原子力安全の要：ナトリウム-水反応試験装置

原子力安全の要：ナトリウム-水反応試験装置

高速増殖炉の夢と挑戦

– 高速増殖炉の夢と挑戦エネルギー資源に乏しい日本では、将来にわたってエネルギーを安定的に確保することが課題となっています。その解決策の一つとして、高速増殖炉は長年期待されてきました。高速増殖炉は、ウラン資源を有効活用できる夢の原子炉として、エネルギー安全保障の切り札として期待されています。しかし、高速増殖炉の実現には、従来の原子炉とは異なる安全対策が必須です。高速増殖炉は、中性子の速度を落とさずに核分裂反応を起こすため、冷却材に水ではなくナトリウムを使用します。ナトリウムは熱伝導率に優れている一方、水と激しく反応する性質があります。そのため、高速増殖炉では、ナトリウムと水が直接接触することがないよう、厳重な設計と運転管理が求められます。ナトリウムと水の反応は、高速増殖炉特有の重要な安全評価項目の一つです。万が一、炉内でナトリウムと水が反応すると、水素が発生し、炉内圧力が上昇する可能性があります。最悪の場合、炉の健全性を損ない、放射性物質が環境中に放出されるリスクも孕んでいます。このため、高速増殖炉の開発では、ナトリウムと水の反応を抑制するための様々な対策が講じられています。例えば、ナトリウムと水との接触を物理的に遮断する二重壁構造の採用や、ナトリウムの漏洩を早期に検知するシステムの導入などが挙げられます。高速増殖炉は、日本のエネルギー問題解決への期待を背負っていますが、その実現には、ナトリウム冷却材の安全性確保が最重要課題です。関係機関は、更なる研究開発と安全評価を通じて、国民の理解と信頼を獲得していく必要があります。

ナトリウム-水反応の脅威

原子力発電所の中でも、高速増殖炉と呼ばれるタイプの炉は、ウラン燃料をより効率的に利用できるという利点があります。しかし、この高速増殖炉では、熱を運ぶために水を用いるのではなく、ナトリウムと呼ばれる金属を利用しています。ナトリウムは熱をよく伝える性質を持つ反面、水と接触すると非常に激しく反応するという側面も持ち合わせています。
もしも高速増殖炉の蒸気発生器内で、ナトリウムを冷却材として使用している部分に水が漏れてしまうと、このナトリウムと水が反応し、大量の熱と水素が発生してしまいます。この反応は非常に激しいため、最悪の場合、蒸気発生器の配管が損傷したり、炉心と呼ばれる原子炉の最も重要な部分にまで影響が及ぶ可能性も考えられます。
このような事態を避けるため、ナトリウムと水が反応するメカニズムを詳しく解明し、反応の開始から終了までの過程を様々な条件下で分析することが重要となります。得られた知見を基に、ナトリウムの漏えいを検知する技術や、万が一漏えいが発生した場合でも、その影響を最小限に抑える安全対策をより一層強化していく必要があります。

安全性評価の要：SWAT

原子力発電所の中でも、高速増殖炉は冷却材に水ではなく液体ナトリウムを使用します。ナトリウムは熱伝導性に優れているという利点がある一方で、水と激しく反応し、水素を発生させるという性質も持ち合わせています。万が一、炉内で蒸気発生器の伝熱管が破損し、ナトリウムと水が接触してしまうと、この反応によって炉内に大きな圧力がかかってしまう可能性があります。このような事態を避けるため、高速増殖炉の安全性を評価することは非常に重要です。

そこで、1971年から茨城県大洗町の大洗工学センター（現大洗研究開発センター）において、ナトリウム-水反応基礎試験装置（SWAT）が建設されました。SWATは、高速増殖炉の安全性評価、特に大型蒸気発生器の安全性を評価するために、ナトリウム-水反応を模擬してその挙動を調べるための実験装置です。SWATでは、実際にナトリウムと水を反応させて、その際に発生する圧力や温度、水素の発生量などを測定します。これらのデータは、高速増殖炉の設計や安全基準の策定に活かされます。

SWATは、長年にわたり数多くの実験を行い、高速増殖炉の安全性向上に大きく貢献してきました。そして、現在も更なる安全性向上を目指し、実験や研究が進められています。

SWAT-1：実寸大で迫る安全性

– SWAT-1実寸大で迫る安全性「もんじゅ」は、かつて日本で開発が進められていた高速増殖炉です。高速増殖炉は、従来の原子炉よりも効率的にウラン資源を活用できる夢の原子力発電所として期待されていました。しかし、その安全性については未知の部分も多く、徹底的な研究が必要不可欠でした。そこで登場したのが、SWAT-1と呼ばれる試験装置です。SWAT-1は、「もんじゅ」の心臓部である蒸気発生器を6分の1のサイズで忠実に再現した試験装置です。蒸気発生器は、原子炉で加熱されたナトリウムを使って水を沸騰させ、タービンを回すための蒸気を発生させる重要な役割を担っています。もし、この蒸気発生器でナトリウムが水漏れを起こすと、激しい化学反応が起こり、大きな事故につながる可能性があります。SWAT-1では、実機に近い条件でナトリウムと水の反応を模擬することで、大規模なナトリウム漏えい事故が発生した場合に、どのような反応が起こり、温度や圧力がどのように変化するのかを詳細に調べることができました。この試験で得られた膨大なデータは、「もんじゅ」の設計に反映され、安全性を向上させるために大いに役立てられました。SWAT-1は、「もんじゅ」の開発において重要な役割を果たしただけでなく、将来の高速増殖炉の開発にも役立つ貴重なデータを提供しました。SWAT-1の開発と運用によって得られた知見は、日本の原子力技術の進歩に大きく貢献したと言えるでしょう。

未来への教訓：SWATの遺産

– 未来への教訓SWATの遺産SWAT(ナトリウム水反応)シリーズは、その名の通りナトリウムと水の反応に関する大規模実験施設であり、1号機から4号機まで、段階的に規模を拡大しながら建設されました。 これらの施設は、高速増殖炉の開発において重要な課題であった、ナトリウムの熱伝達特性や、万一のナトリウム漏洩事故時の影響を評価するために、貴重なデータを提供してきました。特に、ナトリウムと水が接触した際に発生する熱や圧力のデータは、高速増殖炉の安全設計に不可欠なものでした。 これらのデータに基づいて、事故時の影響を最小限に抑えるための対策が講じられ、高速増殖炉の安全性は飛躍的に向上しました。 SWATシリーズの開発と運用を通じて、日本はナトリウムに関する高度な技術や経験を培ってきました。 その過程で、多くの技術者や研究者が育成され、世界に誇る日本の原子力技術の礎が築かれました。SWATシリーズで得られた教訓は、未来の原子力開発、特に高速炉の開発においても重要な意味を持ちます。過去の経験を活かし、より安全で信頼性の高い原子力技術の開発を進めることが、私たちの世代に課せられた使命と言えるでしょう。