原子力発電の要：クラスタ型燃料とは？

原子力発電の要：クラスタ型燃料とは？

原子炉の燃料のいろいろ

原子力発電の心臓部である原子炉には、燃料としてウランが使われています。ウランは、そのままでは燃料として使えないため、小さなペレット状に加工されます。このペレットは、直径1センチメートル、高さ1.5センチメートルほどの大きさで、多数が金属製の燃料棒に隙間なく封入されます。そして、この燃料棒を、原子炉の種類や設計に応じて、束ねて配置します。

燃料棒の束ね方、配置の仕方は、原子炉の効率や安全性を左右する重要な要素です。その中の1つに、「クラスタ型燃料」と呼ばれるものがあります。これは、数十本の燃料棒を束ねて、正方形や六角形などの形状に配置したものです。原子炉には、このクラスタ型燃料が、数百体から数千体も装荷されます。

クラスタ型燃料は、燃料棒同士の間隔を適切に保つことで、冷却水の循環をスムーズにし、原子炉内の熱を取り除きやすくしています。また、燃料棒の配置を工夫することで、原子力反応の効率を向上させることも可能です。このように、原子炉の燃料は、単にウランを燃やすだけでなく、高度な技術によって加工、配置され、安全かつ効率的な発電を支えているのです。

クラスタ型燃料の特徴

原子力発電所で利用される燃料には、クラスタ型燃料と呼ばれる種類があります。これは、多数の燃料棒を円環状に束ね、１本の圧力管の中に収納する構造を持つ燃料集合体です。
燃料棒を円環状に配置することで、中心部にも冷却水が通る隙間を作り出すことができ、燃料棒全体を効率的に冷却することが可能になります。これは、原子炉を安全に運転するために非常に重要な要素です。

原子炉の中では、核分裂反応によってウラン燃料から熱が生まれます。この熱は、燃料棒の表面から冷却水に伝えられ、蒸気を発生させるために利用されます。しかし、もし燃料棒の温度が過度に上昇してしまうと、燃料棒の溶融や破損を引き起こす可能性があります。これを防ぐためには、燃料棒を効率的に冷却し、常に適切な温度に保つことが不可欠です。
クラスタ型燃料は、燃料棒の周囲に冷却水を効果的に流す構造を持つため、原子炉の安全な運転に大きく貢献しています。

クラスタ型燃料が使われる原子炉

原子力発電所で使われる燃料には、いくつかの種類があります。その中でも、多数の燃料棒を束ねて使用する「クラスタ型燃料」は、ある特定の種類の原子炉で採用されています。

クラスタ型燃料が主に使用されるのは、「重水減速軽水冷却圧力管型炉」と呼ばれるタイプの原子炉です。減速材に重水、冷却材に軽水を使用し、圧力管と呼ばれる管の中に燃料集合体が挿入されているのが特徴です。日本では、このタイプの原子炉は「新型転換炉（ATR）」という名前で知られており、福井県にあるふげん発電所(※)で長年運転されていました。新型転換炉は、ウラン資源の利用効率が高く、天然ウランからプルトニウムを作り出すことができるという特徴を持っています。また、安全性にも優れており、万が一事故が起きた場合でも、放射性物質の放出を抑える仕組みが備わっています。

一方、旧ソビエト連邦で開発された「黒鉛減速軽水冷却圧力管型炉」も、クラスタ型燃料を使用していました。このタイプの原子炉は「RBMK型炉」と呼ばれ、チェルノブイリ原子力発電所で発生した事故で知られています。RBMK型炉は、設計上の欠陥から事故のリスクが高く、現在では稼働しているものは限られています。

※ふげん発電所は、2003年に運転を終了しました。

他の燃料集合体との違い

多くの原子力発電所では、加圧水型軽水炉（PWR）や沸騰水型軽水炉（BWR）といった形式が採用されています。これらの原子炉では、燃料棒と呼ばれる棒状の燃料を正方形に並べた燃料集合体が一般的です。燃料棒の中にはウラン燃料が封入されており、核分裂反応を起こして熱を生み出します。
一方、クラスタ型燃料と呼ばれる特殊な燃料も存在します。この燃料は、燃料棒を円環状に配置している点が大きな特徴です。そのため、従来の正方形の燃料集合体とは異なり、限られた種類の原子炉でのみ使用されます。
クラスタ型燃料が採用されている原子炉の一つに、イギリスで開発された炉形式があります。この炉形式では、黒鉛と呼ばれる物質を減速材として使用しています。減速材は、核分裂反応で生じる中性子の速度を遅くすることで、ウラン燃料との反応を促進する役割を担います。
クラスタ型燃料は、円環状に燃料棒を配置することで、燃料の表面積を増やし、より効率的に熱を取り出すことができます。また、燃料の温度分布を均一にする効果も期待できます。しかしながら、その特殊な形状ゆえに、燃料の製造や取り扱いが複雑になるという側面も持ち合わせています。

クラスタ型燃料の将来

新型転換炉をはじめ、安全性と燃料の有効活用を追求した原子炉の開発が進む中で、燃料集合体として知られるクラスタ型燃料は、ますますその重要性を増しています。従来型の燃料棒を束ねた構造を持つクラスタ型燃料は、炉心内での冷却効率に優れ、高い出力を実現できることから、長年原子力発電を支えてきました。
近年、資源の有効利用と環境負荷の低減が世界的に求められる中、ウラン資源の利用効率に優れたクラスタ型燃料は、再び注目を集めています。クラスタ型燃料は、燃料の配置や組成を工夫することで、ウラン資源の利用効率を高め、より多くのエネルギーを取り出すことが可能です。これは、限られたウラン資源をより長く有効に活用できることを意味し、持続可能な社会の実現に向けて大きく貢献します。さらに、燃料の燃焼期間を延長することで、放射性廃棄物の発生量を抑制できるという利点もあります。
原子力発電は、二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギー源として期待されていますが、その安全性の向上と環境負荷の低減は、将来に向けて重要な課題です。クラスタ型燃料は、これらの課題を解決する上で重要な役割を果たすと期待されており、今後の研究開発の進展によって、さらに高い性能と安全性を兼ね備えた燃料の登場が期待されます。