高温ガス炉の心臓部：ブロック型燃料要素

高温ガス炉の心臓部：ブロック型燃料要素

高温ガス炉の燃料

原子力発電には様々な方式がありますが、その中で高温ガス炉は、水ではなくヘリウムガスを冷却材に使い、中性子を減速させる減速材には黒鉛を使うという特徴があります。この高温ガス炉で活躍するのが、ブロック型燃料要素と呼ばれる特殊な形状の燃料です。一般的な原子炉では、ウラン燃料を円柱状に焼き固めた燃料ペレットを金属製の燃料棒に封入し、それを束ねて燃料集合体としていますが、高温ガス炉ではブロック状の黒鉛の中に燃料が封入されています。

このブロック型燃料要素は、ピンポン玉サイズの黒鉛球の中に、髪の毛ほどの大きさのウラン燃料粒子を閉じ込めて高温で焼き固めた燃料コンパクトを、黒鉛のブロックに埋め込むことで作られます。黒鉛は熱に強く、中性子を減速させる効果も高いため、高温ガス炉の減速材として最適です。また、燃料を黒鉛で覆うことで、燃料の閉じ込め性能を高め、放射性物質の放出を抑制する効果もあります。

高温ガス炉は、高い安全性を持ちながら、高温の熱エネルギーを有効活用できるという点で、次世代の原子力発電として期待されています。この高温ガス炉の燃料であるブロック型燃料要素は、高温ガス炉の特徴を生かし、安全で効率的な発電に貢献しています。

ブロック型燃料要素の種類

– ブロック型燃料要素の種類原子力発電に使用される燃料には、様々な形状や構造のものがあります。その中でも、ブロック型燃料要素は黒鉛減速沸騰軽水圧力管型炉(RBMK-1000炉)や高温ガス炉で主に採用されている形式です。ブロック型燃料要素は、大きく分けて二つの種類に分類されます。一つ目は-多孔ブロック型-と呼ばれるものです。これは、正六角柱状の黒鉛でできたブロックに、燃料を挿入するための多数の穴が規則正しく開けられています。この穴に、ウラン燃料を焼き固めて円柱状に加工した燃料コンパクトを挿入します。燃料コンパクトは、核分裂反応を起こしやすいウラン235の濃度を高めたもので、原子炉の運転に必要な熱エネルギーを生み出す役割を担います。また、ブロックには燃料を挿入する穴とは別に、冷却材であるヘリウムガスを通すための専用の穴も設けられています。ヘリウムガスは、燃料から発生する熱を効率的に運び出す重要な役割を担っており、原子炉の安全な運転に欠かせません。二つ目は-ピン・イン・ブロック型-と呼ばれるものです。この方式では、まず燃料コンパクトを黒鉛製の筒状のスリーブに入れた燃料棒を作ります。そして、この燃料棒を、冷却ガスであるヘリウムガスが流れるための流路が設けられた黒鉛ブロックの燃料孔に挿入します。それぞれの燃料棒は、黒鉛ブロックの穴の中に独立して配置されるため、燃料棒同士の距離を適切に保つことができ、より効率的に冷却することができます。このように、ブロック型燃料要素には複数の種類が存在し、それぞれに特徴があります。原子炉の形式や設計思想に応じて、最適な種類のブロック型燃料要素が選択され、使用されています。

高温工学試験研究炉（HTTR）

– 高温工学試験研究炉（HTTR）

高温工学試験研究炉（HTTR）は、日本原子力研究開発機構が開発した、将来の原子力発電の可能性を秘めた試験炉です。この炉の特徴は、燃料要素にピン・イン・ブロック型を採用している点にあります。これは、六角柱状の黒鉛ブロックに燃料が埋め込まれた構造をしており、この黒鉛ブロックを積み重ねることで炉心を構成しています。

HTTRの最大の特徴は、その高温出力にあります。炉内で発生した熱は、ヘリウムガスを冷却材として用いることで、約900℃という非常に高い温度で取り出すことが可能となります。これは、従来の原子力発電所の冷却材である水では実現できない高温領域です。

現在、HTTRは停止していますが、その高温を活かした様々な分野への応用が期待されています。例えば、水素製造です。HTTRから得られる高温熱を利用することで、水を熱化学分解し、二酸化炭素を排出しないクリーンな水素を製造することが期待されています。また、発電と熱供給を同時に行う熱電併給システムへの応用も期待されています。HTTRからの高温熱は、工場や地域への熱供給に利用できる可能性を秘めています。

このように、HTTRは将来のエネルギー問題解決への貢献が期待される、重要な試験研究炉といえます。

ブロック型燃料要素のメリット

– ブロック型燃料要素のメリット従来の原子炉では、燃料ペレットを金属製の細い管に封入した燃料棒を多数束ねて炉心に装荷しています。一方、ブロック型燃料要素は、燃料ペレットを黒鉛製のブロック状の構造体の中に分散配置する新しい設計です。この構造により、従来の燃料棒型に比べて多くの燃料を炉内に装荷することが可能となります。これは、原子炉の運転期間を延長し、燃料交換の頻度を減らすことに繋がるため、経済性の向上に大きく貢献します。ブロック型燃料要素の大きな利点の一つに、燃料サイクルの長寿命化があります。これは、ブロック型燃料要素がより多くの燃料を炉心に装荷できることに起因します。従来の燃料棒型に比べて燃料交換の頻度を抑制できるため、燃料サイクルコストの低減や資源の有効利用に繋がります。さらに、ブロック型燃料要素に使用される黒鉛は、熱伝導率と熱容量の高さにも優れています。この特性により、燃料ペレットで発生した熱を効率的に炉水へと伝えることが可能となり、燃料の温度上昇を抑制することができます。 この燃料温度の抑制は、原子炉の安全性を高める上で非常に重要です。加えて、黒鉛は中性子を減速させる能力が高い物質としても知られています。中性子は原子核分裂反応を引き起こすために重要な役割を果たしますが、黒鉛によって適切な速度に減速されることで、ウラン燃料の原子核により多くの核分裂反応を引き起こすことができます。これは、すなわちウラン燃料の燃焼効率を高めることを意味し、より多くのエネルギーを取り出すことを可能にします。このように、ブロック型燃料要素は従来の燃料棒型に比べて多くのメリットを持つことから、次世代の原子炉の燃料として期待されています。

今後の展望

– 今後の展望

高温ガス炉において、ブロック型の燃料要素は、その安全性と効率性の向上に大きく寄与しています。高温の熱を閉じ込めておくことができる特殊なセラミック製の被覆材を用いた燃料粒子を、黒鉛製のブロックに埋め込むことで、従来型の燃料棒に比べてより高温での運転と高い安全性を両立させています。

このブロック型燃料要素の性能をさらに向上させるために、材料技術や設計技術の研究開発が精力的に進められています。例えば、より高温に耐えられる新素材の開発や、熱の伝わり方を制御することで燃料の燃焼効率を向上させる設計などが検討されています。

これらの技術革新によって、将来的には、より安全性と効率性に優れた、次世代の高温ガス炉の実現が期待されています。特に、日本で開発が進められている高温工学試験研究炉(HTTR)で得られた運転データや技術は、次世代炉の設計や安全性評価に大きく貢献すると考えられています。

高温ガス炉は、高い安全性を持ち、二酸化炭素排出量の少ない原子力発電として、地球温暖化対策としても期待されています。今後の技術開発によって、高温ガス炉がより普及し、エネルギー問題の解決に貢献することが期待されます。