令和4年度第三種電気主任技術者下期試験　電力科目 問40 解説 問4 問4

我が国の商用原子力発電所で広く使われている軽水炉は、燃料に低濃縮ウラン、冷却材と中性子の運動エネルギーを落とす減速材に軽水を使用し、炉内で直接蒸気を発生させる沸騰水型と蒸気発生器を介する加圧水型に分類され、燃料温度の上昇に伴いウラン238の中性子吸収が増加して出力を抑制するドップラー効果という固有の安全性を持つことから、選択肢(1)が正答となります。

軽水炉の基本構造と固有の安全性

原子炉の仕組みを理解するためには、原子燃料の種類、中性子の挙動を制御する材料、そして熱を取り出して電気に変えるシステム構成の3つの要素を整理する必要があります。

軽水炉で燃料として使われるのは、天然ウランに含まれる核分裂性のウラン235の割合を数パーセント程度に高めた低濃縮ウランです。ウラン235は中性子を吸収すると核分裂を起こしますが、核分裂によって飛び出してくる中性子は非常に速度が速い高速中性子です。この高速中性子はそのままでは次のウラン235に吸収されにくいため、速度を落として熱中性子と呼ばれる状態にする必要があります。この中性子の速度を落とす役割を持つ物質が減速材です。軽水炉では、熱を取り出す冷却材と中性子を減速させる減速材の両方に、普通の水である軽水を利用しています。

軽水炉は、原子炉の中で直接水を沸騰させて蒸気を作る沸騰水型（BWR）と、原子炉内を高圧にして沸騰しないように抑えた高温の水を蒸気発生器に送り、そこで別の系統の水を沸騰させて蒸気を作る加圧水型（PWR）に分類されます。

原子炉が安全に運転を続けるためには、異常に温度が上がったときに自ら出力を抑える自己制御性（固有の安全性）が必要です。燃料であるウランには、核分裂を起こさないウラン238が大量に含まれています。燃料の温度が上昇すると、ウラン238の原子核の熱運動が激しくなり、中性子に対する吸収特性が変化します。この熱運動による中性子の吸収確率の広がりは、物理学におけるドップラー効果と同じ原理に基づいているため、ドップラー効果と呼ばれています。ドップラー効果によってウラン238が余分に中性子を吸収するため、核分裂を維持するための中性子が不足し、核分裂の連鎖反応が自動的に抑制されます。

軽水炉の構成要素と出力抑制メカニズムの特定

1. 使用する燃料と減速材の性質から(ア)と(イ)を特定する 日本の商用原子力発電所で稼働している軽水炉では、ウラン235の濃度を3～5%程度に調整した低濃縮ウランを原子燃料として使用します。高濃縮ウランは核兵器や一部の特殊な研究炉などに使われるものであり、商用炉には用いられません。また、核分裂によって発生した高速中性子の速度を落とし、次の核分裂反応を起こしやすくするために用いられる物質は減速材です。軽水炉では冷却材と減速材の両方に軽水（普通の水）を用いているため、(ア)には低濃縮ウラン、(イ)には減速材が入ります。

2. 蒸気の発生方式の違いから(ウ)と(エ)を特定する 原子炉の内部で直接水を沸騰させ、発生した蒸気をそのままタービンに送るシステムが沸騰水型原子炉です。これに対し、原子炉の内部では高い圧力をかけることで水を沸騰させずに高温に保ち、その熱を蒸気発生器に伝えて別の系統の水から蒸気を作るシステムが加圧水型原子炉です。問題文の記述において「蒸気を原子炉の中で直接発生する」が(ウ)沸騰水型であり、「蒸気発生器を介して蒸気を作る」が(エ)加圧水型に該当します。

3. 原子炉の自己制御性をもたらす物理現象から(オ)を特定する 何らかの理由で炉内温度が上昇し、燃料温度が高くなると、燃料中のウラン238の原子核が激しく熱振動します。これにより、ウラン238が特定の中性子を捕獲しやすくなる共鳴吸収の範囲が広がります。この物理現象は原子核の熱運動に起因するドップラー効果と呼ばれ、これによって中性子がウラン238に多く吸収されるため、核分裂の連鎖反応が抑えられて出力が低下します。水が沸騰して気泡ができることで中性子の減速効果が失われる現象はボイド効果と呼ばれますが、問題文にある「燃料の温度上昇にともなってウラン238による中性子の吸収が増加する」という現象はドップラー効果を指しているため、(オ)にはドップラー効果が入ります。

燃料温度が上がったときにウラン238の原子核が激しく熱振動する様子と、そこを通り抜けようとする中性子の動きを重ねてみると、反応が自然と落ち着いていくドップラー効果の仕組みが見えてきます。

参考リンク

• 原子力発電の仕組み（軽水炉の種類と特徴） - 電気の資格マニア向け解説
• 【アニメで学ぶ原子力】原子炉の自己制御性と安全機能について - YouTube
• ドップラー効果（原子炉の反応度特性） - 原子力百科事典ATOMICA