加圧水型原子炉（PWR）とは

原子力は重要なエネルギー源であり、加圧水型原子炉 (PWR) は最も一般的な原子炉です。これらの原子炉は、制御された連鎖反応を利用して熱を発生させ、その熱でタービンを駆動して電気を生み出します。

この記事では、PWR の内部の仕組みを詳しく調べ、そのコンポーネント、プロセス、特性について説明します。核分裂によってエネルギーが生成される仕組みを調べ、原子炉のシステムの設計方法と、この設計の利点と欠点を探ります。

加圧水型原子炉とは何か

加圧水型原子炉 (PWR) は、軽水と呼ばれる通常の水を冷却材と中性子減速材の両方として使用する原子炉の一種です。この設計の特徴は、一次冷却ループ内の水を高圧に保つことです。これにより、高温でも水が沸騰するのを防ぎます。発生した熱は二次ループに伝達され、発電用の蒸気を生成します。PWR は、世界中の原子力発電所で使用されている最も一般的なタイプの原子炉です。

加圧水型原子炉の仕組み

PWR の運転には、核分裂、熱伝達、蒸気発生、発電、水のリサイクルなど、いくつかの重要なプロセスが含まれます。

核分裂

核分裂は、PWR におけるエネルギー生産の中核となるプロセスです。核分裂には、ウランなどの重い原子核に中性子を照射して分裂させるプロセスが含まれます。この分裂プロセスでは、大量のエネルギーが熱として放出され、さらに中性子も放出されます。放出された中性子は、さらに核分裂反応を誘発し、原子炉の炉心内で自己持続的な連鎖反応を引き起こします。この連鎖反応は、中性子を吸収する制御棒を使用して慎重に制御され、反応速度が安定して安全であることを保証します。

熱伝達

原子炉心での核分裂によって発生した熱は、一次冷却ループに伝達されます。このループには、沸騰しないように高圧に保たれた水が含まれています。加熱された水は、原子炉心を通って蒸気発生器に循環されます。蒸気発生器では、この加熱された水がチューブを通過し、その熱を二次ループの水に伝達します。一次冷却ループは、同じ水を繰り返し循環させる閉鎖系として動作します。

蒸気発生

PWR の二次ループは蒸気が生成される場所です。一次ループから二次ループに伝達された熱が二次ループ内の水を加熱します。この水は高圧の蒸気に変換されます。この高圧蒸気はタービンを駆動するために使用されます。一次水ループと二次水ループを分離することで、放射性物質が一次ループ内に閉じ込められるようになり、安全性が向上します。

発電

蒸気発生器で生成された高圧蒸気はタービンに送られます。蒸気の力でタービンのブレードが回転し、タービンは発電機に接続されています。発電機は回転するタービンの機械的エネルギーを電気エネルギーに変換します。この電気は電力網を通じて家庭や産業に配電されます。

結露と水のリサイクル

タービンを通過した後、蒸気は冷却され、凝縮器で水に戻ります。このプロセスにより、水は二次ループに再循環されます。水は予熱され、蒸気発生器に戻されて再び使用されます。この閉ループ システムにより、水の消費量が最小限に抑えられ、効率が最大化されます。

加圧水型原子炉の構成要素

PWR はいくつかの主要コンポーネントで構成されています。

原子炉コア

原子炉の炉心は核分裂が起こる場所であり、以下の要素で構成されています。

• 燃料棒と燃料集合体核燃料を収容する燃料棒は集合体として配置され、原子炉心内の水中に沈められます。
• 燃料燃料には濃縮ウランが使われます。通常はセラミックペレットの形をしています。
• 制御棒これらの棒は、ホウ素やカドミウムなどの中性子吸収材料で作られています。これらは炉心に挿入され、中性子を吸収して安定した連鎖反応を維持することで核分裂の速度を制御します。

原子炉圧力容器

原子炉圧力容器は、原子炉の炉心、冷却材、その他の内部部品を収容する大型で頑丈な容器で、高温と高圧に耐えられるように設計されています。

減速材と冷却材

通常の水（軽水）は、PWR 内で中性子減速材と冷却材の両方の役割を果たします。減速材として、水は核分裂中に放出される中性子を減速させ、追加の核分裂反応を引き起こす可能性を高めます。冷却材として、水は核分裂によって発生した熱を除去します。

加圧装置

加圧器は一次ループに接続された容器で、システムを高い一定の圧力に維持します。ヒーターと水を使用して一次冷却剤の圧力を制御し、沸騰を防ぎます。

蒸気発生器

蒸気発生器は一次冷却ループから二次冷却ループに熱を伝達します。二次冷却ループ内の水は蒸気に変換され、タービンを駆動するために使用されます。

一次冷却ループ

一次冷却ループは、原子炉心、加圧器、蒸気発生器を含む閉鎖系です。高圧水を循環させて、原子炉心から蒸気発生器に熱を伝達します。

二次冷却ループ

二次冷却ループには、蒸気発生器、タービン、凝縮器、および関連する配管が含まれます。これは一次ループとは別です。蒸気をタービンに送り、水を蒸気発生器に戻します。

加圧水型原子炉の主な特徴

PWR を定義するいくつかの重要な特性:

• 加圧水システム一次冷却ループは、水の沸騰を防ぐために高圧に保たれ、高温でも効率的な熱伝達を可能にします。
• 2ループシステム一次冷却ループと二次冷却ループを分離することで、放射性物質が蒸気タービンに到達するのを防ぎ、安全性を確保します。
• 軽水炉PWR では、中性子減速材と冷却材の両方に通常の水を使用します。これは入手しやすく、プロセスに効果的です。

加圧水型原子炉の利点

• 安定した動作: 負の温度係数を使用すると、原子炉が自己制御されることが保証されます。温度が上昇すると、核分裂の速度が低下し、制御不能な電力サージが防止されます。
• 効果的な熱伝達: 水は優れた冷却剤であり、原子炉の炉心からの熱除去を効率的に行います。
• ループの分離: 一次ループと二次ループを分離することで、放射性物質が蒸気タービンシステムに入るのを防ぎ、安全性を高めます。

加圧水型原子炉の欠点

• 高圧: 一次冷却ループ内の高圧には、堅牢で高価な封じ込めシステムが必要です。
• 濃縮ウラン: PWR には濃縮ウラン燃料が必要ですが、これはより高価で生産が複雑です。
• 腐食： 原子炉システム内の高温と高圧により、時間の経過とともに部品が腐食する可能性があるため、定期的なメンテナンスと検査が必要になります。
• 事故の可能性: 安全対策は講じられていますが、放射線放出による重大事故の可能性は依然として懸念されており、高度な安全機能と緊急時対応計画が必要です。
• 廃棄物管理: PWR は放射性廃棄物を生成し、慎重な取り扱い、保管、廃棄が必要となり、長期的な環境問題を引き起こします。