加速器駆動未臨界炉

加速器駆動未臨界炉(ADS)の概要

加速器駆動未臨界炉(ADS)とは、加速器を用いて未臨界状態の核燃料を駆動する原子炉システムです。加速器で加速された陽子ビームをターゲットに照射し、核破砕反応により生成された中性子を核燃料に照射することで核分裂反応を起こし、エネルギーを発生させます。

ADSの大きな特徴は、原子炉自体が未臨界であるため、異常発生時には加速器を停止することで急速に出力を低下させることができる点です。これは、従来の原子炉よりも高い安全性を確保できる可能性を示唆しています。

また、ADSは「核のごみ焼却炉」とも呼ばれています。これは、半減期の長いマイナーアクチノイド(MA)を核分裂させることで、放射性廃棄物の量を大幅に削減できる可能性があるためです。高速増殖炉でもMAの核変換は可能ですが、ADSではより多くのMAを処理できることが期待されています。

ADSの研究開発においては、液体鉛ビスマス合金が核破砕ターゲットとして注目されています。鉛ビスマスは、高い耐熱性と高い中性子増殖係数を持ち、安全性にも寄与する可能性があります。

研究開発の現状

ADSの研究開発は世界各国で進められています。スイスのパウル・シェラー研究所で行われたMEGAPIE実験では、液体鉛ビスマスターゲットを用いた運転に成功しました。欧州では、ベルギーでMYRRHAと呼ばれる研究炉の建設が進んでいます。

日本国内でも、放射性廃棄物処理を目的として、オメガ計画の一環としてADSの研究開発が進められています。京都大学複合[[原子力科学研究所]]では、既存の原子炉に加速器を併設し、トリウムに囲まれたタングステンターゲットに陽子線を照射する実験が行われました。また、J-PARCでは、MAの核変換処理を目指した液体ビスマスターゲットへの照射実験が計画されています。

日本で想定されているADSは、10万kW級のFFAG型加速器を用いて最大3万kWの陽子ビームを照射し、核分裂による熱エネルギー80万kWを発生させ、電気出力27万kWを発電するものです。このシステムは、既存の軽水炉10基が排出する高レベル廃棄物の処分が可能であると推定されています。

ADSの利点

核変換技術の実現

ADSは、従来の原子炉では燃料として使用できなかったMAを核分裂させる技術を実現する可能性を秘めています。これにより、半減期の長い放射性廃棄物の量を削減でき、環境負荷の軽減に大きく貢献できます。高速増殖炉でもMAの変換は可能ですが、ADSはより多くのMAを処理できます。さらに、プルサーマルに使用できなくなった高次化プルトニウムの燃焼や、ウラン238の有効利用も期待されています。

高い安全性

ADSは未臨界状態であるため、熱暴走や即発臨界、制御棒の故障による暴走といった事故のリスクが低いとされています。また、燃料1リットルあたりの発熱量が高速増殖炉よりも低いことから、出力密度が低く、安全性の高いシステムを構築できる可能性があります。

高い燃料増殖効率

ADSは大量の高速中性子が得られるため、核燃料の増殖効率が高いという利点もあります。トリウム燃料サイクルへの応用も期待されています。

ADSの問題点

高速中性子発生手段の効率性

高速中性子発生手段としては、核融合の方が加速器よりも効率が良いとされています。しかし、核融合の実用化はADSよりも遅れる可能性が高いため、ADSは早期の実現可能性という利点があります。

安全性に関する課題

現在日本で検討されているADSは、溶融鉛ビスマス合金を冷却材として用いる設計です。そのため、水素あるいは水蒸気爆発のリスクが懸念されています。

鉛ビスマスの腐食性

鉛ビスマスは腐食性が高いため、容器材料の腐食やスラグの発生が問題となります。しかし、酸素濃度を制御することで腐食を抑制できることが判明しており、ソ連の原子力潜水艦での実績もあります。

ポロニウムの発生

鉛ビスマスターゲットを使用する場合、微量のポロニウム210が発生します。そのため、ポロニウムの除去対策が必要となります。ビスマスを使用せず鉛のみを使用する、ターゲットを早めに交換する、ベーキング技術を応用するなどの対策が検討されています。

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