原子炉の基礎知識：黒鉛減速ガス冷却炉
原子力を知りたい
黒鉛減速ガス冷却炉について教えていただけますか。
原子力マニア
黒鉛減速ガス冷却炉は、黒鉛を中性子減速材、炭酸ガスまたはヘリウムを冷却材として使用する原子炉のことです。
原子力を知りたい
炭酸ガス冷却型炉とヘリウム冷却型炉の違いは何ですか。
原子力マニア
炭酸ガス冷却型炉はマグノックス炉とAGRがあり、ウラン系の燃料を使用しています。ヘリウム冷却型炉は高温ガス炉（HTGR）と呼ばれ、被覆燃料粒子を使用していました。
黒鉛減速ガス冷却炉とは。
原子力における「黒鉛減速ガス冷却炉」とは、中性子減速材に黒鉛、冷却材に二酸化炭素またはヘリウムを用いる原子炉のことです。
二酸化炭素冷却炉には、イギリスで初めて発電用に運用されたマグノックス炉（GCR、天然ウラン金属燃料）や、それを改良した新型ガス炉（AGR、低濃縮ウラン酸化物燃料）があります。
ヘリウム冷却炉には高温ガス炉（HTGR、被覆燃料粒子）があります。1960年代から1980年代にかけて実験炉や原型炉が建設・運転されましたが、政治的・経済的理由から現在は運転が終了しています。
現在、イギリスではGCRとAGRを合わせて19基が営業運転中です。日本では、ヘリウム冷却型高温工学試験研究炉（HTTR、30MWt）が運転され、高温ガス炉の開発と安全性の検証が行われています。
※被覆燃料粒子：セラミックス微小燃料粒子を、熱分解炭素や炭化ケイ素で多重被覆し、核分裂生成物を直径約1mmの粒子内に閉じ込めたものです。
黒鉛減速ガス冷却炉とは？
-黒鉛減速ガス冷却炉とは？-
黒鉛減速ガス冷却炉（GCR）は、原子炉の一種で、核分裂反応を起こすために減速材として黒鉛を使用し、冷却材としてヘリウムや二酸化炭素などのガスを用いる炉型です。黒鉛は高い減速能を有し、中性子を効果的に減速させることができます。また、ガス冷却材は比熱容量が小さく、優れた冷却性能を発揮します。これらの特徴により、GCRは高い熱効率と安全性を実現することができます。
カーボン dioxide 冷却型炉
-カーボン dioxide 冷却型炉-
カーボン dioxide 冷却型炉は、黒鉛減速ガス冷却炉の一種であり、二酸化炭素を冷却材として使用します。このタイプの炉では、天然ウランまたは低濃縮ウランが燃料として使用され、減速材として黒鉛が使用されます。冷却材としての二酸化炭素は、炉心を通過して熱を吸収し、外部の熱交換器で熱を伝達します。その熱は次に、タービン発電機を使用して電気を発生させます。
カーボン dioxide 冷却型炉の主な利点の一つは、他の冷却剤と比較して二酸化炭素の化学的安定性が高いことです。これにより、高温でも腐食の問題が発生する可能性が低くなります。また、二酸化炭素は安価で豊富であり、炉の設計を簡素化できます。ただし、カーボン dioxide 冷却型炉は二酸化炭素が温室効果ガスであるため、気候変動に寄与する可能性があります。
マグノックス炉（GCR）
-マグノックス炉（GCR）-
マグノックス炉は、黒鉛を減速材とし、二酸化炭素を冷却材として使用する原子炉の一種です。英国で開発され、原子力発電に使用された初期の炉の1つです。マグノックス炉は、天然ウランを燃料とし、減速材として黒鉛を使用することで、低濃縮ウランを使用できます。冷却材として二酸化炭素を使用することで、高圧の蒸気を生成し、タービンを駆動して発電を行います。マグノックス炉は、その頃としては高い安全性を備え、英国の電力供給における重要な役割を果たしました。
改良型ガス炉（AGR）
-改良型ガス炉（AGR）-
改良型ガス炉（AGR）は、黒鉛減速ガス冷却炉の一種で、英国で開発された先進的な原子炉です。従来の黒鉛減速ガス冷却炉よりも効率的で安全性が向上しています。
AGRは、黒鉛のブロックを積んで減速材として使用し、二酸化炭素ガスを冷却材としています。黒鉛は中性子をよく減速させ、二酸化炭素ガスは高い比熱と低中性子吸収率を有しています。これにより、AGRは高い熱効率と安定した運転を実現できます。
また、AGRは圧力管型構造を採用している点が特徴です。圧力管とは、原子炉内の冷却材を循環させる管のことですが、AGRではこの圧力管が原子炉圧力容器の外側に設置されています。これにより、原子炉圧力容器への応力を低減し、安全性を向上させることができます。
さらに、AGRはオンライン再給油が可能です。オンライン再給油とは、原子炉が稼働中に燃料を交換できる技術で、原子炉の稼働率を向上させることができます。
ヘリウム冷却型炉
-ヘリウム冷却型炉-
黒鉛減速ガス冷却炉の一種であるヘリウム冷却型炉は、熱媒体としてヘリウムガスを使用する。ヘリウムは、化学的に安定性が高く、中性子の吸収断面積が小さいという特徴を持ち、原子炉の材料、特に燃料被覆管材への影響を最小限に抑えることができる。
ヘリウム冷却型炉の代表的な例として、イギリスで開発されたマグノックス炉がある。マグノックス炉では、天然ウラン燃料が使用され、原子炉の冷却と減速の両方にヘリウムが使用される。ヘリウムは炉心を通過して熱を吸収し、蒸気発生器で水を加熱して蒸気を発生させる。この蒸気はタービン発電機を駆動するための動力源となる。
高温ガス炉（HTGR）
-高温ガス炉（HTGR）-
高温ガス炉（HTGR）は、黒鉛減速ガス冷却炉の一種で、原子炉の燃料として高濃縮ウランまたはトリウムを使用します。このタイプの原子炉は、非常に高い温度（700～950℃）で動作し、ヘリウムガスを冷却材として用います。
HTGRの最大の利点は、その優れた熱効率です。この高い温度により、熱効率を向上させ、従来の軽水炉より多くの電気を生成できます。さらに、HTGRは中性子経済性が優れているため、長期的な運転が可能です。
高温工学試験研究炉（HTTR）
-高温工学試験研究炉（HTTR）-
高温工学試験研究炉（HTTR）は、黒鉛減速ガス冷却炉の重要な試験施設です。茨城県大洗町にある日本原子力研究開発機構（JAEA）によって運営されています。HTTRは、高温ガス炉（HTGR）の技術の研究開発を目的として建設されました。
HTGRは、黒鉛を減速材として使用し、ヘリウムを冷却材として使用します。この方式は、高い熱効率と燃料の有効活用を実現します。HTTRの出力は、30メガワット（MWt）で、高温ガス炉の基礎的な特性の研究や、革新的な燃料サイクルの開発に使用されています。
HTTRの設計では、安全性が最優先されています。炉心は、2重のコンクリート格納容器によって囲まれており、放射性物質の放出を防止します。また、炉心は内蔵型安全設計を採用しており、異常時には自動的に停止します。