黒鉛炉

黒鉛炉：その特徴と歴史、そして課題

黒鉛炉は、原子炉の減速材として黒鉛（炭素）を使用する原子炉です。黒鉛は安価で入手が容易であり、中性子を効率的に減速する一方で、中性子をあまり吸収しないという優れた特性を持っています。このため、黒鉛炉は濃縮度の低い天然ウランを燃料として使用できるという大きな利点があります。

世界初の原子炉である「シカゴ・パイル1号」も黒鉛炉であり、その歴史は原子力開発の黎明期にまで遡ります。初期の黒鉛炉は、プルトニウム生産を目的としたものが多く、現在の商用黒鉛炉もその技術を基盤として発展してきました。1999年時点では、世界中の原子炉の約12％を黒鉛炉が占めていたと推定されています。

黒鉛炉の種類

黒鉛炉は、冷却材の種類や炉心の設計によって様々な種類に分類されます。主な種類には以下のものがあります。

黒鉛減速加圧軽水冷却炉 (LWGR): ソ連で開発された炉型です。
黒鉛減速沸騰軽水冷却炉 (RBMK): チェルノブイリ原子力発電所で使用されていた炉型として知られています。現在もサンクトペテルブルク（旧レニングラード）の原子力発電所で稼働しているものもあります。
黒鉛減速ガス冷却炉 (GCR): 英国で開発された炉型です。二酸化炭素を冷却材として用いるマグノックス炉が代表的です。日本でも東海発電所に1基建設されましたが、耐震性の強化などの改良が施されています。
黒鉛減速ヘリウム冷却炉 (高温ガス炉): アメリカやドイツなどで開発・運用された炉型です。

黒鉛炉の問題点

黒鉛炉は、その優れた特性にも関わらず、いくつかの課題を抱えています。

安全性: 特にRBMK型炉に見られたように、スクラム動作（緊急停止）時の挙動が複雑で、深刻な出力異常上昇を引き起こす可能性があります。これは、黒鉛制御棒の引き下げによって炉下部で核分裂が促進され、蒸気発生が急激に進むことで中性子吸収が低下し、結果的に反応が加速されるためです。
炉心サイズ: 軽水炉に比べて、中性子の減速能力が小さいため、同じ出力の炉を建設するにはより大きな炉心が必要となります。
黒鉛の劣化: 運転中に黒鉛が空気中の酸素と反応して劣化し、質量が減少していきます。
プルトニウム含有量: 核燃料の燃焼度が低いため、プルトニウム239の含有率が高く、核兵器の材料となりうる兵器級プルトニウムが比較的容易に製造できるという懸念があります。
経済性: 核燃料の利用効率が悪く、軽水炉と比較して経済性に劣るという問題点もあります。

各国の黒鉛炉仕様例

いくつかの国の黒鉛炉の代表的な仕様を以下に示します。これらはあくまで例であり、設計は炉によって異なります。

ソ連（サンクトペテルブルク）：
炉型式：黒鉛減速沸騰水冷却炉（圧力管型）
熱出力：3200MW
電気出力：1000MW
燃料：二酸化ウラン
減速材温度：650℃～900℃
冷却材：軽水

英国（ダンジネス）：
炉型式：黒鉛減速二酸化炭素冷却炉（圧力管型/PCRV）
熱出力：1450MW
電気出力：606.5MW
燃料：二酸化ウラン
燃料温度（被覆材・燃料）：815℃・1631℃
減速材形状：ブロック
冷却材：二酸化炭素

ドイツ（THTR・停止中）：
炉型式：黒鉛減速ヘリウム冷却炉（圧力管型/円筒）
熱出力：758MW
電気出力：301MW
燃料：二酸化ウラン（ペブルベッド型）
燃料温度（被覆材・燃料）：1000℃・1300℃
減速材形状：球状（燃料を直接被覆）
* 冷却材：ヘリウム

黒鉛炉は、原子力開発の歴史において重要な役割を果たしましたが、安全性や経済性の課題を克服することが今後の発展の鍵となるでしょう。

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