重水減速炭酸ガス冷却型炉：幻の原子炉

重水減速炭酸ガス冷却型炉：幻の原子炉

重水減速とガス冷却の融合

原子力発電所では、ウランの核分裂反応を利用して熱エネルギーを生み出し、発電を行っています。この核分裂反応を効率的に進めるためには、中性子の速度を適切に制御することが非常に重要です。中性子は原子核を構成する粒子のひとつで、電気的に中性であるため、他の物質と反応しにくい性質を持っています。しかし、中性子の速度が遅くなると、ウランの原子核に捕獲されやすくなり、核分裂反応を引き起こしやすくなります。
原子炉の中には、核分裂反応を制御するための様々な工夫が凝らされています。その中でも、中性子を減速させる役割を担うのが減速材、そして発生した熱を運び出す役割を担うのが冷却材です。
重水減速炭酸ガス冷却型原子炉（HWGCR）は、減速材として重水、冷却材として炭酸ガスを用いた原子炉です。重水は通常の軽水に比べて中性子の減速能力に優れており、天然ウラン燃料でも効率的に核分裂反応を持続させることができます。一方、炭酸ガスは化学的に安定で高温高圧に耐える性質を持つため、冷却材として適しています。このように、HWGCRは重水と炭酸ガス、それぞれの物質の利点を活かすことで、高い安全性と効率性を両立させた原子炉と言えます。

燃料チャンネル型の採用

– 燃料チャンネル型の採用

原子炉の形式の一つであるHWGCR（重水減速重水冷却型炉）には、燃料チャンネル型という独自の構造が採用されています。これは、原子炉の内部構造において、燃料棒を束ねた燃料集合体と、それを冷却するための冷却材である炭酸ガスが通る冷却管を、一つの燃料チャンネルとしてまとめ、多数配置する方式です。

この燃料チャンネルは、減速材である重水の中に浸されています。燃料チャンネル型を採用する利点は、減速材と冷却材の組み合わせに自由度を与える点にあります。HWGCRでは、減速材に重水、冷却材に炭酸ガスを使用していますが、燃料チャンネル型であれば、他の組み合わせも可能になります。

また、燃料チャンネル型は、現地での組み立てを容易にするという利点もあります。巨大な原子炉を工場で一体で製造して輸送することは困難ですが、燃料チャンネル型であれば、比較的小さな部品を現地に輸送し、組み立てて原子炉を建設することができます。

さらに、燃料チャンネル型は、燃料交換やメンテナンスを容易にするという利点もあります。燃料チャンネルは、原子炉から取り外すことができるため、燃料交換やメンテナンスを容易に行うことができます。これは、原子炉の稼働率向上に大きく貢献します。

イギリスでの開発と転換

– イギリスでの開発と転換イギリスでは、黒鉛減速材と炭酸ガス冷却材を用いた炉型(GCR、AGR)の開発が進展した後に、高温ガス炉(HWGCR)の開発に着手しました。しかし、イギリスはHWGCRの開発を早期に断念し、代わりに重水減速材と沸騰水を冷却材として採用した沸騰水型炉(SGHWR、「ふげん」と同じ型)の開発へと舵を切りました。この決定の背景には、沸騰水型炉が持つ安全性と経済性への期待が挙げられます。沸騰水型炉は、炉心で発生した熱を直接水に伝えて蒸気を発生させるため、蒸気発生器が不要となり、構造が簡素化されます。これにより、設備コストの低減や運転の効率化が期待できます。また、沸騰水型炉は、炉心冷却材の温度と圧力が比較的低いため、万が一の事故発生時でも、炉心損傷のリスクを低減できる可能性があります。このような利点を持つ沸騰水型炉に注目し、イギリスはHWGCRの開発を中止し、SGHWRの開発に資源を集中させる選択をしたと考えられます。これは、当時のイギリスが、原子力発電の安全性と経済性を両立できる炉型の開発を目指していたことを示しています。

各国での建設と閉鎖

イギリスで開発された高温ガス炉は、その後イギリスでの開発が中止されましたが、フランス、ドイツ、スロバキアといった国々で実際に建設されました。これは、当時のイギリスでは解決が難しかった技術的な課題を克服できる可能性があったこと、また、高温ガス炉が持つ安全性や効率性の高さに期待が集まったためと考えられます。
しかし、実際に建設された高温ガス炉の多くは、十分に運転されることなく閉鎖されてしまいました。これは、高温ガス炉の設計や運転には、従来の原子炉とは異なる専門知識や技術が必要とされること、建設や運転の費用が高額になる傾向があること、そして、軽水炉などの他の原子炉型が普及し、競争が激化したことなどが背景にあると考えられています。さらに、チェルノブイリ原子力発電所事故の影響もあり、原子力発電に対する世論が厳しくなったことも、高温ガス炉の普及を妨げる一因となった可能性があります。

幻の原子炉

– 幻の原子炉重水減速炭酸ガス冷却型原子炉は、その名の通り、中性子を減速させるのに優れた性質を持つ「重水」と、冷却材として有効な「炭酸ガス」という、それぞれ優れた特性を持つ物質を組み合わせることで、高い性能と安全性を両立させた原子炉として、かつて大きな期待を寄せられていました。しかしながら、実際に運転された例はごくわずかであり、世界的に見ても広く普及するには至らず、原子力発電の歴史において「幻の原子炉」と称される存在となってしまいました。この原子炉が実用化に至らなかった背景には、複雑な要因が絡み合っています。まず、重水と炭酸ガスという特性の異なる物質を組み合わせるには、高度な技術とノウハウが必要であり、開発・建設に多大なコストと時間を要しました。また、同時期に開発が進んでいた軽水炉が、技術的な成熟度や経済性において勝っていたことも、普及を阻む一因となりました。加えて、重水は天然にはごく微量にしか存在せず、高濃度の重水を大量に製造するには、高度な技術と莫大な費用が必要となることも、大きな課題として立ちはだかりました。このように、重水減速炭酸ガス冷却型原子炉は、優れた特性を持つ物質を組み合わせた革新的な原子炉として期待されたものの、技術的な課題、経済性、そして他の原子炉型との競争という、幾つもの壁を乗り越えることができず、幻の存在となってしまったのです。