原子炉の制御とポジティブスクラム

原子炉の制御とポジティブスクラム

原子炉の制御

– 原子炉の制御原子炉の心臓部では、ウランなどの核燃料が核分裂反応を起こし、莫大なエネルギーを生み出しています。 この反応を安全かつ安定的に継続させるためには、核分裂で発生する中性子の数を精密に制御することが不可欠です。原子炉の出力調整において中心的な役割を担うのが「制御棒」です。制御棒は、中性子を吸収する性質を持つ物質で作られており、炉心に挿入したり引き抜いたりすることで、核分裂反応の速度を調整します。 制御棒を炉心に深く挿入すると、多くの中性子が吸収され、核分裂反応は抑制され、原子炉の出力は低下します。 反対に、制御棒を引き抜くと、中性子を吸収する量が減り、核分裂反応は促進され、原子炉の出力は上昇します。緊急時には、制御棒を完全に炉心に挿入することで、中性子のほとんど全てが吸収され、核分裂反応は連鎖的に停止します。これにより、原子炉は安全な状態へと導かれます。 このように、制御棒は原子炉の出力調整という重要な役割だけでなく、緊急時の安全確保にも欠かせない役割を担っているのです。

ネガティブスクラム

原子力発電所では、原子炉内でウランなどの核燃料が核分裂を起こす際に発生する莫大なエネルギーを利用して電力を作っています。この核分裂の反応を制御するのが制御棒です。制御棒は、核分裂反応で生じる中性子を吸収する物質で作られており、原子炉に挿入したり引き抜いたりすることで、核分裂の速度を調整し、出力を制御しています。

原子炉の運転中に何らかの異常が発生した場合、原子炉を緊急停止させる必要があります。この緊急停止のことをスクラムと呼びます。スクラム時には、制御棒が原子炉内に一斉に挿入され、中性子を吸収することで核分裂反応を抑制し、原子炉の出力を急速に低下させます。

この制御棒の挿入によるスクラムの仕組みをネガティブスクラムと呼びます。ネガティブスクラムは、原子炉の安全性を確保する上で非常に重要な役割を果たしており、制御棒の設計や材質は、このネガティブスクラムを確実に行うように綿密に計算され、製造されています。

ポジティブスクラムとは

– ポジティブスクラムとは原子力発電所では、原子炉内で発生する核分裂反応を制御し、安定した熱出力を得ることが非常に重要です。この制御は、制御棒と呼ばれる中性子吸収材を原子炉内に挿入したり、引き抜いたりすることで行われます。通常、制御棒を挿入すると核分裂反応が抑制され、熱出力が低下します。しかし、「ポジティブスクラム」と呼ばれる現象では、制御棒の挿入直後に一時的に原子炉の出力が上昇してしまうという、通常の制御とは逆の反応が起こることがあります。これは、主に「RBMK炉」と呼ばれるタイプの原子炉で発生する可能性が知られています。RBMK炉では、制御棒の先端部分に中性子を減速させる効果を持つ黒鉛減速材が使用されています。制御棒挿入初期には、この黒鉛減速材が原子炉の中心に挿入されることで、核分裂反応に必要な中性子の速度を低下させ、一時的に核分裂反応を促進してしまうことがあります。これがポジティブスクラムの原因です。ポジティブスクラムは、原子炉の運転を不安定にする要因となり、最悪の場合、炉心損傷などの深刻な事故につながる可能性も孕んでいます。そのため、RBMK炉では、制御棒の設計や運転手順の改善など、ポジティブスクラムを抑制するための対策が講じられています。

チェルノブイリ原発事故との関係

– チェルノブイリ原発事故との関係1986年4月26日、旧ソビエト連邦（現ウクライナ）のチェルノブイリ原子力発電所４号機で、未曾有の大惨劇が起きました。この事故の背景には、人間の誤操作や設計上の欠陥など、様々な要因が複雑に絡み合っていたことが分かっています。中でも、事故の拡大に決定的な役割を果たしたのが、「ポジティブスクラム」と呼ばれる現象でした。

原子炉は、莫大なエネルギーを生み出すと同時に、その力を常に制御し続けなければなりません。制御が効かなくなり、出力が異常上昇してしまうと、炉心溶融や爆発といった深刻な事態に繋がります。そこで、原子炉には緊急時に運転を停止させる安全装置が備わっています。チェルノブイリ原発の場合、制御棒を炉心に挿入することで核分裂反応を抑え、出力を抑制する仕組みが採用されていました。しかし、事故当時の４号機は不安定な状態に陥っており、緊急停止装置を作動させたにも関わらず、逆に原子炉の出力が急上昇するという皮肉な結果を招いてしまったのです。これがポジティブスクラムと呼ばれる現象です。

チェルノブイリ原発で採用されていたRBMK-1000型炉には、設計上の問題から、このような異常事態を引き起こす危険性が孕んでいたと言われています。事故の教訓は、原子力発電所の安全確保には、人間のミスを想定した上で、多重的な安全対策を講じておくことの重要性を改めて世界に示すことになりました。

RBMK炉の改良

– RBMK炉の改良1986年のチェルノブイリ原子力発電所事故は、旧ソ連が開発したRBMK炉の設計上の欠陥を露呈する大きな悲劇となりました。この事故を教訓に、RBMK炉は安全性向上のための大幅な改良を余儀なくされました。中でも特に重要な改良点は、事故の要因となった「ポジティブスクラム」現象を抑制するための制御棒の設計変更です。

RBMK炉では、原子炉の出力調整や緊急停止に用いる制御棒が、挿入初期には逆に反応度を上昇させてしまう「ポジティブスクラム」という特性を持っていました。これは、制御棒の先端部に中性子吸収材ではなく、黒鉛減速材が使用されていたことが原因でした。チェルノブイリ原発事故では、このポジティブスクラムが事故の深刻化に繋がりました。

この問題を解決するため、改良されたRBMK炉では、制御棒の先端部に中性子吸収材を配置する設計変更が施されました。これにより、制御棒挿入初期においても、中性子の吸収が優先的に行われ、反応度を速やかに低下させることが可能となりました。この改良により、ポジティブスクラムの発生が抑制され、原子炉の安全性は大幅に向上しました。