原子炉の安定運転を阻む「キセノン空間振動」

原子炉の安定運転を阻む「キセノン空間振動」

キセノン空間振動とは

原子炉の中では、ウランやプルトニウムなどの核燃料が核分裂反応を起こし、膨大なエネルギーを生み出しています。この核分裂反応によって、燃料物質以外にも様々な物質が生成されます。これらの物質は「核分裂生成物」と呼ばれますが、中には原子炉の運転に影響を与えるものも存在します。その一つがキセノン135（¹³⁵Xe）です。
キセノン135は、熱中性子と呼ばれる、エネルギーの低い中性子を非常に吸収しやすい性質を持っています。熱中性子は原子炉内の核分裂反応を維持する上で重要な役割を担っており、¹³⁵Xeによる吸収は反応の効率を低下させ、安定運転の妨げになる可能性があります。
キセノン空間振動は、この¹³⁵Xeが原子炉内で均一に分布せず、偏りながら増減することで発生します。特に大型の原子炉では、炉心と呼ばれる領域内の各場所における¹³⁵Xeの生成と消滅のバランスが崩れやすくなります。その結果、中性子束密度、すなわち中性子の量の空間的な偏りが生じます。この偏りは時間とともに変化し、原子炉の出力分布が振動する現象を引き起こします。これがキセノン空間振動と呼ばれる現象です。

キセノン空間振動の影響

– キセノン空間振動の影響原子炉運転において、出力分布の安定性は非常に重要です。出力分布が不安定になると、燃料の健全性や原子炉の制御性に悪影響を及ぼす可能性があります。その不安定化要因の一つとして、「キセノン空間振動」が挙げられます。キセノン空間振動とは、原子炉内で生成される核分裂生成物の一つであるキセノン135の濃度が、時間と場所によって周期的に変動する現象です。キセノン135は非常に強い中性子吸収能力を持つため、その濃度の変化は原子炉内の出力分布に影響を与えます。具体的には、キセノン135の濃度が高い領域では中性子の吸収が促進され、核分裂反応が抑制されるため、出力が低下します。逆に、濃度が低い領域では出力が上昇します。そして、この出力の変化がさらにキセノン135の生成と消滅のバランスを崩し、濃度の空間的な偏りを増幅させるため、振動現象が発生します。出力分布の変動は、燃料の局所的な温度上昇を引き起こし、燃料の健全性を損なう可能性があります。また、制御棒の反応度効果にも影響を与え、制御棒の操作性を低下させる可能性もあります。最悪の場合、原子炉の安全運転に支障をきたす可能性もあるため、キセノン空間振動に対しては適切な対策を講じる必要があります。

キセノン空間振動の発生条件

原子炉の出力運転中には、核分裂生成物の一つであるキセノン135が蓄積されます。キセノン135は、中性子を非常に吸収しやすく、原子炉内の連鎖反応を阻害する働きがあります。このため、キセノン135の生成と消滅のバランスが崩れると、原子炉内の出力分布が時間的に変動する現象が生じることがあります。これがキセノン空間振動です。

キセノン空間振動は、原子炉の規模や運転条件に影響されます。一般的に、中性子束レベルが高い大型の原子炉ほど、キセノン135の生成量が多くなるため、空間振動が発生しやすくなります。これは、大型原子炉では中性子が炉内を移動する距離が長くなり、キセノン135の空間的な濃度差が大きくなりやすいためです。また、出力変動が少ない安定した運転状態よりも、出力調整を頻繁に行う運転状態の方が、キセノン135の生成と消滅のバランスが崩れやすいため、空間振動が発生しやすい傾向があります。

キセノン空間振動は、原子炉の運転制御上、注意が必要な現象です。空間振動が発生すると、原子炉内の出力分布が不安定になり、最悪の場合、燃料の損傷を引き起こす可能性もあります。そのため、原子炉の設計や運転方法には、空間振動を抑制するための対策が講じられています。

キセノン空間振動への対策

原子炉の運転において、出力の安定性は非常に重要です。しかし、運転中に中性子を吸収する性質を持つキセノン135（¹³⁵Xe）が生成されることで、出力の不安定化を引き起こす「キセノン空間振動」という現象が起こることがあります。

キセノン空間振動は、原子炉の設計段階から考慮すべき重要な要素です。炉心の形状や燃料の配置を工夫することで、¹³⁵Xeの分布を均一化し、振動の発生を抑制するように設計されています。具体的には、炉心を扁平な形状にしたり、燃料集合体の配置を工夫することで、中性子の空間分布を均一化し、¹³⁵Xeの生成量の偏りを抑えます。

運転中は、制御棒と呼ばれる中性子吸収体を炉心に挿入したり、引き抜いたりすることで、中性子束密度を調整し、振動を抑制します。制御棒の先端には中性子を吸収しやすい物質が取り付けられており、炉心への挿入量を調整することで、¹³⁵Xeの生成量を制御します。 制御棒の操作は、あらかじめプログラムされたパターンに従って自動で行われる場合もあれば、運転員の経験と知識に基づいて手動で行われる場合もあります。

このように、キセノン空間振動は、原子炉の設計と運転の両面から対策を講じることで、抑制することができます。

まとめ

原子炉の運転において、出力の安定性は非常に重要です。その安定性を脅かす要因の一つとして、「キセノン空間振動」と呼ばれる現象が存在します。これは、原子炉内で核分裂反応を阻害する物質であるキセノンが、時間と場所によって偏りながら増減することで、出力分布が不安定になる現象です。
キセノン空間振動は、放置すると原子炉の出力制御を困難にする可能性があり、安全運転上の重要な課題となっています。
しかし、この現象は、原子炉の設計段階から考慮されています。例えば、燃料集合体の配置や制御棒の設計を工夫することで、キセノン空間振動の発生を抑制することが可能です。さらに、運転中においても、原子炉の出力分布やキセノンの濃度を監視し、必要に応じて制御棒を操作するなど適切な対応を行うことで、安全性を確保しながら安定運転を維持することができます。
原子力発電は、エネルギー安全保障や地球温暖化対策の観点から重要な役割を担っています。今後も、キセノン空間振動を含めた様々な課題に対して、より高度な監視技術や制御技術の開発、運転員の訓練などを推進することで、原子炉の安全性と信頼性を一層向上させていく必要があります。