可能性があります。そこで重要なのが崩壊熱除去システムです。崩壊熱除去システムには、ポンプなどの動力を必要とする能動的なシステムと、自然の法則を利用した受動的なシステムがあります。受動的崩壊熱除去システムは、その名の通り、外部からの電力供給や人の手を借りずに、自然の力だけで崩壊熱を除去する仕組みです。例えば、高速炉と呼ばれるタイプの原子炉では、冷却材として液体ナトリウムが使われています。このナトリウムを用いて、受動的崩壊熱除去を実現しています。高速炉の炉心は、大型の容器（ガードベッセル）の中に設置されています。炉心で発生した崩壊熱は、まず周囲のナトリウムを加熱します。すると、温まったナトリウムは密度が低くなるため上昇し、冷たいナトリウムは密度が高いため下降します。この自然な流れによって、ナトリウムの循環が発生します。高温のナトリウムは、循環しながらガードベッセルの上部へと移動し、そこで設置された熱交換器を通して外部の空気または水に熱を伝えます。こうして、外部からの電力供給や人の操作を必要とせずに、炉心で発生した崩壊熱を持続的に取り除くことが可能となります。受動的崩壊熱除去システムは、その単純さゆえに信頼性が高く、事故時にも安定して機能することが期待されています。そのため、将来の原子力発電において重要な役割を担うと考えられています。

安全性向上への貢献

– 安全性向上への貢献
原子力発電所の安全性を高めるために、事故時に原子炉から発生する熱を安全に除去するシステムは非常に重要です。近年注目されているのが、受動的崩壊熱除去システムです。

このシステムは、従来のシステムとは異なり、ポンプや弁などの能動的な機器を必要とせず、自然の力である重力や熱の移動などを利用して冷却を行います。そのため、機械の故障や操作員のミスなど、人的要因に左右されずに機能するという大きな利点があります。

さらに、受動的崩壊熱除去システムは、外部からの電力供給を必要としません。これは、地震や津波などによる外部電源喪失時にも、原子炉を安定して冷却し続けることができることを意味します。

福島第一原子力発電所事故では、電源喪失によって冷却機能が失われたことが、事故の拡大に繋がりました。受動的崩壊熱除去システムは、このような過酷事故発生の可能性を低減し、原子力発電所の安全性を大幅に向上させるために期待されています。

今後の展望

– 今後の展望原子力発電所の安全性をさらに高めるためには、事故発生時に炉心を冷却し続けることが何よりも重要です。そのための技術として、受動的崩壊熱除去システムが注目されています。このシステムは、ポンプや電源などの外部からの動力に頼らずに、自然の力（重力や対流など）を利用して炉心の熱を外部へ逃がす仕組みです。従来の原子力発電所では、非常用ディーゼル発電機など外部からの電力供給に依存した能動的な冷却システムが主流でした。しかし、福島第一原子力発電所事故では、津波による浸水で電源が喪失し、冷却機能が停止したことが被害を拡大させる要因となりました。これを教訓に、外部からの電力供給や人的操作を必要としない、より信頼性の高い受動的崩壊熱除去システムへの期待が高まっています。現在、このシステムは高速炉だけでなく、現在主流となっている軽水炉など、様々なタイプの原子炉への適用が検討されています。受動的崩壊熱除去システムの技術開発がさらに進み、実用化が進めば、原子力発電はより安全で安心できるものになるでしょう。将来的には、この技術が世界中の原子力発電所で標準的に採用され、原子力発電に対する社会の信頼回復にも大きく貢献することが期待されています。