CANDU炉

CANDU炉：カナダの加圧重水型原子炉

概要

CANDU炉（Canadian Deuterium Uranium reactor）は、重水を減速材と冷却材として用いる加圧重水型原子炉です。この設計は、1950～60年代にカナダで開発され、天然ウラン燃料を使用できる点が大きな特徴です。ウラン濃縮が不要なため、燃料コストを抑え、核拡散のリスクも低減できます。さらに、運転中に燃料交換を行うことができるため、発電効率を高めることができます。

CANDU炉には、約500 MWeの出力を持つオリジナル設計と、600 MWe級のCANDU-6など、いくつかの種類があります。CANDU-6は、カナダ国内だけでなく、パキスタン、アルゼンチン、韓国、ルーマニア、中国など、世界各国に輸出されました。一方、2000年代初頭には、より新しい原子炉設計が登場したため、CANDU炉の販売は減少しました。カナダ政府は、CANDUの設計をCandu Energy社にライセンス供与し、既存プラントのサポートや新設に向けた活動を継続しています。近年では、小型モジュール炉（SMR）であるCANDU SMRの開発にも取り組んでいましたが、カナダのデモンストレーションプロジェクトからは選定されませんでした。

設計と運転

CANDU炉の基本的な運転原理は、他の原子炉と同様です。炉心で起こる核分裂反応によって発生した熱は、一次冷却ループ内の加圧水を介して熱交換器に伝えられます。熱交換器で発生した蒸気はタービンを駆動し発電を行い、使用済みの蒸気は冷却・凝縮されて再び熱交換器に戻されます。冷却には、湖や河川などの水源を利用することが一般的です。

CANDU炉の大きな特徴は、核分裂炉心と一次冷却ループの詳細にあります。天然ウラン燃料は、ウラン238が大部分を占め、ウラン235はごく少量しか含まれていません。核分裂反応を効率的に行うためには、中性子のエネルギーを下げる減速材が必要です。多くの原子炉では軽水を使用しますが、軽水は中性子を吸収するため、天然ウラン燃料では臨界を維持できません。

CANDU炉は、この軽水を重水に置き換えることで、天然ウラン燃料でも臨界を維持できるようにしています。重水は軽水よりも中性子の吸収が少ないため、天然ウラン燃料でも効率的な核分裂反応を起こすことができます。また、プルトニウムやトリウムなどの他の物質と混合したウラン燃料を使用することも可能です。

カランドリアと燃料設計

従来の軽水炉では、炉心全体を大型の圧力容器に収めます。しかし、CANDU炉では、燃料束を多数の小さな金属管で構成し、それらを圧力管に収める独自の設計を採用しています。この圧力管は、加圧されていない大きな容器（カランドリア）の中に配置されています。カランドリアは低温で維持されるため、製造が容易です。

燃料補給は、運転中に個々の圧力管を減圧することで行うことができます。これは、原子炉を停止することなく継続的に燃料補給できることを意味し、発電効率の向上に繋がります。燃料束は、酸化ウラン燃料ペレットを細いチューブに詰めたものです。新しいCANFLEX燃料束は、燃料要素のサイズが異なる43個の燃料要素から構成されています。

重水の使用目的

天然ウランには、ウラン238が大部分を占め、ウラン235は少量しか含まれていません。そのため、軽水を使用する原子炉では、ウラン235の濃縮が必要です。重水は、軽水と比較して中性子を吸収しにくいため、天然ウランでも臨界を維持し、効率的に発電することができます。また、重水は連鎖反応の安定性も高めます。

カナダが重水減速炉の開発に力を入れたのは、第二次世界大戦後、ウラン濃縮技術へのアクセスが限られていたためです。重水を使用することで、天然ウラン燃料での発電が可能となり、濃縮施設の建設費用を削減することができました。

安全機能

CANDU炉は、多数のアクティブおよびパッシブな安全機能を備えています。例えば、重水の大きな熱容量は、事故発生時の炉心温度上昇を抑制する効果があります。また、燃料チャネルの機械的な構造は、燃料温度の上昇によって反応効率が低下するように設計されています。緊急冷却システムも備えており、炉心メルトダウンを防ぐための対策が充実しています。

燃料サイクル

CANDU炉は、天然ウランだけでなく、再処理ウラン、トリウム、プルトニウム、使用済み軽水炉燃料など、幅広い燃料を使用することができます。これにより、燃料コストの削減や核燃料の多様化が可能です。特に、使用済み軽水炉燃料からの再利用ウラン（RU）や、プルトニウムを含むMOX燃料の使用は、核燃料資源の有効活用に繋がります。

経済性

CANDU炉は、天然ウラン燃料を使用できるため、燃料コストが低く抑えられます。しかし、重水や大型の炉心など、初期投資費用が高くなる場合があります。また、建設コストが高くなる傾向があり、建設遅延やコスト超過も発生することがあります。発電効率は高いですが、老朽化したプラントの設備利用率の低さが課題となっています。

核不拡散

CANDU炉は、天然ウラン燃料を使用するため、核拡散のリスクが低いと言われています。しかし、プルトニウムも生成するため、適切な管理が必要です。カナダは、インドへのCANDU炉輸出において、核拡散問題に直面しました。

トリチウム副生産

CANDU炉では、重水を使用するため、トリチウムが副産物として生成されます。トリチウムは放射性物質であるため、環境への放出量を管理することが重要です。CANDUプラントでは、トリチウムの放出量は規制値を下回っていますが、環境への影響については依然として議論があります。

歴史

CANDU炉の開発は、実験炉から商業用炉への段階を経て進められました。初期の取り組みを経て、500～600 MWe級のCANDU-6、900 MWe級のCANDU-9などが開発されました。近年では、より安全で経済的な次世代CANDU炉（ACR-1000）の開発にも取り組まれていましたが、商業化には至っていません。

海外販売

CANDU炉は、カナダ以外でも多くの国で導入されています。しかし、国際市場での競争は激しく、建設コストや政治的な問題なども影響して、販売実績は必ずしも安定していません。

結論

CANDU炉は、独自の技術と特徴を持つ原子炉であり、世界中のエネルギー供給に貢献しています。しかし、経済性、安全面、核不拡散といった課題も存在し、今後の開発と運用には、これらの課題への対応が不可欠です。

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