固有安全炉：動的機器に依存しない原子の安全
原子力を知りたい
固有安全炉について教えてください。
原子力マニア
固有安全炉とは、動的機器に依存せず、静的機器のみで安全性が確保される原子炉のことです。
原子力を知りたい
固有の安全性を確保する特性にはどのようなものがありますか？
原子力マニア
例えば、強制冷却なしでも崩壊熱が除去できることや、出力上昇による負の反応度フィードバック特性による出力抑制効果などが挙げられます。
固有安全炉とは。
「固有安全炉」とは、原子炉の用語で、1972年のスリーマイル島事故以降に検討されてきた原子炉の概念です。
固有安全炉では、炉心構成要素や形状といった固有の性質を利用して、動的な機器に頼らず、静的な機器のみで安全性を確保しています。
固有の性質の例としては、強制冷却を必要とせずに自然循環または熱伝導によって崩壊熱を除去でき、炉心出力が急上昇しても負のフィードバック効果により反応度事故を防げることなどが挙げられます。
代表的な固有安全炉として、スウェーデンのPIUS炉があります。
また、高温ガス炉では、熱容量が大きく耐熱性に優れた黒鉛を減速材に使用するため炉心溶融がなく、不活性ガスのヘリウムを冷却材に使用するため燃料や構造材との化学的相互作用がなく、固有の安全性が高いとされています。
さらに、炉心の大きな負の温度反応度係数を利用したナトリウム冷却小型高速炉（4S炉）の開発が進められています。
次世代原子炉の開発では、安全システムなどの設備に検討を加えることで、固有の安全性を高めることが目指されています。
固有安全炉の概念
固有安全炉の概念は、動的機器に依存しない原子の安全を追求したものです。一般的な原子炉では、制御棒や冷却システムなどの動的機器が安全性を確保するために必要不可欠です。しかし、固有安全炉では、原子炉の固有の物理特性を利用して、これらの機器に依存せずに安全性を確保します。例えば、負の温度係数を利用して、出力が上昇すると自動的に反応度が下がるように設計することで、臨界事故を防ぎます。また、低温で溶融しない燃料や、自己遮蔽効果を利用した構造を採用することで、メルトダウンを防ぎます。固有安全炉は、動的機器の故障や人為的ミスに依存せず、より安全で信頼性の高い原子力発電を実現することを目指しています。
動的機器への依存性の低減
原子炉の安全を確保する上で、動的機器への依存性を低減することが重要視されています。固有安全炉は、この目標を達成するために設計された炉です。固有安全炉では、安全を確保するために動的機器に頼らず、受動的安全性機能を備えています。受動的安全性機能とは、外部からの電力や制御システムの介入なしに、自然の物理現象を利用して炉を安定した状態に維持する機能のことです。これにより、事故が発生した場合でも、動的機器の故障による影響を最小限に抑えることができます。
PIUS炉：固有安全炉の代表例
-「PIUS炉固有安全炉の代表例」-
固有安全炉の代表格である-PIUS炉（Process Inherent Ultimate Safety）-は、スウェーデンで開発された革新的な原子炉設計です。PIUS炉は、アクティブな安全システムに依存せず、固有の物理法則を利用して安全性を確保しています。
PIUS炉の重要な特徴は、高温かつ高圧の濃縮冷却材を使用していることです。この冷却材は、炉がシャットダウンされると自然循環により炉心から熱を除去します。さらに、下向きの給水孔により、水が常に炉心の上部に供給され、蒸気の発生が抑制されます。これらの特性により、PIUS炉は外部電源やオペレータ操作に依存することなく、安全に停止することができます。
高温ガス炉の固有の安全性
高温ガス炉の固有の安全性
高温ガス炉（HTGR）は、固有安全炉の一種であり、アクティブな安全システムや動的機器に依存することなく、固有の設計特性によって安全性を確保しています。HTGRは、高い熱容量と低い熱出力密度を持つグラファイト減速材を使用しており、これが温度上昇に対する緩やかな応答をもたらします。また、燃料が球状グラファイト粒子内に密閉されており、これにより燃料の破損や放出が防止されます。さらに、HTGRは天然循環による冷却システムを採用しており、このため、電力がなくても自然対流による冷却が可能です。これらの固有の安全特性により、HTGRは、事故や過酷な状況においても、安全で信頼性の高い原子炉とされています。
4S炉における負の温度反応度係数の活用
固有安全炉の設計において、4S炉は、負の温度反応度係数を活用することで注目を集めています。負の温度反応度係数とは、原子炉内の温度上昇が核分裂反応の度合いを低下させる性質を指します。
4S炉では、ドップラー広がりと自己吸収という2つの効果が組み合わさって負の温度反応度係数が生み出されます。ドップラー広がりは、燃料の温度上昇に伴い、中性子共鳴線の幅が広がり、中性子捕獲の確率が低下することを表します。自己吸収は、中性子が燃料ロッドを通過する際に、他の原子核に吸収されて失われる現象です。温度が上昇すると、自己吸収の確率も低下し、より多くの中性子が反応を引き起こすことができます。
この2つの効果が相まって、4S炉では温度上昇によって核分裂反応が抑制され、動的機器に依存しない原子の安全性が向上します。つまり、制御棒などの機械的なシステムに頼らずとも、事故時に自動的に反応を停止させることができます。これにより、大規模なメルトダウンの可能性が大幅に低減されます。