高速増殖炉
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高速増殖炉（こうそくぞうしょくろ、Fast Breeder Reactor、FBR）とは、 高速中性子による核分裂連鎖反応を用いた増殖炉のことをいう。
高速中性子を利用しながら核燃料の増殖を行わない原子炉の形式は、単に高速炉（Fast Reactor:FR）と呼ばれる。
目次 |
[編集] 概要
世界中の商用発電用原子炉として一般的な軽水炉と比べて、高速増殖炉は3つの点で大きく異なる。1つ目は冷却材に軽水（つまり普通の純水）を使わずに、代わりに溶融金属を使うこと。2つ目は核燃料にMOX燃料と呼ばれるプルトニウムとウランを混合して酸化させたものを使うこと。3つ目は発電用の熱を生み出しながら、核燃料には使えないウランから次の核燃料として使うためのプルトニウムを同時に生産する点である[出典 1]。
MOX燃料の元となるプルトニウムとウランはいずれも核廃棄物として処分する他に使い道はあまりないものであるが、高速増殖炉の炉心で燃やすことでそれらを有効利用しながら、さらに不要なウランから次の高速増殖炉用の核燃料であるプルトニウムを作り出すことで核燃料を循環させる「核燃料サイクル」を実現するための要となる装置である。
こういった意欲的な構想の下に先進工業国で研究開発が進められて来たが、軽水炉にはない様々な問題を含んでいるため、実験炉から原型炉までは数ヶ国でいくつか完成したが、2009年現在も実証炉の完成までには至っていない。
[編集] 構成要素
高速増殖炉は流体を冷却材に使って炉心の熱を外部に導き、蒸気を発生させて発電等に利用する点では、一般的な軽水炉と似た仕組みを持っている。一方では、冷却材と燃料において大きな違いがある。
[編集] 冷却材
軽水炉では、炉心の熱エネルギーを外部に取り出すための冷却材や中性子の減速材、反射体などを兼ねて軽水を利用するのに対し、高速増殖炉では高速中性子を減速させないように加熱溶融した金属ナトリウムのような液体金属を使用する。
高速増殖炉の冷却材は、平均速度が秒速1万km程の高速中性子に対して減速効果が小さくその運動を衰えさせないものでなければならず、また単位体積当たりの出力密度が軽水炉よりもかなり大きくなるため、熱伝導率の良いものでなければならない。高速中性子に対する減速効果は水素や重水素のように核内の陽子ができるだけ少なく裸のままでいる元素が大きくなる[出典 1]。
これらの条件を満たすものとして、金属ナトリウムが使われている計画が多いが、鉛・ビスマスやヘリウムガス冷却も一定の経済性を持つと言われる。ナトリウムは発火性が、鉛・ビスマスは腐食性が問題である。過去には水銀、ビスマス、鉛、カリウム、NaK（ナトリウムカリウム合金）などが考えられた。
[編集] 燃料
- MOX燃料
炉心内中央部にはMOX燃料と呼ばれる核燃料集合体が置かれる。
使用前のMOX燃料は、燃料となるプルトニウム239とウラン235が微量と、あとは核分裂をほとんど起こさないウラン238で占められている。
MOX燃料は、（最初は）他の原子炉で使用済みとなった核燃料棒を再処理して取り出されるプルトニウムとウランを混合して酸化させペレット状に固めて燃料被覆管に詰められ核燃料棒とされる。酸化させさせることで熱に強くして溶けにくくしている。このプルトニウムは、軽水炉内から取り出された使用済み燃料を再処理して得られた物か、高速増殖炉のブランケットを処理して得られた物のいずれかであり、軽水炉由来の方がプルトニウムの同位体が多く含まれている。 ウランは、天然ウランからウラン235を相当分抽出した残りか、または天然ウランそのものである場合と、軽水炉や高速増殖炉のMOX燃料・ブランケットを処理して得られた物などであり、いずれも核燃料として有益なウラン235はあまり含まれていない。
使用済み核燃料中には核分裂に伴う分裂片や多くの元から含まれる核燃料近縁の重核種の同位体が含まれ、再処理前にプール内で十分な冷却期間を置いても何年も熱を帯びながら崩壊による強い放射線を放ち続ける。プルトニウムを分離後も、プルトニウム239の他にプルトニウム238やプルトニウム240、プルトニウム241などが含まれ熱と強い放射線を受けながら核燃料の製造を行わねばならない。
なおプルトニウムの混合割合を富化度といい、高速増殖炉ではこの割合を20-30％とする。
- ブランケット
炉心内の周辺部にはブランケットと呼ばれるウラン238を主成分とする燃料集合体が置かれる。ブランケットも炉内で「燃える」つまり核分裂反応して発電に寄与するがその割合は比較的少ない。
炉心中央部のプルトニウム239やウラン235といった核分裂性の核燃料が臨界による連鎖反応を起こすことで放たれた高速中性子が冷却材にさえぎられることなくそのかなりの割合が周囲まで飛び出して来る。周囲を取り囲むように配置されたブランケット内のウラン238は、この高速中性子を原子核に吸収することで2度のベータ崩壊を起こしネプツニウム239を経てプルトニウム239に変わる。プルトニウム239は（低速な）熱中性子を吸収するとプルトニウム240に変わるが減速材が存在しなければほとんどの中性子は高速のままで飛び込んで来るため、それがプルトニウム239の核に当たると分裂することになる。たたし、プルトニウムの核分裂断面積は小さく高速中性子が核に当たることはまれである。結局、ブランケットのウラン238は徐々にプルトニウム239へと変化してゆく。
ブランケットのウランは天然ウランか劣化ウラン、またはそれらの混合物であり、ウラン238が主体となる[出典 1]。
[編集] 核燃料サイクル計画
アメリカ合衆国は2006年2月から核燃料サイクル計画 "GNEP:Global Nuclear Energy Partnership" によって[1]、核燃料サイクルとともに高速増殖炉の技術開発推進の立場に転じた。このプロジェクトには2008年1月1日時点で、日本を含む19ヶ国が参加を決定している[2]。またこのプロジェクトによる高速増殖炉の実験炉と核燃料再処理施設建設の発注予定先として交渉相手に選ばれているのは三菱重工、日本原燃、アレバの3社である[3][4]。
[編集] 特徴
- 核分裂を起こしやすいウラン235は天然に存在するウランの0.7%程度にしか過ぎず、約99.3%は核分裂をほとんど起こさないウラン238であるため、エネルギー源として利用できるウランは、ウラン資源の1%にも満たないことになる。しかし高速増殖炉によってウラン238をプルトニウムに転換することができれば、核燃料サイクルが実現し、理論上ウラン資源の約60%をエネルギーとして使用することが出来るため、ウランの利用効率を飛躍的に高くすることができると考えられる。
- MOX燃料を使う事ができる。
- 冷却材として使用される金属ナトリウムは沸点が高いため、軽水のように高圧を掛ける必要が無く、常圧で運転することが可能である。このことは、冷却材の減圧による沸騰を原因とする冷却材喪失事故（LOCA:Loss Of Coolant Accident）がほぼ起きないことを意味しており、同時にその事故に備えるための非常用炉心冷却装置（ECCS:Emergency Core Cooling System）も必要のないことを意味している。
- 炉心が小型にでき、出力密度が高い。
[編集] 増殖
通常、軽水炉では燃料棒中のウラン235を熱中性子により核分裂させ、エネルギーを生成する。このとき消費したウラン235以上にプルトニウムが生成されることはなく、燃料棒中の核燃料は減少する。これは、熱中性子は高速中性子よりもウラン235やプルトニウムの核分裂を誘起しやすいが、燃料棒中のウラン238に捕獲されてプルトニウム239を生成する確率が低いためである。逆に高速中性子はウラン235やプルトニウムの核分裂を誘起しにくいが、ウラン238に捕獲されてプルトニウム239を生成する確率が高い。この性質を利用して、消費した燃料以上のプルトニウムを生成するように設計されたものが高速増殖炉である。
高速増殖炉の「高速」は、利用する中性子が高速中性子であることに由来する。高速増殖炉では、ウラン238をプルトニウムに転換させるため、ウラン資源を事実上数十倍にできる。このため「夢の原子炉」と言われ、日本、フランス、中国など国内でのエネルギー使用量に比べ資源が少なく、エネルギー使用量の多い国で開発が推進されている。
高速増殖炉の燃料転換率は、理論的には1.24から1.29程度と考えられておりもんじゅの場合は約1.2である[出典 2]。
[編集] FBRの形式
高速増殖炉には以下の三種類の形式がある。
- ループ型
- 原子炉、一次主冷却系循環ポンプ、中間熱交換器をそれぞれ別の容器に納め、それらを配管でつないだもの。
例）常陽、もんじゅ
- 原子炉、一次主冷却系循環ポンプ、中間熱交換器をそれぞれ別の容器に納め、それらを配管でつないだもの。
- タンク型（プール型）
- 原子炉、一次主冷却系循環ポンプ、中間熱交換器を一つのタンクの内に納めたもの。
例）フェニックス、スーパーフェニックス
- 原子炉、一次主冷却系循環ポンプ、中間熱交換器を一つのタンクの内に納めたもの。
- ハイブリッド型
- タンク内で1つに収容されている設備を2つに分けたもの。ループ型とタンク型を併せたようなもの。
[編集] 問題点
[編集] 技術的課題
- 金属ナトリウム
- 技術的な最大の問題は、冷却材である金属ナトリウムの管理が難しいことである。金属ナトリウムは水や酸素に触れると高温を放って激しく酸化されるため、取り扱いには極めて高度な技術を必要とする。軽水は透明だが金属ナトリウムは不透明であり、これを用いると内部状態の計測が難しくなる。「もんじゅ」の停止は、配管からの金属ナトリウム漏出事故による。また、特に蒸気タービンに繋がる二次冷却系との間は、熱を伝えるための多数の薄い金属管を隔てて軽水と対向しているため、わずかな漏れでも大事故につながると考えられている。このような冷却系の取り扱いの難しさから、同型炉での事故例が多い[5]。ナトリウムの代わりに鉛・ビスマスを使用した方式では発火性はないが、腐食性が問題となり、ナトリウムで進めてきた開発技術や設備が無駄になって新たに耐食性の技術開発が求められる。
- 燃料
- 日本での高速増殖炉用のMOX燃料は、六ヶ所再処理工場での製造が予定されているが、アクティブ試験が3年間継続したままであり本格稼働の開始予定は遅れている。ここでMOX燃料が生産できなければ、他国から輸入するか原子炉の稼動を見合わせることになる。
- プルトニウムの挙動
- プルトニウムの炉内での挙動に未解明な点がある。フランスのフェニックス（Phénix）では、原因不明の出力低下があり、その原因は未だに解明されていない。これがフランスがスーパーフェニックスから撤退する理由の一つであった。
[編集] 社会的課題
- 核兵器の材料
- 核兵器の材料となるプルトニウムを大量に加工・保有することに対して、国際的な懸念や批判がある。
- 標準的な核兵器を作るには純度の高いウラニウム235か、プルトニウム239が必要とされ、21世紀現在ではウラン濃縮を行うよりも、黒鉛炉、重水炉、高速増殖炉のいずれかでプルトニウム239を生産する方法が最も現実的な手段となっており、3種の炉の中でも高速増殖炉が最も生産に適している。商業用原子炉で一般的な軽水炉は、効率良くプルトニウム239を生産できず、兵器性能を著しく低下させるプルトニウム240の割合が高くなるので核爆弾生産用にはあまり適していない。例えば、日本の「もんじゅ」は停止するまでの1年半の間に濃縮度96%以上のプルトニウム239がおよそ60kg程度生じていたと考えられ、プルトニウム240などの不純物を混ぜることで軍事転用への懸念を回避したかどうか、明らかにはなっていない[出典 1][6]。
- 輸送時の警備
- プルトニウムを含むMOX燃料の輸送問題がある。プルトニウムは核兵器の原料であるため、輸送時にはテロリストやその支援国家などに核ジャックされる可能性があり[7]、常にこれに備える必要がある。海上輸送が必要となる日本では、その脅威に備えるため新たに世界最大の巡視船であるしきしまを建造しなければならなかった。
- ウラン燃料は、ウラン235の半減期が約7億年と長いことから通常状態において殆ど放射線を出さないのに対し、プルトニウムを含む燃料は、プルトニウム239の半減期が約2万4千年とウラン235と比較して短いため強い放射能を持ち、プルトニウムの使用やその輸送に対する反発の声が高まっている。
- 安全運転への不安
- 開発中の高速増殖炉の多くが何らかの事故を起こすなど、安全性への疑問が多くの国で生まれ、将来の経済性までも含めて政治的な判断によって開発を断念する国が少なくない。日本でも、高速増殖炉原型炉もんじゅで金属ナトリウム漏洩事故が起こって以来、高速増殖炉開発および、プルサーマル計画は中断されたままである。
[編集] 経済的課題
- 費用
- 核燃料の再処理や高速増殖炉建設などに通常の軽水炉型の原子炉よりも多額の費用が掛かる。
- 1970年代頃までは、原子力発電の振興により将来的にはウラニウムの需要が増して価格は上昇するものと考えられていた。しかし、発電所の建設費や核廃棄物・廃炉処理の経費高騰によって火力発電に対する経済的優位性は漸減し、原子力発電に対する反対運動の盛り上がりや、スリーマイル島原子力発電所事故、チェルノブイリ原子力発電所事故等の原子力事故により、原子力発電は拡大する機会がなかった。そのため、ウランの需要は伸びずに、逆に原油価格は上昇し続けたため、ウランは石油などの他のエネルギー源との比較において、値上がりもせずに安定して購入できるようになっている。もともとウラニウム資源を有効利用することを目的にはじまった高速増殖炉の開発に、多額の予算をかけて今後も困難な技術開発を進め続け、1基ごとの発電施設で見ても軽水炉よりも多くの建設費が掛かるものを本当に必要なのかという意見もある。
[編集] 世界の高速増殖炉
開発予算を大幅に減らしたり開発そのものを中止する国も少なくないが、将来のエネルギー需要増が懸念される国々では積極的である。
中国では、開発を推進している。ロシアも中国と共同で開発する意向を表明している。インドは2010年に独自開発の原型炉で商業運転を開始する予定である[8][出典 3]。
[編集] 日本
- 常陽 － 実験炉、1970年着工、77年臨界。2007年6月に炉内で機器を損傷、現在停止中。熱出力140MW
- もんじゅ － 原型炉、1980年着工、94年臨界。1995年にナトリウム漏出火災事故、現在停止中。電気出力280MW
- （DFBR-1 － 実証炉、計画中止）
- （JSFR － 実証炉、計画中 2050年頃）
[編集] アメリカ合衆国
- Clementine － 実験炉、1946年臨界、52年閉鎖、熱出力25KW
- EBR-I － 実験炉、1946年着工、51年臨界、63年閉鎖、電気出力0.2KW：世界初の原子力発電が行われた炉である
- LAMPRE－ 実験炉、1959年着工、61年臨界、65年閉鎖、熱出力1MW
- EBR-Ⅱ － 実験炉、1957年着工、63年臨界、94年9月閉鎖、電気出力20MW
- エンリコ・フェルミ炉 － 実験炉、1956年着工、63年臨界、72年閉鎖、電気出力61MW：1966年10月5日に炉心溶融事故を起こしたため閉鎖された。原子力事故を参照
- SEFOR－ 実験炉、1965年着工、69年臨界、72年?閉鎖、熱出力20MW
- FFTF－ 高速増殖炉用燃料照射炉、1970年着工、80年臨界、93年閉鎖、電気出力400MW
- CRBR－ 原型炉、1982年着工、83年計画中止
- （SAFR－ 原型炉、計画中止）
- （PRISM－ 原型炉、1988年概念選定、94年9月計画中止）
[編集] フランス
- ラプソディ（Rapsodie） － 実験炉、1962年着工、67年臨界、83年閉鎖、熱出力40MW
- フェニックス（Phénix） － 原型炉、1968年着工、73年臨界、2009年停止予定、電気出力250MW
- スーパーフェニックス（Superphénix） － 実証炉、1977年着工、85年臨界、98年2月閉鎖決定、電気出力1240MW
- （スーパーフェニックス2（Superphénix II） － 計画中止。欧州EFR計画に統合）
[編集] イギリス
- DFR － 実験炉、1955年着工、59年臨界、77年閉鎖、熱出力15KW
- PFR － 原型炉、1966年着工、74年臨界、94年閉鎖、電気出力250MW
- CDFR － 商業実証炉、計画中止。欧州EFR計画に統合
[編集] ロシア（旧ソ連）
- BR-1 － 実験炉、運転終了
- BR-2 － 実験炉、運転終了・閉鎖
- BR-3 － 実験炉、運転終了
- BR-5 － 実験炉、のちにBR-10に改造。運転終了
- BOR-60 － 実験炉、1965年着工、69年臨界、熱出力12MW
- BN-600 － 原型炉、1970年着工、80年臨界、電気出力600MW
- （BN-600M －原型炉、計画中）
- BN-800 － 実証炉、1986年着工、1990年から2001年まで工事中断後に建設再開、2010年初臨界予定。電気出力予定800MW
- （BN-1600 計画中）
- （BNM-170 計画中）
- （BREST-300 計画中）
- （BREST-1200 計画中）
[編集] カザフスタン（旧ソ連）
- BN-350 － 原型炉、1965年着工、72年臨界、電気出力150MW
[編集] ドイツ
- KNK-Ⅱ － 1975年熱中性子炉のKNK-Ⅰより改造した実験炉、77年臨界、91年8月閉鎖、電気出力20MW
- SNR-300 － 原型炉、1973年着工、91年3月計画中止、電気出力予定327MW
- SNR-2 － 実証炉、計画中止。欧州EFR計画に統合
[編集] イタリア
- PEC － 実験炉、1976年着工、87年計画中止、電気出力予定120MW
[編集] 欧州
フランス、イギリス、ドイツ、イタリア、ベルギーの国際プロジェクトで、商業実証炉 EFR により2010年代の運転を目指していたが、設計研究終了後、計画を中止した。
[編集] インド
- FBTR － 実験炉、1976年着工、1985年臨界、電気出力13MW
- Kalpakkam PFBR － 原型炉、2010年商業運転開始予定、電気出力予定47MW
- （2020年までに4基の高速増殖炉を建設予定）
[編集] 中国
- CEFR - 実験炉、電気出力予定25MW：1988年に着工後、初臨界予定は2009年である[出典 4]
原型炉、実証炉は計画中であり、商用炉は2030年の運転開始を目標としている。
[編集] 韓国
- KALIMER-600－（原型炉、概念設計終了）
[編集] 注記
- ^ GNEP
- ^ GNEPプロジェクトに参加する19ヶ国の内訳は、米国、台湾、フランス、日本、ロシア、オーストラリア、ブルガリア、ガーナ、ハンガリー、ヨルダン、カザフスタン、リトアニア、ポーランド、ルーマニア、スロヴェニア、ウクライナ、イタリア、カナダ、韓国である。
- ^ 三菱重工業は米国エネルギー省（DOE）と原子力GNEP計画の契約を締結
- ^ 三菱重工と日本原燃 高速炉、米で合併 仏アレバと国際標準狙い
- ^ 金属ナトリウムが漏出したときのために、循環系の設置される区域は窒素ガスが充填される。そのため、人間が容易にその区域に入ることが出来ず、緊急時のメンテナンス性が損なわれている。
- ^ プルトニウムが核兵器の原料となる危険があり、米国のカーター政権が高速増殖炉から撤退することを決めたのは、プルトニウムの拡散防止が理由の一つであった
- ^ 兵器級プルトニウムによって高性能な核兵器を作る目的だけに限らず、核廃棄物をばら撒く「ダーティボム」（汚い爆弾）としてなら、使用前・使用後に関わらずあらゆる核物質が利用される恐れがある。
- ^ 高速増殖炉サイクルに関する国際的な研究開発の現状
[編集] 出典
- ^ い ろ は に 山田克哉著 『日本は原子爆弾を作れるのか』、PHP研究所、2009年1月30日第１版第１刷発行、ISBN 9784569706443
- ^ 原子力のすべて 「原子力のすべて」編集委員会 編
- ^ インドの原子力発電計画と核燃料サイクルの見通し
- ^ 日本原子力研究開発機構 「世界の高速増殖炉開発の実績は」
[編集] 関連項目
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最終更新 2009年11月21日 (土) 05:48 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。
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