凝った沸騰方法：原子力発電所はついに水を沸騰させる技術を習得しました！

制作：中国科学普及協会

著者: Science Scraps (ポピュラーサイエンスクリエイター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

原子力発電所、この言葉はよく聞きますが、どのように機能するかご存知ですか?

エネルギーをゆっくりと放出しましょう

原子力発電所はどのようにして原子力エネルギーを電気エネルギーに変換するのでしょうか?まず最初に、核分裂反応について話す必要があります。

核分裂反応とは、中性子の衝突によって重い原子の原子核が分裂し、2 つの軽い原子核が生成される反応を指します。このプロセスでは、複数の中性子や追加のエネルギーなど、いくつかの副産物が同時に生成されることがよくあります。

ウラン 235 とプルトニウム 239 で核分裂反応が起こると、放出される中性子のエネルギーは比較的高くなることがよくあります。このような中性子は高速中性子と呼ばれ、その速度は光速の 5% に達することがあります。

ウラン235の核分裂反応

(画像出典: ウィキメディア)

これらの中性子は速度が速いため、短時間でウランやプルトニウムの原子核と衝突し続け、さらなる核分裂を引き起こす可能性があります。この一連の反応は、よく知られている連鎖反応です。

原子爆弾が爆発すると非常に重要になります。できるだけ多くの連鎖反応が最短時間で起こったときにのみ、原子爆弾はその絶大な威力を発揮することができます。しかし、原子力発電所の原子炉では状況は異なります。

原子力発電所は短期間で急速に原子力エネルギーを放出することを望んでいません。一番大切なのは、丁寧に、着実にアウトプットしていくことです。そのため、ほとんどの原子力発電所の原子炉には、高速中性子を減速させて、より効率的な低速中性子（または熱中性子）に変える減速材が備えられています。

このエネルギーを利用して、原子力発電所は水を沸騰させ、発生した蒸気でタービンブレードを回転させ、発電機を駆動して電気を発生させます。これにより、原子力エネルギーを電気エネルギーに変換するという目標が達成されます。

いくつかの異なるタイプの原子炉

原子力発電所の種類によって、水を沸騰させる方法が若干異なります。まず、最も一般的な 2 種類の原子炉、沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉から始めましょう。

先ほど、高速中性子を減速させるために原子力発電所の原子炉に何かを追加する必要があると述べました。実際、普通の水は中性子減速材として使用でき、水は優れた冷却材でもあるため、これら 2 種類の原子炉では水を中性子減速材と冷却材として使用しています。

しかし、2つの原子炉にはいくつかの違いがあります。

沸騰水型原子炉は比較的「単純で原始的」です。容器の中に水と核燃料を直接入れます。核燃料が水を沸騰させた後、水は直接蒸気に変わり、タービンを駆動します。

沸騰水型原子炉

(画像出典: ウィキメディア)

加圧水型原子炉はもう少し複雑です。加圧水型原子炉には、一次回路と二次回路と呼ばれる 2 つの回路があります。一次回路には核燃料とともに水も直接入れられ、200～300℃に加熱されます（一次回路は高圧状態にあるため、100℃を超えても水は沸騰しません）。

加圧水型原子炉

(画像出典: ウィキメディア)

このお湯はパイプを通じて二次回路に熱を伝達します。この水は二次回路には入らず、二次回路に熱を伝達するだけであることに注意してください。二次回路の蒸気発生器では、水が沸騰して蒸気になり、蒸気タービンを駆動します。

どちらのタイプの原子炉にも利点と欠点があります。

たとえば、沸騰水型原子炉と比較すると、加圧水型原子炉は一次回路と二次回路で構成され、接続が長く、必要な機器も多くなります。 1 つの回路では、水を高圧に保つ必要があり、技術的なパフォーマンス要件とコストが比較的高くなることがよくあります。

沸騰水型原子炉内の水蒸気は炉心と直接接触しており、放射線レベルが比較的高い。伝送リンクと蒸気タービンと接触するリンク全体は、放射線に対して十分に保護される必要があります。

我が国の加圧水型原子炉の建造技術は世界トップレベルにあり、稼働中の原子力発電所もそのほとんどが加圧水型原子炉を主体としています。また、我が国が独自に開発した「華龍一号」も加圧水型原子炉である。現在、「華龍一号」はパキスタンに輸出されており、イギリスやアルゼンチンも積極的に「華龍一号」を導入している。

重水炉

沸騰水型原子炉であろうと加圧水型原子炉であろうと、原子炉の中には普通の水が入っています。中学校の化学で習ったように、水は2つの水素原子と1つの酸素原子で構成されており、分子式はH2Oです。

しかし、水素には実際には重水素と三重水素という 2 つの同位体が存在します。水素原子核に中性子をもう 1 つ追加すると、重水素になります (中性子をもう 2 つ追加すると、三重水素になります)。重水素原子と酸素原子は水分子、つまりD 2 Oを形成することもできます。この水は通常の水よりもはるかに重いため、重水と呼ばれます。

重水は普通の水と同様に原子炉の冷却材や減速材としても使用でき、普通の水に比べて自然な利点があります。通常の水は中性子減速材として機能しますが、一部の中性子も吸収します。これには、原子炉の原材料中のウラン235が比較的高い濃度に達することが必要になります。

重水（D2O）

(画像出典: ウィキメディア)

対照的に、重水は普通の水に比べて中性子を吸収する量がはるかに少ないです。これは、ウラン235を特に高濃度に濃縮する必要がなく、天然の酸化ウランを炉心の原料として直接使用することもできるため、ウランを濃縮する手順を省略できることを意味します。

我が国の秦山第三期原子力発電所は、同国初の商用重水炉原子力発電所です。

高速増殖炉

上記の 3 種類の原子炉はすべて、高速中性子を熱中性子に変換して連鎖反応を引き起こします。では、高速中性子を直接利用する原子炉はあるのでしょうか?

もちろんありますよ。このような原子炉は高速中性子増殖炉、または略して高速炉と呼ばれます。高速中性子はウラン238と反応してβ崩壊を起こし、プルトニウム239に変化します。プルトニウム239は核反応の燃料として引き続き使用できます。そのため増殖炉と呼ばれています。

我が国が独自に開発した実験用高速炉（CEFR）は、2011年7月に系統接続され、発電を開始しました。また、我が国の実証用高速炉も2017年12月に建設を開始しました。

建設中の中国の実験用高速炉

(画像出典: ウィキメディア)

さらに、ガス冷却炉や小型モジュール炉もあります。原子力エネルギーは人類にもっと優しい方法でエネルギーを供給しており、技術の進歩により原子炉はより安全で信頼性の高いものになってきています。

参考文献:

[1] 国家原子力安全局：原子力発電所はすべて同じタイプですか？

【2】国際原子力機関：水冷却炉

【3】国際原子力機関：高速炉

[4] チャールズ・D・ファーガソン『原子力エネルギー』（オックスフォード・ポピュラーサイエンス・リーダー）、華中科技大学出版局