原子炉の安全を守るPRACSとは？

原子炉の安全を守るPRACSとは？

高速増殖炉の冷却システム

高速増殖炉は、ウラン資源を有効に活用できる未来の原子炉として期待されています。通常の原子炉と比べて、より高いエネルギーを持つ高速中性子を利用して核分裂反応を起こすため、非常に高い熱を発生します。このため、高速増殖炉では、運転中だけでなく、運転を停止した後も安全に熱を除去することが非常に重要となります。
高速増殖炉から発生する熱は、主に「崩壊熱」と呼ばれます。これは、核分裂反応によって生じた放射性物質が、時間をかけて安定な状態へと変化する際に放出する熱です。高速増殖炉は高い出力で運転されるため、運転停止後も相当量の崩壊熱が発生し続けます。もし、この熱を適切に除去できない場合、炉心の温度が過度に上昇し、炉心損傷などの深刻な事故につながる可能性があります。
そこで、高速増殖炉では、多重化された冷却システムを採用することで、熱除去の安全性を高めています。具体的には、通常運転時に熱を除去する1次系ナトリウム冷却システムに加え、万が一、1次系ナトリウム冷却システムに異常が発生した場合でも、炉心を冷却できる2次系ナトリウム冷却システムや、最終的な熱の逃がし場となる3次冷却システムなどが備えられています。このように、高速増殖炉の冷却システムは、多重化と冗長性を持たせることで、高い信頼性と安全性を確保しています。

PRACS：主冷却系を活用した冷却方式

原子力発電所では、運転停止後も原子炉内では核分裂生成物が崩壊熱を発生し続けます。この熱を適切に除去しないと、炉心損傷に繋がる可能性があります。高速増殖炉では、この崩壊熱除去対策の一つとしてPRACS（主炉心補助冷却系）というシステムが検討されています。

高速増殖炉は、高い熱効率を誇る一方で、炉心がコンパクトであるがゆえに崩壊熱の発生密度が高くなるという特徴があります。そこで、通常運転時には原子炉で生成された熱をタービンに送るために使われている主冷却系に着目しました。

PRACSは、この主冷却系の一部である主中間熱交換器に冷却コイルを組み込み、このコイルに冷却材を循環させることで炉心の熱を除去します。つまり、普段は発電に使われている主冷却系の一部を、緊急時には崩壊熱除去に転用するという仕組みです。この方法の利点は、既存の主冷却系の設備を活用できるため、新たな冷却システムを別途設ける必要がなく、システム全体の簡素化と信頼性向上に繋がることが期待されます。

PRACSの特徴と利点

原子力発電所において、炉心の安全を確保するためのシステムである非常用炉心冷却設備（ECCS）は、その重要性から常に進化を続けています。近年注目されている技術の一つに、注水先を炉内に限定せず、原子炉格納容器全体を冷却対象とするパッシブ安全系（PRACS）があります。

PRACSの最大の利点は、既存の原子炉冷却設備を有効活用できる点です。従来のECCSでは、大規模なポンプや配管など、新たな冷却システムの構築が必要でしたが、PRACSは既存の主冷却系統設備を一部共用することで、新たに大掛かりな設備を建設する必要がありません。そのため、建設コストの大幅な削減が可能となります。また、運転開始後のランニングコストの低減にもつながります。

さらに、主冷却系統と一部設備を共用することで、システム全体の簡素化につながり、運用や保守が比較的容易になるというメリットもあります。これは、運転員の負担軽減だけでなく、ヒューマンエラーによる事故リスクの低減にも貢献します。このように、PRACSは安全性向上と経済性の両立を図る上で、極めて有効な技術と言えるでしょう。

他の崩壊熱除去方式との比較

原子炉の運転停止後も、核燃料の崩壊熱は発生し続けます。この熱を適切に除去しなければ、炉心の過熱や損傷を引き起こす可能性があります。そこで重要なのが、崩壊熱除去システムです。様々な方式がありますが、ここでは代表的なDRACSとIRACSを比較してみましょう。DRACSは、直接炉心冷却系の略称で、その名の通り原子炉圧力容器内に直接熱交換器を沈め、崩壊熱を吸収します。直接炉心に冷却水を接触させるため、非常に高い冷却効率を誇るのが最大のメリットです。一方、IRACSは、二次系炉心冷却系の略称で、通常の運転中に使用する二次冷却系統の一部を、崩壊熱除去にも使用する方式です。原子炉内に新たな設備を追加する必要がないため、システムの簡素化やコスト削減が可能となります。このように、DRACSとIRACSはそれぞれ異なる特徴と利点を持っています。原子炉の形式や規模、設計思想、運転条件などを考慮し、最適な崩壊熱除去方式が選択されます。例えば、大型の原子炉では冷却効率の高いDRACSが、小型の原子炉ではシステムの簡素化が可能なIRACSが採用されるケースが多いです。

安全性の確保に向けて

原子力発電所において、安全性の確保は最も重要な課題です。原子力発電所は、莫大なエネルギーを生み出す一方で、ひとたび事故が発生すれば、深刻な被害をもたらす可能性も孕んでいます。だからこそ、その安全性を万全に期すために、様々な対策が講じられています。

その一つとして、炉心で発生する熱を取り除く「崩壊熱除去システム」の開発や改良が挙げられます。これは、原子炉の運転を停止した後も、核分裂生成物の崩壊によって熱が発生し続けるため、その熱を安全に処理するための重要なシステムです。

近年注目されているのが、「受動的安全設備(PRACS)」と呼ばれるシステムです。従来のシステムは、ポンプや弁などの能動的な機器に頼っていましたが、PRACSは、自然の法則を利用して、電力や人の手を借りずに崩壊熱を除去することができます。例えば、水蒸気の対流現象を利用して熱を外部へ逃がしたり、重力を利用して冷却水を炉心に注入したりする仕組みです。

さらに、これらのシステムは多重化されていることも重要な点です。これは、万が一、一つのシステムが故障しても、他のシステムが機能することで、安全性を確保するための仕組みです。加えて、それぞれのシステムは独立性を高める設計がなされており、共通の原因によって同時に機能喪失に陥ることを防いでいます。

このように、原子力発電所の安全性確保に向けて、様々な技術開発や研究が進められています。今後も、より一層の安全性向上に向けて、たゆまぬ努力が続けられていくことが期待されます。