黒鉛減速沸騰軽水圧力管型原子炉

黒鉛減速沸騰軽水圧力管型原子炉（RBMK）詳解

黒鉛減速沸騰軽水圧力管型原子炉（RBMK、РБМК-Реактор Большой Мощности Канальный）は、旧ソ連が独自に開発した原子炉形式です。西側諸国では、キリル文字表記をアルファベット読みしたRBMK（Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalnyy）や、LWGR（Light Water cooled Graphite moderated Reactor）と呼ばれています。軍事用プルトニウム生産炉をベースに開発されたRBMKは、高出力・大規模な原子炉として、ソ連の原子力開発において重要な役割を果たしました。しかし、その設計上の欠陥が、1986年のチェルノブイリ原子力発電所事故という世界最悪の原子力災害を引き起こすこととなります。

RBMKの概要と設計

RBMKは、核分裂反応で発生した熱を軽水で沸騰させることで取り出す沸騰水型原子炉です。低濃縮ウラン燃料を、ジルカロイ製の圧力管内に収め、この管内を軽水が通過して冷却を行います。圧力管は、減速材である黒鉛ブロックの穴に配置されています。この構造により、重水などの特殊な同位元素を使用せずに大型原子炉を建造できる一方、高い正のボイド係数という大きな欠点も抱えていました。

ボイド係数とは、冷却材である軽水の減少（ボイド）に伴う反応度変化のことで、正のボイド係数を持つRBMKは、軽水が減少すると反応度が増加するという不安定な特性を持っていました。これは、軽水の減少によって中性子の減速効果が低下し、黒鉛による吸収が増えるためです。特に低出力状態ではこの傾向が顕著で、チェルノブイリ事故では、この正のボイド係数が事故の主要因の一つとなりました。

RBMKの炉心には、最大3000個の燃料集合体が装荷され、各燃料集合体は多数の燃料棒から構成されます。燃料棒は二酸化ウランペレットで満たされ、金属スペーサーグリッドによって支えられています。運転中は、ウラン235は核分裂によって減少し、ウラン238の一部はプルトニウム239に変化します。また、核分裂生成物の中には、中性子を吸収する核毒であるキセノン135も含まれ、これは反応度を低下させます。RBMKは、各圧力管が独立しているため、運転中でも燃料交換が可能でした。

RBMKの特性と安全性

RBMKの中性子減速は主に黒鉛が担いますが、軽水は中性子を吸収する効果が大きいため、正のボイド係数に加え、低出力域での正の反応度フィードバック特性も問題となりました。高出力域では負の反応度係数を持つため比較的制御が容易ですが、低出力域では不安定で、キセノンオーバーライド現象も発生しやすいため、出力低下に伴い反応度が増加する危険性がありました。

RBMKは、加圧水型原子炉（PWR）の使用済み燃料のリサイクルも考慮されており、この点も不安定性を増幅させていました。チェルノブイリ事故後、残りのRBMKは改良され、正のボイド係数は+4.5 bから+0.7 bに低減されました。

RBMKの封じ込めとチェルノブイリ事故

RBMKの設計では、黒鉛を金属構造に収納し不活性ガスで密封するなど、複数の封じ込め構造が採用されていましたが、当初は重大な事故への対応は考慮されていませんでした。スリーマイル島事故後、一部の改良が加えられましたが、それでも完全な封じ込め構造とはなりませんでした。チェルノブイリ事故では、制御棒の設計上の欠陥と運転員の操作ミス、さらに正のボイド係数による反応度の急激な増加が重なり、原子炉上部が吹き飛ばされ、大規模な放射性物質の放出を引き起こしました。

チェルノブイリ事故後の改良

チェルノブイリ事故後、残りのRBMKは、安全性を向上させるための様々な改良が行われました。主な改良点として、制御棒設計の変更（黒鉛チップの除去、制御棒挿入時間の短縮）、中性子吸収体の追加、ウラン235濃縮度の向上などが挙げられます。これらの改良により、低出力域での不安定性が改善されましたが、RBMKは根本的に危険性の高い原子炉であることに変わりはありませんでした。

RBMKの閉鎖

チェルノブイリ原発の3基のRBMKは1990年代から2000年代にかけて順次閉鎖され、リトアニアのイグナリナ原子力発電所のRBMKも閉鎖されました。ロシアでは、残存するRBMKの運転期間の延長が計画されていますが、安全性の懸念は依然として残っています。RBMKは、その設計上の問題とチェルノブイリ事故によって、原子力発電における安全性の重要性を改めて世界に示した原子炉と言えるでしょう。

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