沸騰水型原子炉：エネルギーを生み出す仕組み

沸騰水型原子炉：エネルギーを生み出す仕組み

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。原子炉内では、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発生します。この熱エネルギーを利用して水を沸騰させ、発生した蒸気でタービンを回転させて発電するというのが、沸騰水型原子炉の基本的な仕組みです。

沸騰水型原子炉の特徴は、原子炉で発生させた蒸気を直接タービンに送るところにあります。これは、加圧水型原子炉と異なり、蒸気発生器を必要としないため、構造がシンプルになるという利点があります。しかし、タービンに放射性物質を含む蒸気が直接送られるため、放射線管理の面で注意が必要となります。

沸騰水型原子炉は、世界中で広く採用されている原子炉形式の一つであり、日本でもいくつかの発電所で稼働しています。シンプルな構造と高い運転実績を持つ反面、放射線管理の課題も抱えているため、今後の安全性向上に向けた技術開発が期待されています。

軽水炉の一種

原子力発電所で使われている原子炉には、様々な種類がありますが、その中で最も広く普及しているのが軽水炉です。軽水炉は、読んで字の如く、私たちが普段生活の中で使っている水と同じ、普通の水を冷却材と減速材の両方に使用する原子炉のことを指します。

冷却材は、原子炉内で発生した熱を運び出す役割を担い、減速材は核分裂反応で発生する中性子の速度を遅くする役割を担います。中性子の速度を遅くすることでウラン燃料との核分裂反応をより効率的に起こすことができるため、減速材は原子炉にとって非常に重要な役割を担っていると言えます。

この軽水炉の中には、大きく分けて二つの種類があります。加圧水型原子炉と沸騰水型原子炉です。 沸騰水型原子炉は、軽水炉の中でも、原子炉容器内で冷却水が沸騰するのが特徴です。原子炉内で発生した熱によって水が沸騰し、発生した蒸気はタービンを回し発電機を動かします。その後、蒸気は冷却されて再び水に戻り、原子炉へと戻っていくというサイクルを繰り返します。

このように、沸騰水型原子炉は、水を冷却材と減速材に利用し、原子炉内で水を沸騰させることで効率的にエネルギーを生み出す原子炉です。

燃料と熱の取り出し

原子力発電所の心臓部である原子炉には、燃料が欠かせません。 沸騰水型原子炉では、ウランを濃縮させた燃料を小さなペレット状に加工し、それを束ねた燃料集合体を原子炉に挿入して使用します。
燃料集合体の中で、ウランは核分裂反応を起こします。 この反応によって莫大なエネルギーが熱として発生し、原子炉内の温度は非常に高くなります。
この熱を安全に取り出すために、原子炉内では常に冷却水が循環しています。 冷却水は原子炉の炉心を流れながら、核分裂反応で発生した熱を吸収します。 沸騰水型原子炉の場合、冷却水は原子炉内で直接沸騰し、高温高圧の蒸気へと変化します。
この高温高圧の蒸気は、原子炉から取り出され、タービンと呼ばれる装置へと送られます。 タービンは蒸気の力で回転し、その回転エネルギーが発電機に伝えられることで、最終的に電気エネルギーが作り出されます。

単純な構造

– 単純な構造沸騰水型原子炉は、加圧水型原子炉 (PWR) と呼ばれる別の軽水炉と比較して、構造が単純であるという特徴があります。

PWRでは、原子炉で発生した熱を、別の場所にある蒸気発生器へと運び、そこで二次冷却水と呼ばれる水を加熱して蒸気を発生させます。そして、その蒸気の力でタービンを回転させて発電を行います。そのため、PWRでは、原子炉とタービンの間に巨大な蒸気発生器が必要となります。

一方、沸騰水型原子炉では、原子炉内で発生させた蒸気を直接タービンに送り込んで回転させるため、蒸気発生器そのものが不要となります。これにより、システム全体がシンプルになり、設備の規模も縮小できるというメリットが生まれます。

放射線遮蔽の必要性

原子力発電所では、ウラン燃料の核分裂反応を利用して熱エネルギーを生み出し、タービンを回転させて発電を行います。この過程で、ウラン燃料からは放射線の一種であるガンマ線や中性子線などが放出されます。
沸騰水型原子炉の場合、原子炉で発生させた蒸気を直接タービンに送るため、タービンや配管などに放射性物質が付着し、これらの機器自体が放射線を出すようになります。
このため、タービンや配管の点検や修理など、保守管理を行うには、作業員が放射線を浴びる可能性があります。作業員の安全を確保し、放射線被ばくによる健康への影響を防ぐためには、放射線を遮断あるいは低減する設備、すなわち放射線遮蔽が不可欠となるのです。
さらに、放射線遮蔽は、原子力発電所だけでなく、周辺環境への放射線の影響を最小限に抑える上でも重要な役割を担っています。原子力発電所は、周辺環境への放射線影響を法律で定められた基準値以下に抑えるように設計・運転されていますが、放射線遮蔽は、この基準をクリアし、周辺住民の安全を守るための重要な設備と言えるでしょう。