軽水炉

軽水炉は、原子力発電所の原子炉として最も広く用いられている形式です。その最大の特徴は、原子炉の減速材と冷却材の両方に、普通の水（軽水）を使用している点にあります。

軽水は安価で大量に調達でき、中性子を減速する能力も高く、冷却材としても効率的に機能します。しかし、軽水は中性子を吸収しやすいという性質も持ち合わせており、このため軽水炉では、核反応を維持するために、ウランを濃縮した燃料を使用する必要があります。

軽水炉はアメリカで開発され、世界中の原子力発電所の80％以上（1999年時点、原子炉基数ベース）を占めるまでに普及しました。日本においても、2007年時点ですべての商用原子力発電所が軽水炉でした。

軽水炉の種類

軽水炉は、大きく分けて以下の2種類があります。

沸騰水型原子炉（BWR：Boiling Water Reactor）：冷却材である水が原子炉内で沸騰し、その蒸気でタービンを回して発電します。
加圧水型[[原子炉]]（PWR：Pressurized Water Reactor）：冷却材である水を高圧に保つことで沸騰を防ぎ、原子炉で熱せられた冷却材を蒸気発生器に通して蒸気を作り、タービンを回して発電します。

ただし、沸騰水型と加圧水型という分類は、冷却材として水を用いるという点に基づいたものであり、重水炉や黒鉛炉にも同様の分類が存在します。

軽水炉の特徴と課題

軽水炉は、現在、商用原子炉として広く用いられている理由として、いくつかの利点があります。しかし同時に、いくつかの課題も抱えています。

軽水炉の利点

小型大出力、低コスト: 軽水の優れた減速能力により、原子炉をコンパクトに設計でき、出力当たりの建設コストを抑えることが可能です。特に加圧水型[[原子炉]]は、格納容器を必要としない設計も可能であるため、小型化に有利です。このため、船舶用原子炉は全て軽水炉となっています。
核拡散防止に貢献: 軽水炉で用いられる低濃縮ウラン燃料は、そのままでは核兵器の原料になりません。ただし、ウラン濃縮技術自体は核兵器製造に繋がるため、その技術の取得は厳しく制限されています。
使用済み燃料の特性: 商用発電用軽水炉では、経済性を重視して燃料を長時間使用するため、使用済み燃料に含まれるプルトニウムは核兵器原料として不適な同位体が多く含まれます。そのため、使用済み燃料から核兵器を作成することは事実上不可能です。

軽水炉の課題

熱効率の低さ: 軽水炉の冷却材である水の温度は、最高でも約300℃程度です。これは、燃料被覆管の材料であるジルコニウム合金の耐熱性の限界によるものです。このため、火力発電所と比較して熱効率が低く、発電効率が低いという課題があります。
負荷追従運転の困難さ: 電力需要は時間帯によって変化しますが、軽水炉は出力の増減が容易ではありません。短時間で出力を変化させると、燃料被覆管に損傷を与える可能性があります。そのため、軽水炉は主にベース需要を担い、変動需要には火力発電所が対応します。
再起動の遅延: 軽水炉を低出力で運転すると、放射性キセノンが蓄積し、再起動が遅れることがあります。このため、運転計画には細心の注意が必要です。

日本における軽水炉導入

戦後、日本は原子力発電の導入を決定し、自主開発と海外からの技術導入の両方を進めました。商用炉に関しては、PWRとBWRの両方を導入することになり、電力会社、プラントメーカー、大学が協力して開発を進めました。この体制は現在も継続しています。

PWR：関西電力、三菱重工業、京都大学
BWR：東京電力、日立製作所・東芝、東京大学

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