蒸気発生器 (原子力)

蒸気発生器：原子力発電所の心臓部

[原子力発電所]]において、蒸気発生器は原子炉で発生した熱を利用し、タービン発電機を動かす蒸気を生成する極めて重要な装置です。沸騰水型原子炉]のように[[原子炉内で直接蒸気を発生させるタイプを除き、多くの原子炉では蒸気発生器が不可欠です。本稿では、その構造、保守、事故事例などを解説します。

蒸気発生器の仕組み

[蒸気]]発生器の構造や仕組みは、メーカーによって異なりますが、ここでは日本国内で広く使用されている三菱重工業製加圧水型原子炉]の[[蒸気発生器を例に説明します。同社の蒸気発生器は高い評価を得ており、海外への輸出実績も多数あります。

三菱重工製の蒸気発生器は、竪置U字管式再循環型で、直径約5m、全長約20mの円筒形をしています。内部には、約2cmの直径と約1.3mmの厚みを持つ多数のU字型の伝熱細管が、管板を介して約3300本も溶接されています。1次冷却水（原子炉から高温高圧で送られてくる冷却水）は、これらのU字管の中を流れ、2次冷却水（比較的低圧の給水）と熱交換を行います。この熱交換によって、2次冷却水が蒸気に変化し、気水分離器、湿分分離器を経て蒸気発生器上部から排出されます。

1次冷却水と2次冷却水の圧力差、高速で流れる冷却水、そして激しい蒸発により、蒸気発生器内部は常に激しい振動にさらされています。そのため、蒸気発生器は高い耐久性と耐震性が求められます。蒸気発生器は原子炉格納容器内に設置され、1基の蒸気発生器を含む1次冷却水の回路を「ループ」と呼び、PWRの発電能力はループの数で決まります。現在主流の100万kW級PWRでは、4ループ構成となっています。

保守と課題

蒸気発生器はPWRの重要な構成要素でありながら、同時に弱点でもあります。原子炉の表面積の大部分を占める数ミリ厚の伝熱細管は、腐食や減肉による劣化が懸念され、その検査と保守には多大な労力が費やされます。検査の結果、使用に耐えないと判断された伝熱細管は栓で塞がれます。この栓で塞がれた伝熱管の割合を施栓率といいます。

日本の初期のPWRでは、稼働期間が長くなるにつれて施栓率が10％を超えるケースも見られました。これは熱効率の悪化による出力低下、新規立地の困難さ、そして原子力発電所の建て替えが進まなかったことなど複数の要因が重なった結果です。そのため、電力各社は既存原子炉の延命を図り、古い蒸気発生器の交換を進めています。PWRの蒸気発生器は巨大な装置であるため、交換工事はBWRの炉心シュラウド交換と同様に大規模な作業となり、原子炉格納容器や原子炉建屋の一部を解体する必要があるほどです。

事故と安全対策

蒸気発生器は、炉心冷却系を炉心内部を通る1次冷却系と、炉心を経由しない2次冷却系に分ける役割を果たします。これにより、放射性物質の拡散を原子炉圧力容器内に限定することができます。そのため、1次冷却水の圧力低下や2次冷却水の放射線量増加が検出されると、1次冷却水の漏洩が疑われ、原子炉は自動停止（スクラム）します。PWRではこれをトリップと呼びます。

最悪の事態は伝熱細管の破損です。これは、BWRの主蒸気管破断と同様に深刻な事故です。1次冷却水が2次系へ漏洩すると、原子炉冷却材が急速に失われ、重大事故につながる可能性があります。1991年の関西電力美浜発電所2号炉における蒸気発生器伝熱細管の破損事故は、この危険性を改めて示しました。この事故では、蒸気発生器の製作不良が原因と判明し、緊急炉心冷却装置（ECCS）が作動して原子炉は安全に停止しましたが、事故の深刻さを物語るものです。この事故後、多くのPWRでは蒸気発生器の交換や安全対策の強化が進められました。美浜2号炉の事故を起こした蒸気発生器は現在、美浜発電所構内で一般公開されています。

まとめ

蒸気発生器は、原子力発電所の安全運転に不可欠な装置です。その構造、保守、そして事故事例から、安全確保のための取り組みを学ぶことができます。今後も、蒸気発生器の信頼性向上に向けた技術開発と、厳格な安全管理体制の維持が求められます。

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