原子力におけるCANDU炉とは？特徴と仕組みを解説
原子力を知りたい
CANDU炉とは何ですか?
原子力マニア
カナダが開発した原子炉で、重水で減速・冷却するタイプです。
原子力を知りたい
軽水炉と違う点はありますか?
原子力マニア
燃料に天然ウランを使用し、燃料交換が運転中にできる点が特徴です。また、中性子減速材と冷却材が完全に分離されています。
CANDU炉とは。
原子力分野では、「CANDU炉」という用語があります。これはカナダが独自に開発・実用化した発電用原子炉を指し、その名前は「Canadian Deuterium Uranium」の頭文字に由来します。
CANDU炉は軽水炉とは異なり、燃料に天然ウランを使用しています。また、燃料集合体は横置きの圧力管に装填されます。原子炉の容器は「カランドリアタンク」と呼ばれ、内部には多数のカランドリア管が四角形に配置されています。
カランドリア管の内外は重水で満たされており、その中に圧力管が収められています。このカランドリア構造により、中性子減速材と一次冷却材が完全に分離されています。
さらに、CANDU炉は運転中に燃料を交換できる設計になっています。軽水炉とは異なる独自の工夫がされており、燃料交換時に炉心からの照射済み燃料集合体の移動を直接確認することは困難なため、燃料バンドルカウンタによる自動計数が採用されています。ただし、保障措置のため、現在は運転中の燃料交換は行われていません。
CANDU炉の特徴
特徴的な設計CANDU炉は加圧重水炉（PHWR）の一種であり、重水（D2O）を減速材と冷却材として使用しています。この設計により、通常の水炉とは異なる特徴を備えています。
天然ウランの使用CANDU炉の大きな利点の一つは、天然ウランを使用できることです。ほとんどの水炉は濃縮ウランを必要としますが、CANDU炉は天然ウランを直接使用できます。これにより、燃料費が削減され、ウラン採掘への依存度が低減します。
オンライン給油CANDU炉は、原子炉を停止することなく燃料を交換できるオンライン給油機能を備えています。このため、計画外の停止を減らし、プラントの可用性を向上させることができます。
高度な安全機能CANDU炉は、堅牢な安全機能も備えています。二重の安全遮断システムは、原子炉の急速な停止と冷却を確保します。また、原子炉容器は二重壁構造になっており、放射性物質の放出を防止します。
燃料と燃料集合体
CANDU炉における燃料と燃料集合体は、原子炉の安全かつ効率的な運転にとって不可欠な要素です。CANDU炉では、天然ウランを燃料として使用しています。これは、濃縮ウランを使用する他の種類の原子炉とは異なります。
天然ウランは、ウラン235（核分裂する同位体）の濃度が非常に低いです（約0.7％）。そのため、核分裂連鎖反応を維持するために、特別な燃料集合体が使用されています。燃料集合体は、約38本の燃料ピンが六角形に配置された構造です。それぞれの燃料ピンは、細長いジルカロイ管に包まれたウラン二酸化物（UO2）ペレットで構成されています。ジルカロイは、中性子を吸収しにくい金属で、燃料ペレットの損傷を防ぎます。
カランドリア構造
カランドリア構造は、CANDU炉の重要な特徴です。カランドリアとは、炉心部を取り囲む重水で満たされた円筒形の容器のことです。この重水は、中性子を減速する役割を果たし、核分裂に必要な熱中性子を生成します。また、カランドリアは炉心部の放射線を遮蔽し、周囲の機器や操作員を守る役割も担っています。
CANDU炉では、燃料集合体が水平にカランドリア内に配置されます。燃料集合体は、核燃料のウランを格納する細い金属製の管の束で構成されています。重水は、燃料集合体とカランドリアの壁の間を循環し、熱を吸収・除去します。この熱は、原子炉の蒸気発生器で蒸気に変換され、発電に使用されます。
運転中の燃料交換
運転中の燃料交換は、CANDU炉の重要な特徴です。CANDU炉では、核分裂によるエネルギーが発生する炉心内に燃料集合体が格納されています。これら集合体は、定期的に交換する必要があります。従来の原子炉では、炉心の燃料交換のためにプラントを停止する必要がありますが、CANDU炉では運転中に燃料交換を行うことができます。
このプロセスでは、交換する燃料集合体は特別な燃料チャネルで囲まれています。チャネルは、炉心外縁にある圧力調整管に接続されており、この管を通じて重水が循環しています。重水は燃料チャネルを冷却し、交換する燃料集合体を冷却する役割を果たします。交換プロセスでは、炉心の上部にある燃料交換機が使用され、使用済み燃料集合体を新しい燃料集合体と入れ替えます。この操作は、プラントを停止することなく、継続的に行うことができます。
保障措置上の配慮
保障措置上の配慮
CANDU炉は、その設計から、核拡散に対する効果的な障壁となるように設計されています。重水炉であるため、照射された燃料には核分裂性物質であるプルトニウムがわずかしか含まれず、プルトニウムの回収が困難です。また、燃料棒をオンラインで補給できるため、燃料の取り扱い頻度が低く、核物質の不正流用のリスクを低減できます。さらに、炉心設計が複雑なため、核物質の回収と転用が困難です。これらの特徴により、CANDU炉は核不拡散条約（NPT）の下で保障措置上の要件を満たす安全な原子炉となっています。