令和5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

軽水炉で用いるウラン燃料の濃縮度は通常3～5％程度であるため、90％程度の高濃縮ウランを使用するという記述は誤りです。

原子燃料の性質と核分裂の仕組み

原子力発電で用いられる核燃料の基本は、中性子を吸収することで核分裂連鎖反応を起こす「核分裂性物質」です。天然ウランは、核分裂しやすいウラン235と、核分裂しにくいウラン238から構成されています。天然ウランに含まれるウラン235の割合は約0.7％と非常に低いため、軽水炉で効率よく核分裂を維持するためには、ウラン235の含有率を高める「濃縮」という工程が必要になります。

また、核燃料の加工に関しては、二酸化ウランの粉末を高温で焼き固め、円柱状のセラミックスである「ペレット」に成形します。このペレットをジルコニウム合金製の被覆管に封入し、燃料集合体として原子炉内に配置します。

さらに、ウラン238のような核分裂性物質ではないが、中性子を吸収して核変換することで核分裂性物質に変わるものを「親物質」と呼びます。ウラン238は中性子を捕獲すると、ベータ崩壊を経てプルトニウム239へと変化します。これは原子炉運転中に燃料内で自ら新たな核燃料を生成する現象であり、軽水炉のエネルギー源の一部を担っています。

軽水炉燃料の構成比と特徴の判断

1. 天然ウラン中に含まれるウラン235はわずか0.7％であり、残りの大半はウラン238が占めています。
2. 軽水炉での運転継続にはウラン235の比率を3～5％程度まで引き上げる必要があり、これを低濃縮ウランと呼びます。
3. 選択肢(3)で述べられている「濃縮度90％」という数値は、軽水炉で用いられる低濃縮ウランとは桁が異なり、研究炉などの特殊な用途で使われる高濃縮ウランの領域です。
4. ウラン238が中性子を吸収してプルトニウム239に転換するプロセスは、原子核反応の性質上、親物質としての役割を正しく表しています。

軽水炉の燃料ペレットの組成と、そこに蓄えられたウラン235の比率に注目してみると、原子炉の運転条件としての濃縮度の妥当性が浮かび上がってきます。

参考リンク

• 電験三種「原子炉の燃料」の解説
• ウランの濃縮と核燃料サイクルの仕組み
• 原子力分野における核燃料物質の定義と分類