2010-03-16

『次代を担う、エネルギー・資源』トリウム原子力発電4 炉の構造におけるウラン原発炉とトリウム溶融塩炉の比較』

本編シリーズ3では、“燃料として”のウラン系統とトリウム系統の原発の性能比較を行いました。
シリーズ記事『次代を担う、エネルギー・資源』 トリウム原子力発電1 核エネルギーを利用した発電システムを概観する1/2
の中で、

固体燃料の原子力発電所では、燃料装着、連続処理、メンテナンス等の点において合理的でないのに対して、液体化燃料を使用する溶融塩炉では、液体循環システムを主体とした単純なプラントとして設計可能で、固体燃料型炉の弱点を克服できる。

とまとめましたが、今回具体的な中身に迫っていきます。

その前に一般的に原子炉にはどんな要素があるかを見ておきましょう。
☆原子炉に必要な要素って何?
まず、核分裂を起こすには中性子が必要です。何らかの方法で核燃料に中性子を当てると分裂し、その中から「熱」と「中性子」が飛び出します。飛び出した熱を電力として利用するには、発電機まで運び出す熱搬送媒体(=冷却材)が必要です。

また、電力を継続的に生み出すには、この核分裂で飛び出た中性子を周囲の核燃料に当てて、連鎖的な核分裂(=臨界状態)が必要です。そのためにはこの中性子の速度を落とす必要があり、この働きをするものを「減速材」と言います。(※)

※なぜ中性子の速度を落とすと周囲の原子に当たりやすくなるのか?
(速度が速いと当りにくく、遅いと当りやすいのは、お互いの粒子間に核力が働き、お互いが引き寄せられるので、遅い方が当たる確立が上がる。というのが有力な説です。)

この「熱搬送媒体」と「減速材」が炉の構造に必要不可欠な要素ですが、「固体燃料炉」と、「液体化燃料炉(=トリウム溶融塩炉)」では下記のように異なります。

【固体燃料炉】  熱搬送媒体:水    減速材:水
【液体化燃料炉】 熱搬送媒体:溶融塩  減速材:黒鉛(C)

それではこの違いにも注目しながら、炉のシステムを見ていきましょう。

【シリーズ過去エントリー】
1.『次代を担う、エネルギー・資源』 トリウム原子力発電1 核エネルギーを利用した発電システムを概観する1/2
2.『次代を担う、エネルギー・資源』 トリウム原子力発2 核エネルギーを利用した発電システムを概観する2/2
3.『次代を担う、エネルギー・資源』 トリウム原子力発電3  核化学反応におけるウランとトリウムの比較
4.『次代を担う、エネルギー・資源』トリウム原子力発電【番外編】♪原子力コラム♪~核反応ってなあに?①~
5.『次代を担う、エネルギー・資源』トリウム原子力発電【番外編】♪原子力コラム♪~核反応ってなあに?②~

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☆☆☆固体燃料炉のシステム
以下の図は一般的な固体燃料炉(=軽水炉)の概念図です。


まず、一般的な固体燃料炉(軽水炉)では次のような特徴があります。

☆暴走しやすい構造

①一度に大量の核燃料を入れる炉
燃料となる天然ウランのままでは核反応を起こさないので、炉に入れる前に大量のエネルギーをかけて濃縮させます。濃縮させた固形ウランを図のようにペレットと呼ばれる容器に核燃料を詰め、そのペレットが何層にもなって燃料棒につめられています。
一度炉内に燃料を入れたら、開け閉めはできません。なので、最初からあらかじめ使用する長期間分(2年分程度)の大量な燃料を入れておきます。
しかも、反応によって出てきた核反応生成物が反応効率を落としてしまうため、さらに余分に燃料を入れているのです。そのため、固体燃料炉は大規模なプラントになってしまいます。

固体燃料炉の燃料棒
画像はあとみんさんよりお借りしました。

②出過ぎた中性子の量を調整する制御棒が必要
一度に大量に核燃料を入れているので、一歩間違えて燃料を一瞬で反応させたら、それこそ原爆と一緒です。それでは困るので、反応によって出過ぎた中性子を奪い取る(=周囲の原子に当てない)制御棒で中性子の量を調整しているのです。

→①、②をまとめると、もともと暴発しやすい構造だということが分かります。
言わば“アクセル全開のまま、ブレーキを踏んでいる状態”なのです。

☆核反応後にどうしても“放射性”生成物が残ってしまう
本来、炉の中で核反応後も中性子を長期間(10~20年)当て続けると、だんだんとその物質は安定へと向かい、放射性の出ない物質にまで変化します。
しかし、核燃料のうち反応しやすい部分は2年程度で使い切ってしまうので、残りの反応しにくい核反応生成物(残りカス)は取り出さないと、再稼動できません。結果的に反応した核反応生成物はほとんど”放射性“生成物のまま残って炉外に出されてしまいます。
その反応後の残りカス(=核廃棄物)の除去等にも大規模な装置が伴い、さらに大規模になってしまいます。

☆“水”も放射性物質に変わってしまう
固体燃料炉である「軽水炉」では、減水材に“普通の”水(=軽水)が用いられています。
“水”は減速材としてとても優秀で、簡単に核分裂の連鎖反応を引き起こします。また冷却材とも兼用でき、安価であるということで一般的に多く用いられているのです。
ところで、私達は“水は核反応しない”と錯覚しがちですが、実は違います。
水中に含まれる僅かな不純物とも反応して放射性物質に変化しますし、水中の水素原子に中性子が入り込み、危険で強力なγ(ガンマ)線を放出する3重水素(トリチウム)に変化してしまう部分もあるのです。

では一方、液体化燃料炉(=トリウム溶融塩炉)はどのような特徴を持っているのでしょうか?

☆☆☆液体化燃料炉(=トリウム溶融塩炉)のシステム
図はトリウム溶融塩炉の簡単な概念図です。

『塩(えん)』とは、酸とアルカリを反応させたときに出来るほぼ中性の結晶のことを指します。そして、溶融塩というのは、常温で固体(結晶)の『塩(えん)』を、高温で液体にしたものです。
高温で液体になったある種の溶融塩の中に、核燃料を入れた液体循環型の核化学反応装置の構造を溶融塩炉といいます。
『次代を担う、エネルギー・資源』 トリウム原子力発電1 核エネルギーを利用した発電システムを概観する1/2

このような構造上、以下の特徴・問題点が見られます。

☆炉の設計思想としては理にかなっているシステム
①随時必要な分だけ反応できる、連続処理が可能になる

トリウムは核分裂反応をおこさないので、核分裂反応を起こすウランに転換して燃料にします。そのために中性子を投入する核スポレーションという前処理が必要です。
『次代を担う、エネルギー・資源』トリウム原子力発電3  核化学反応におけるウランとトリウムの比較

ですから、固体燃料炉と同じように前処理にエネルギーが別途必要になります。その後で、図のように溶融塩中に核燃料を溶かした核燃料溶融塩を管内に入れ、ぐるぐると循環させます。液体化燃料炉では、図の黒鉛部分(=減速材)を通過したときだけ、核分裂をして熱エネルギーを発生します。水とは違い、溶融塩は非常に安定した特性をもち、またほとんど減速効果がないので、必要な分をその都度、投入することができます。
したがって反応の制御は燃料の“投入量”によって調整することができるので、固体燃料炉のような大がかりな制御棒も要りません。
②溶融塩は効率的な熱媒体(冷却材)
溶融塩が熱搬送媒体となりますが、溶融塩の特徴として「熱容量」が大きいことが上げられます。したがって、配管は小規模になり装置自体の小型化につながります。

→①、②をまとめると、一度に長期間分(2年分程度)の大量な燃料を入れる固体燃料炉とは違い、少ない燃料でも発電が可能で、一日なら一日分、随時必要な分だけ燃料を投入すれば良いのだから、固体燃料炉に比べると炉の暴発などの危険性が下がります。また、核燃料が溶融塩中に均一に分布するので、より安定的と言えるでしょう。
ただし、溶融塩内で中性子が減速される(核分裂が連鎖する)可能性は0パーセントでは無い(減速材の補助になる)ことや、高温溶融塩による配管の腐食(→破損)への懸念は課題として残ります。

☆発生する放射性の使用済核燃料の処理を同時進行できる
炉の中を循環させて、黒鉛部分で何度も核反応を起こせるので、分裂後の放射性核生成物も長期間繰り返し核反応させることができます。要するに、分裂後の放射性核生成物も「放射性物質ではない安定物質」まで核分裂を繰り返し、減らすことが可能です。
しかし、シリーズ3でも触れたように、実験炉では放射性物質が実際に生成されていますし、まだまだ実用化までには検討の余地がありそうです。

☆☆☆システム比較のまとめ
以上、一般的な固体燃料炉と液体化燃料炉(=溶融塩炉)を比較してみると、
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となり、“炉の構造”という意味では固体燃料炉より、はるかに理にかなった炉の形式だとわかりますが、実態上の“安全性”(=放射性廃棄物)に関してはまだまだ検証が必要になりそうです。

これまで、トリウム溶融塩炉のシステム全般にわたって一旦押さえたので、今後はトリウムの“埋蔵量”の分析と原子力発電界における体制問題に踏み込んでいきたいと思います。

List    投稿者 tutinori | 2010-03-16 | Posted in E03.トリウム原子力発電, F03.原子力発電ってどうなの?1 Comment » 

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コメント1件

 ぴのこ | 2011.03.05 0:02

寿命だって、長けりゃいいってもんじゃない。
延命されているだけとか、役割がないとか、そんな活力のない状態では、生き地獄のようなものなんじゃないかなぁと思います。
>「周りの役に立ち、活力をもって、充足して生きる」
>これが、“人々の寿命”と、定義できるのなら、
うわべの豊かさだとか、数字じゃなくて、
私たちが生きている場そのものを、その中身をいかに充実できるか?いかに、人々の充足を実現できるか?を捉えなおすときなんだと思いました♪
そんな時代の可能性が、少しでも見えてきたら☆+゜
楽しみにしています^^♪

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