カランドリア

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独自技術が生んだ原子力発電:カナダ型重水炉

- カナダ型重水炉とはカナダ型重水炉は、その名の通りカナダで開発された原子力発電炉です。正式名称はCANDU炉と言い、これは「CANadian Deuterium Uranium(カナダ重水ウラン)」の頭文字を取ったものです。この原子炉は、現在世界で主流となっている軽水炉とは異なる設計思想に基づいており、独自の技術が使われています。最大の特徴は、天然ウランを燃料として使用できる点です。ウランには、核分裂しやすいウラン235と、そうでないウラン238が存在します。天然ウランにおけるウラン235の濃度はわずか0.7%程度ですが、カナダ型重水炉はこの濃度のまま燃料として使用できます。一方、軽水炉ではウラン235の濃度を3~5%程度にまで濃縮する必要があり、特別な施設とコストがかかります。さらに、カナダ型重水炉は運転中に燃料交換が可能という利点も持ち合わせています。軽水炉の場合、燃料交換を行うためには原子炉を停止しなければなりませんが、カナダ型重水炉は運転を続けながら燃料交換ができます。そのため、高い稼働率を維持することが可能です。しかし、カナダ型重水炉にも課題はあります。軽水炉に比べて大型になりやすく、建設コストが高額になりやすい点は、導入を検討する上で重要な要素となります。このように、カナダ型重水炉は独自の技術を用いることで、天然ウランの使用や運転中の燃料交換といった特徴を実現しています。世界的に見ると、カナダをはじめ、インドや韓国などで採用されている原子炉です。
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原子炉の心臓部 カランドリアタンク

- カランドリアタンクとは原子力発電所の中心には、ウラン燃料から熱エネルギーを生み出す原子炉と呼ばれる装置があります。原子炉の中には、核分裂反応の効率を上げるために、中性子の速度を調整する減速材と呼ばれる物質が使用されています。減速材には、水や黒鉛などが用いられますが、重水を用いる原子炉を特に重水減速炉と呼びます。カランドリアタンクは、この重水減速炉において、減速材である重水を貯蔵し、核分裂反応が起こる炉心を囲むように配置された重要な設備です。円筒形のタンク形状をしており、内部には多数の圧力管が垂直に設置されています。この圧力管の中に燃料集合体が挿入され、その周囲を重水が循環することで、中性子の速度を調整しながら核分裂反応を維持しています。カランドリアタンクは、高純度の重水を大量に貯蔵するため、高い気密性と耐食性が求められます。そのため、ステンレス鋼やアルミニウム合金などの特殊な材料で作られ、製造過程においても厳格な品質管理が行われています。カランドリアタンクは、重水減速炉の安全運転に欠かせない重要な設備であり、その設計・製作・運用には高度な技術と経験が必要です。
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原子炉の心臓部、カランドリア管の役割

- カランドリア管とは原子力発電において、特に新型転換炉(CANDU炉)のような重水を減速材として使用する原子炉において、カランドリア管は炉心の心臓部と言える重要な部品です。原子炉の炉心には、カランドリアタンクと呼ばれる巨大なタンクが設置されています。このタンクの中には、多数のカランドリア管が垂直に林立するように配置されており、原子炉の安全かつ効率的な運転に欠かせない複数の役割を担っています。まず、カランドリア管は、核分裂反応を維持するための燃料棒を収納する容器としての役割を果たします。燃料棒は、ウラン燃料を封入した棒状のもので、カランドリア管の中に挿入されます。そして、カランドリア管の外側を流れる減速材である重水によって、燃料棒内のウランは核分裂反応を起こします。同時に、カランドリア管は、燃料棒と減速材である重水を隔てる役割も担います。燃料棒は高温高圧な状態になるため、減速材と直接接触すると腐食などが発生する可能性があります。カランドリア管は、耐食性に優れたジルコニウム合金などで作られており、燃料棒を保護するとともに、減速材である重水の純度を保つ役割を果たします。このように、カランドリア管は、燃料棒の収納、核分裂反応の制御、そして燃料棒と減速材の隔離という、原子炉の安全かつ効率的な運転に不可欠な複数の重要な役割を担っているのです。
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独自技術の結晶:CANDU炉の仕組み

- CANDU炉とはCANDU炉は、カナダで独自に開発され、実用化に至った原子炉です。その名前は、CANadian Deuterium Uraniumの頭文字から来ており、これは「カナダの重水素ウラン」という意味です。では、この「重水素」とは一体何なのでしょうか? 原子炉の内部では、ウラン燃料が核分裂反応を起こして熱を生み出します。この核分裂反応を制御するために、中性子という粒子を減速させる必要があります。この減速材として、CANDU炉では「重水」と呼ばれる特殊な水が使われています。 重水は、普通の水よりもわずかに重い水です。これは、水の分子を構成する水素原子の一部が、「重水素」という少し重い原子に置き換わっているためです。CANDU炉はこの重水を減速材としてだけでなく、原子炉から熱を運び出す冷却材としても使用しています。このような原子炉は、重水減速・重水冷却型原子炉と呼ばれます。 CANDU炉は、世界的に見ても珍しい技術を採用しており、他の原子炉と比べていくつかの利点があります。例えば、ウラン燃料を濃縮せずに利用できるため、燃料の調達コストを抑えられるというメリットがあります。また、運転中の燃料交換が可能であるため、高い稼働率を維持することができます。これらの特徴から、CANDU炉は安全性と信頼性の高い原子力発電を実現する技術として、世界的に注目されています。
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原子力発電の心臓部:圧力管型炉の仕組み

- 圧力管型原子炉とは圧力管型原子炉は、原子力発電所で使われる原子炉の一つの型です。この原子炉では、核燃料を収納した燃料集合体が、圧力管と呼ばれる多数の管の中に入れられています。これらの圧力管は、カランドリアタンクと呼ばれる大きな容器の中に規則正しく配置されています。カランドリアタンクの中には、中性子の速度を落とす減速材が入っており、減速材としては重水や黒鉛が使われます。圧力管型原子炉の大きな特徴は、原子炉の炉心で発生した熱を運ぶ冷却材と、中性子の速度を調整する減速材を、それぞれ別の系統として扱うことができる点にあります。これは、他の型の原子炉とは異なる、圧力管型原子炉特有の設計です。冷却材には、加圧された軽水が用いられることが一般的です。高温高圧の冷却材は、圧力管の中を流れながら燃料から熱を奪い、蒸気発生器へと送られます。蒸気発生器では、冷却材の熱を利用して水が沸騰し、蒸気が発生します。この蒸気がタービンを回し、発電機を駆動することで電力が生み出されます。圧力管型原子炉は、冷却材と減速材を別々に管理できるため、原子炉の運転を柔軟に行えるという利点があります。また、燃料交換が比較的容易であることもメリットとして挙げられます。