エネルギー源としてのBWR：沸騰水型原子炉

エネルギー源としてのBWR：沸騰水型原子炉

沸騰水型原子炉とは

– 沸騰水型原子炉とは沸騰水型原子炉（BWR）は、アメリカのゼネラル・エレクトリック社によって開発された原子炉です。原子炉の内部では、ウラン燃料が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。この熱エネルギーを使って水を沸騰させ、発生した蒸気でタービンを回転させることで発電するのが、沸騰水型原子炉の特徴です。BWRは、火力発電所と同じように蒸気の力で発電するため、構造が比較的単純で分かりやすいというメリットがあります。火力発電所との違いは、熱源が石炭などの燃料を燃やすのではなく、ウラン燃料の核分裂反応である点です。原子炉の中で発生した蒸気は、タービンに送られ回転エネルギーに変換されます。その後、蒸気は復水器で冷やされて水に戻り、再び原子炉に戻されます。このサイクルを繰り返すことで、安定的に電力を供給することができます。BWRは、世界中で広く採用されている原子炉形式の一つであり、安全性や信頼性についても高い評価を得ています。しかし、福島第一原子力発電所事故のような重大事故のリスクもゼロではありません。そのため、更なる安全性向上に向けた研究開発や技術革新が常に求められています。

軽水炉の一種

沸騰水型原子炉（BWR）は、軽水炉と呼ばれる種類の原子炉に分類されます。軽水炉とは、読んで字のごとく、普通の水、つまり軽水を使用する原子炉のことです。水を減速材と冷却材の両方に使用し、燃料には低濃縮ウランを用います。
BWRは、もう一つの軽水炉である加圧水型原子炉（PWR）と比較して、構造が単純であるという特徴があります。 PWRでは、原子炉内で発生した熱を高温高圧の水が運び、蒸気発生器で二次系の水に熱を渡して蒸気を発生させますが、BWRでは原子炉内で直接蒸気を発生させます。そのため、BWRはPWRよりもシステム全体がコンパクトになり、建設費を抑えられるというメリットがあります。
しかし、BWRは原子炉内で放射性物質を含む蒸気を発生させるため、放射線管理の面でより高度な技術が求められます。また、PWRに比べて出力調整の自由度が低いという側面もあります。

熱中性子炉

– 熱中性子炉

沸騰水型原子炉（BWR）は、熱中性子炉という種類の原子炉です。原子炉はウランの核分裂という現象を利用して莫大なエネルギーを生み出します。ウランの原子核に中性子と呼ばれる粒子がぶつかると、ウランの原子核は分裂して莫大なエネルギーと新たな中性子を放出します。この現象が連鎖的に起きることで、熱を発生させ続けることができるのです。

熱中性子炉は、この連鎖反応を起こすために「熱中性子」と呼ばれる特別な中性子を利用します。中性子は、周りの物質とぶつかりながら速度を落とす性質があります。生まれたばかりの中性子は非常に高速で、ウランの原子核にうまくぶつかることができません。そこで、原子炉の中には水などの物質を満たし、中性子の速度を落とすことでウランとの反応確率を高めているのです。この速度を落とした中性子のことを「熱中性子」と呼びます。

熱中性子は、ウランとの反応確率が高いため、効率的にエネルギーを生み出すことができます。そのため、熱中性子炉は現在世界中で広く利用されています。BWRもこの熱中性子炉の仲間であり、高い安全性を持ちながら効率的にエネルギーを生み出すことができる原子炉として、世界中で活躍しています。

燃料

原子力発電所の中心で熱を生み出す燃料。沸騰水型原子炉（BWR）では、低濃縮ウランが主に用いられています。天然のウランには、核分裂を起こしやすいウラン235と、そうでないウラン238が混在しています。このうち、ウラン235の割合を3～5%程度に高めたものが低濃縮ウランです。原子炉内で安定して核分裂反応を継続させるためには、この濃度が最適なのです。
近年、BWRで注目されているのが、ウランとプルトニウムの混合酸化物燃料（MOX燃料）です。プルトニウムは、ウラン238が中性子を吸収することで生成されます。MOX燃料は、このプルトニウムを有効活用できるという点で、資源の有効利用に大きく貢献する燃料と言えるでしょう。

直接サイクル

– 直接サイクル沸騰水型原子炉（BWR）は、原子炉で発生させた蒸気を直接タービンに送り込み、タービンを回転させて発電する「直接サイクル」という方式を採用しています。これは、BWRの大きな特徴の一つと言えるでしょう。一方、加圧水型原子炉（PWR）は、「間接サイクル」と呼ばれる方式を採用しています。PWRでは、原子炉内の水は高温高圧に保たれ、この熱を別の水回路に伝えます。そして、この二次側の水回路で蒸気を発生させ、タービンを回転させて発電します。BWRで採用されている直接サイクルは、PWRの間接サイクルと比べて、構造がシンプルであるというメリットがあります。これは、蒸気発生器のような大型の機器が不要となるためです。また、直接サイクルは、熱を伝える過程が少ないため、熱効率が高いという利点もあります。効率的な発電は、エネルギー資源の有効活用という観点からも重要です。しかし、直接サイクルは、タービンや配管などに放射性物質を含む蒸気が直接流れるため、放射線管理の面でより注意が必要となります。

放射線遮へいの必要性

– 放射線遮へいの必要性沸騰水型原子炉（BWR）と呼ばれる種類の原子炉では、原子炉で発生した蒸気を直接タービンに送り込んで発電を行う「直接サイクル」という方式を採用しています。これは、高い熱効率を実現できる一方、タービンや配管などの機器に放射性物質を含む蒸気が直接触れることになります。これにより、運転中の機器周辺はもちろんのこと、定期的な保守点検の際にも、作業員が放射線に被ばくするリスクが生じます。そこで、人体への悪影響を低減するために、放射線を遮る工夫が必須となります。具体的には、タービンや配管など、放射性物質を含む蒸気に触れる機器は、厚さ数センチから数十センチにも及ぶ鉄筋コンクリートや鉛、水などを用いた頑丈な遮へい構造で囲まれています。これらの遮へい構造は、放射線の種類やエネルギーに応じて適切な材料や厚さが選択され、人体への影響を可能な限り抑えるように設計されています。さらに、定期的な保守点検の際には、事前に作業区域の放射線量を測定し、遮へい体の設置や作業時間・人数の制限、放射線防護具の着用など、作業員の安全を確保するための様々な対策が講じられます。このように、原子力発電所では、発電のあらゆる段階において、放射線の人体への影響を最小限に抑えるための対策が徹底されているのです。