原子炉の隠れた立役者：ケミカルシム

原子炉の隠れた立役者：ケミカルシム

ケミカルシムとは

– ケミカルシムとは原子力発電所の中心にある原子炉は、ウラン燃料が核分裂反応を起こすことで熱エネルギーを生み出しています。この熱エネルギーを効率よく取り出すためには、核分裂反応の速度を一定に保つことが非常に重要になります。核分裂反応の速度を調整するのが「ケミカルシム」と呼ばれる技術です。原子炉内部では、ウラン燃料が核分裂する際に中性子が飛び出してきます。この中性子が他のウラン燃料にぶつかると、さらに核分裂反応が起きるという連鎖反応が続きます。ケミカルシムでは、原子炉の冷却材にホウ酸という物質を溶かすことで、この中性子の数を調整します。ホウ酸は中性子を吸収する性質を持っているため、冷却材にホウ酸を多く溶かすほど、原子炉内の中性子の数が減り、核分裂反応の速度は緩やかになります。逆に、ホウ酸の濃度を下げると中性子の数は増え、核分裂反応は活発になります。原子炉の出力調整は、制御棒の挿入・引抜によっても行われますが、ケミカルシムは出力調整を緩やかに、かつ長時間にわたって行うのに適しています。原子炉の運転開始時や停止時など、長時間にわたって出力を調整する必要がある場合に、ケミカルシムは非常に重要な役割を担っているのです。

ホウ酸の役割

原子力発電所では、ウラン燃料が核分裂反応を起こす際に膨大なエネルギーが熱として放出されます。この熱を利用して蒸気を発生させ、タービンを回し発電機を駆動することで電気を作り出します。 この核分裂反応を制御する上で重要な役割を担う物質の一つがホウ酸です。
ホウ酸は、原子炉内で発生する中性子の中でも特にエネルギーの低い「熱中性子」を非常に良く吸収する性質を持っています。原子炉の冷却材にホウ酸を溶かすことで、冷却材中のホウ酸濃度を調整することで、原子炉内の熱中性子の数を制御することが可能になります。 原子炉内の熱中性子の数が減れば、核分裂反応の頻度も低下するため、原子炉の出力を下げることができます。逆に、ホウ酸濃度を下げれば、熱中性子の数が増え、原子炉の出力を上げることができます。 このように、ホウ酸濃度を調整することで、原子炉内の核分裂反応の連鎖反応速度を制御し、原子炉出力を安定して維持することができます。
ホウ酸は、原子炉の起動時や出力調整時だけでなく、緊急時には原子炉を緊急停止させるためにも使用されます。 原子炉に異常が発生した場合、制御棒の挿入と合わせて、大量のホウ酸を注入することで、短時間で核分裂反応を停止させ、原子炉を安全な状態に導くことができます。

加圧水型軽水炉での活用

– 加圧水型軽水炉での活用

原子力発電所の中心である原子炉の中でも、加圧水型軽水炉(PWR)は世界中で広く採用されている炉型の一つです。このPWRでは、核分裂反応を制御し、安定した熱出力を得るために様々な工夫が凝らされています。

原子炉の出力調整は、中性子を吸収する制御棒を炉心に挿入したり、引抜いたりすることで行われます。しかし、制御棒の操作だけでは、原子炉内の出力分布が均一にならず、一部の領域で出力が高くなりすぎる可能性があります。これは、原子炉の安全運転や燃料の効率的な利用を阻害する要因となりかねません。

そこで、PWRでは出力調整の補助としてケミカルシムと呼ばれる技術が活用されています。ケミカルシムとは、冷却水に中性子を吸収する物質を溶かし込むことで、原子炉全体の出力調整を行う技術です。溶かす物質の濃度を調整することで、制御棒の操作だけでは難しい、きめ細やかな出力調整が可能となり、原子炉内の出力分布を均一に保つことができます。

このようにケミカルシムは、PWRにおいて出力調整の精度と安全性を向上させるための重要な技術となっています。

燃料の燃焼とケミカルシム

原子力発電所の中心部には、ウラン燃料を収納した原子炉が存在します。このウラン燃料は、核分裂という反応を起こすことで莫大な熱エネルギーを生み出し、発電の源となっています。燃料は、燃えるという表現とは少し違いますが、核分裂反応を繰り返すことで徐々にその量を減らしていきます。イメージとしては、ろうそくの火が徐々に小さくなっていく様子に似ています。
燃料の量が減ると、当然ながら核分裂反応の回数も減少し、原子炉全体の出力も低下します。この出力低下を補うために、原子炉にはホウ酸と呼ばれる物質を溶かした水が循環しています。ホウ酸には、核分裂反応を調整する働きがあり、その濃度を調整することで原子炉の出力を制御することができます。
燃料の燃焼が進むにつれて、ホウ酸の濃度を徐々に下げていくことで、燃料の減少による出力低下を補い、長期間にわたって安定した出力を維持することができるのです。これは、まるでろうそくの火が小さくなるのに合わせて、少しずつ空気を送り込んで火を保つようなものです。このように、原子力発電所では、燃料の燃焼状態に合わせて緻密な制御を行うことで、安全かつ安定的にエネルギーを生み出しているのです。

沸騰水型軽水炉での対応

– 沸騰水型軽水炉での対応沸騰水型軽水炉(BWR)と呼ばれるタイプの原子炉では、加圧水型軽水炉(PWR)で採用されているケミカルシムは使用されていません。これは、BWR特有の冷却システムに理由があります。BWRでは、炉心内で発生した熱により冷却材である水が直接沸騰し、蒸気を発生させます。この蒸気がタービンを回し発電を行う仕組みです。

PWRでは冷却材の水が沸騰しないように高圧に保たれていますが、BWRでは一部の水が沸騰するため、水に溶け込んでいた物質の濃度が変化しやすくなります。ケミカルシムで使用されるホウ酸などの物質は、濃度が高くなると結晶化しやすくなる性質があります。BWRでケミカルシムを使用した場合、冷却水の沸騰によりホウ酸が結晶化し、配管などを詰まらせてしまう可能性があります。これは原子炉の安全運転を脅かす重大な問題となるため、BWRではケミカルシムは採用されていません。

では、BWRではどのように原子炉の出力を制御しているのでしょうか。BWRでは、冷却水の循環流量を調整することで原子炉の出力を制御しています。具体的には、再循環ポンプの回転数を調整することで炉心に送られる冷却水の流量を変化させ、原子炉の熱出力を調整しています。このように、BWRはケミカルシムを用いずに、独自のシステムで安全かつ効率的な運転を実現しています。