有機物減速冷却炉

有機物減速冷却炉（OCR）の概要

有機物減速冷却炉（OCR）は、原子力発電における革新的な試みとして、かつて世界中で研究開発が進められた原子炉の一種です。軽水炉(LWR)と類似した燃料棒や炉心設計を持つ一方で、冷却材・減速材として水ではなく炭化水素を用いる点が大きな特徴です。高温になった有機冷却材はポンプによって熱交換器に送られ、そこで水を沸騰させて蒸気を発生させます。この蒸気によってタービン発電機を駆動し、発電を行います。燃料には低濃縮二酸化ウランが使用可能で、その他燃料の検討も行われていました。

歴史と開発状況

OCRは盛んに研究開発が行われましたが、大規模な商業発電所への導入は限定的でした。カナダでは、60 MWeの重水有機冷却炉が1965年から1985年まで運用されました。アメリカ合衆国においては、オハイオ州ピクアに建設された45.5 MWeの実証炉が短期間稼働したものの、その後は導入事例がありません。ピクア原子力発電所は、1966年に制御棒や燃料要素の異常、そして炉心全体に炭素質堆積物が付着したことで停止しました。この堆積物は燃料棒の移動を妨げ、熱伝達特性を変化させたため、アメリカ原子力委員会は実験の終了を決定し、炉は解体されました。

OCRの利点と欠点

OCRは、安全性と経済性の向上に繋がるいくつかの利点を備えていましたが、同時に重要な欠点も存在し、それがアメリカ合衆国における開発中止に繋がりました。

利点:

高減速能: ビフェニルなどの有機液体は水素原子密度が高く、中性子の減速能力に優れています。これにより、炉心サイズを小型化し、構造材コストや遮蔽材重量の削減が可能となります。
大きな負の温度係数: この特性は、出力の急激な上昇を自動的に抑制する働きをします。軽水炉と異なり、停止後の待機時間を短縮し、迅速な再起動が可能となります。
低炉内圧: 約370℃の温度でも240 kPa程度の低圧力で運用できるため、封止材やガスケットの問題が軽減され、炉壁や配管を薄くできます。低圧化は、配管破裂時の被害拡大防止にも有効です。

欠点:

制御上の問題: 大きな負の温度係数は、制御の困難さを招きます。低温で高密度の冷却材が炉心に流入することで反応性が増加し、出力上昇が急激に抑制され、意図しない原子炉停止を招く可能性があります。
分解生成物: 高温下では有機液体が分解し、軽い成分と重い成分が生じます。放射線分解も促進され、熱交換器表面への付着物が発生し、洗浄や化学的再結合が必要となります。分解速度は700℉(371℃)を超えると急激に上昇するため、冷却材の出口温度に制限が生じます。
低熱伝達率: 有機冷却材は軽水や液体金属に比べて熱伝達率が低いため、熱伝達率の向上には沸騰水型原子炉のような核沸騰が必要ですが、分解速度の増加を招きます。フィン付き燃料被覆管を用いることも可能ですが、コストが増大します。

将来的な可能性

近年、インドにおいてOCRへの関心が再燃しています。インドの原子力発電はCANDU炉に類似した加圧水型重水炉が主流ですが、その複雑さからくる欠点を克服するため、低圧運用が可能なOCRの設計が研究されています。有機冷却材の精製技術の進歩により、分解生成物の処理も可能となりつつあり、今後の発展が期待されています。

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