原子力用語に潜む熱の謎『崩壊熱除去』
原子力を知りたい
崩壊熱除去について教えてください。
原子力マニア
崩壊熱とは、原子炉が停止した後も、核分裂生成物の崩壊によって発生する熱のことです。この崩壊熱を除去するための冷却系が崩壊熱除去系です。
原子力を知りたい
なるほど、原子炉停止後も崩壊熱が発生するんですね。
原子力マニア
そうです。原子炉停止後は、定格出力の約10%に相当する崩壊熱が発生します。その後、徐々に発生量は減少しますが、一定期間は崩壊熱を除去する必要があります。
崩壊熱除去とは。
原子力業界で用いる「崩壊熱除去」という用語があります。原子炉でエネルギーが発生するのは、核分裂連鎖反応によるものです。この反応の結果、エネルギーとともに、核分裂生成物という放射性物質が生まれます。
核分裂生成物は放射能を発し、その崩壊によって熱が発生します。つまり、原子炉の炉心は原子炉を停止した後も、核分裂生成物の崩壊によって熱を出し続けます。この熱を崩壊熱と呼び、発電中の出力のおよそ10%に相当します。
しかし、核分裂生成物が崩壊すると、崩壊熱の発生量は徐々に減っていきます。そのため、原子炉を停止した後も、ある程度の時間、冷却系の一部を使って崩壊熱を除去する必要があります。このために設けられている冷却系を「崩壊熱除去系」（または「余熱除去系」）と呼びます。
核分裂とは？
核分裂とは、ウランなどの重い元素の原子核が、中性子などの粒子と衝突して分裂することです。このとき、大量のエネルギーと新たな元素が放出されます。核分裂反応は、原爆や原子力発電所の動作原理です。核分裂の際に発生するエネルギーの量は、アインシュタインの有名な式E=mc²で表され、物質の質量がエネルギーに変換されることを意味します。原子力発電所では、このエネルギーが熱に変換され、タービンを回転させて電気を発生させます。
核分裂の副産物『核分裂生成物』
原子力用語に潜む熱の謎『崩壊熱除去』とは、原子炉の運転を停止した後にも発生する熱のことだ。この熱は、核分裂の副産物である『核分裂生成物』が崩壊することで発生する。核分裂とは原子炉内で起こる過程で、ウランやプルトニウムといった原子核がいくつかの軽い原子核に分解される反応のことを指す。このとき、エネルギーの放出とともに核分裂生成物が生まれる。核分裂生成物は不安定なため、時間が経つと崩壊してベータ線やガンマ線といった放射線を放出するとともに熱を発生させる。これが、原子炉運転停止後も熱が発生する原因となる。
崩壊熱とは？
「崩壊熱」とは、原子炉が停止しても、核分裂生成物やウランの一部での核分裂によって発生する熱のことです。この熱は、原子炉の運転中に発生する熱とは異なります。運転中は原子炉の制御棒によって制御され、原子炉が停止すると自然に発生します。崩壊熱は長時間継続し、原子炉を停止した後も数か月から数年かけてゆっくりと減少していきます。
崩壊熱除去の必要性
原子力発電所では、原子核分裂により核反応が起こり、その際に発生する熱エネルギーを利用して発電されています。このとき発生する熱エネルギーを崩壊熱といいます。
原子炉が停止すると、核反応は止まりますが、核分裂生成物内部では依然として崩壊が続き、崩壊熱が発生し続けます。この崩壊熱を取り除かなければ、原子炉の温度が上昇し、事故につながる可能性があります。これが、崩壊熱除去の必要性です。
崩壊熱除去系（余熱除去系）
原子力発電所を理解する上で重要な概念の一つが「崩壊熱除去系」（余熱除去系とも呼ばれます）。これは、原子炉が停止した後も発生し続ける崩壊熱を取り除くために設計されたシステムです。
崩壊熱とは、ウラン原子が分裂した際に放出されるエネルギーで、停止後も数日間から数週間にわたって継続します。この熱を適切に取り除かないと、原子炉の燃料が過熱して炉心溶融事故につながる可能性があります。
崩壊熱除去系は、 炉心から崩壊熱を回収し、冷却材を循環させて熱を外部環境に放出する仕組みになっています。冷却材には水や液体金属などが用いられ、蒸気発生器や熱交換器などの装置を介して熱が取り除かれます。
崩壊熱除去系は、原子力発電所の安全確保に不可欠なシステムです。原子炉の停止後も、施設内の崩壊熱を制御し、炉心溶融やその他の事故を防ぐ役割を果たします。