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原子炉の構成

技術士(電気電子) 発送配変電 原子力発電

原子力発電は、二酸化炭素の排出が少ない発電方式である。ウラン235の1gで、火力発電で消費される石油2トン分に相当する発電が行える。

 

核分裂を連鎖的に行わせるためには、それに必要な最小の量があり、それを臨界量という。臨界量以下では連鎖反応は起きないが、臨界量以上では反応が増加し最終的に爆発に至ってしまう。そういった反応を制御し、持続的な核分裂反応を行わせる装置が原子炉である。

 

原子燃料

天然ウランには、核分裂反応を起こすウラン-235が0.7%しか含まれていないため、原子炉では濃縮した濃縮ウランを使用する。ウラン-235の濃度が20%以上のものを高濃縮ウラン、20%以下のものを低濃縮ウランという。

原子炉にはウラン-235を3〜5%に濃縮した低濃縮ウランを使用する。原子燃料は燃料棒や燃料板に成形加工され、それを被覆材で密封する。被覆材とは、原子燃料と冷却材が接触しないようにするためのものである。

 

減速材

減速材とは、高速中性子を熱中性子まで減速させるものである。減速材には衝突での中性子エネルギー損失が大きくなる、質量数の小さな原子核を持つものが適している。また、中性子の散乱が大きく、吸収断面積が小さいことが重要である。そのため軽水(H2O)や重水(D2O)、黒鉛ベリリウムなどが減速材に用いられる。

 

冷却材

冷却材は原子燃料を冷却すると同時に、発生した熱エネルギーを原子炉外に取り出すために用いられる。冷却材としては、中性子の吸収が少なく、被覆材への腐食作用がない材料が望まれる。また、熱の輸送効率がよく、誘導放射能が小さいことが必要である。そのため、軽水、重水、液体ナトリウム、空気、炭酸ガス、ヘリウムなどが用いられる。

 

制御剤

制御剤は、原子炉内の中性子の密度を制御するために用いられるものである。そのため、中性子吸収断面の大きな材料が望まれる。具体的には、カドミウム、ボロン、ハフニウムなどである。発電用の原子炉においては、それらの材料の表面をステンレス鋼などで被覆して、棒状にしたものを用いている。これを制御棒という。

 

 

反射体

反射体は、炉心から漏れてくる中性子を炉心内に戻すために用いられる。

つまり散乱断面積の大きな材料である必要があるため、減速材と同じ物質が用いられる。したがって、軽水、重水、黒鉛ベリリウムなどが反射体として用いられる。

発電用原子炉には、構成体の違いによって、軽水炉形、重水炉形、黒鉛ガス炉、高速増殖炉などがあるが、原子力発電の80%以上は軽水炉形になる。