ガス冷却高速炉

ガス冷却高速炉 (GFR) の概要

ガス冷却高速炉 (Gas-cooled fast reactor, GFR) は、現在開発が進められている革新的な原子炉です。第4世代原子炉に分類され、高速中性子を用いた原子炉設計であり、ウラン燃料の効率的な利用とアクチノイドの処理による閉じた核燃料サイクルを実現することを目指しています。その特徴は、ヘリウムガスを用いた冷却システムによる850℃の高温動作と、高い熱効率です。この高温を活かし、ブレイトンサイクルガスタービンによる発電が期待されています。

GFRの設計

GFRの設計は、高速中性子炉をベースにしていますが、高温ガス炉(HTR)の設計要素も取り入れています。主な違いは、炉心の燃料です。GFRは、より高い核分裂性を有する燃料を使用し、中性子の速度を減速させる減速材は使用しません。そのため、HTRよりも高い出力密度が得られます。燃料集合体の形状も多様で、従来の燃料棒型や燃料板型に加え、冷却材の循環効率を高める六角柱型なども検討されています。複合セラミック燃料や高度な燃料粒子、セラミック被覆アクチニド化合物など、さまざまな燃料形態の研究開発が進められています。これらは超高温環境下でも高い性能と核分裂生成物の閉じ込め性能を発揮することが期待されています。

燃料と増殖特性

GFRは、高速中性子を用いるため、減速材を必要としません。この特徴により、ウラン以外にもトリウムなど様々な核燃料が使用できる可能性があります。トリウムは高速中性子を吸収し、ウラン233に崩壊するため、GFRの増殖特性に貢献します。この増殖特性により、一度燃料を装填すれば数年間の運転が可能となることが期待されています。また、使用済み燃料から新たな燃料を分離・精製することも経済的に実現可能になる可能性があります。

冷却材と安全性

GFRでは、ヘリウムや二酸化炭素などのガスが冷却材として用いられます。これらのガスは、中性子捕獲断面積が低く、正のボイド係数を抑制できるため、安全性に優れています。また、水冷却炉で見られるような、水の相変化による蒸気爆発の危険性もありません。さらに、ガス冷却材の使用により、水冷却炉よりも高い動作温度が実現可能となり、熱効率の向上や、水素製造などの非発電用途への利用も期待されています。

開発の歴史と現状

GFRの研究開発は世界各国で進められていますが、これまで臨界に達した本格的なGFRは存在しません。過去の開発においては、黒鉛減速材を用いた熱中性子炉が多く、高温環境下での材料耐久性や、熱除去能力の向上などが課題でした。例えば、英国のドラゴン計画やドイツのAVR、アメリカのピーチボトムなどが挙げられます。一方、[高温工学試験研究炉]やHTR-10(中国)などの高温ガス炉の開発はGFR開発に重要な知見を提供しています。将来的には、400MWth級を超えるペブルベッド型モジュラー炉や、GT-MHRなどの大型GFRの開発・実用化を目指した研究が続けられています。

今後の展望

GFRは、高効率、高安全性、そして持続可能なエネルギー供給という、現代社会が原子力に求めるニーズに応える可能性を秘めた原子炉です。ウラン資源の有効利用、アクチノイドの処理、そして革新的な発電システムの実現を通じて、エネルギー安全保障と環境保全に大きく貢献すると期待されています。しかし、高温環境下での材料開発や、経済性の確保など、克服すべき課題も多く残されています。今後の技術革新と国際協力による研究開発の進展が不可欠です。

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