炉心溶融 炉心溶融の概要

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炉心溶融

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/03/30 23:00 UTC 版)

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炉心溶融は原子力事故における重大なプロセスの一つであり、さらに事態が悪化すると核燃料が原子炉施設外にまで漏出して極めて深刻な放射能汚染となる可能性がある。それに至らないまでも、溶融した炉心を冷却する際に発生する放射性物質に汚染された大量の蒸気を大気中に放出（ベント）せざるをえないことが多く、周辺住民の避難が必要となるなど重大な放射能汚染を引き起こす可能性がある。

臨界状態の核燃料が炉心溶融を起こす場合もあるが、原子炉の運転中に生成蓄積された核分裂生成物が臨界停止後も大量の崩壊熱を発生するため、未臨界状態の核燃料であっても炉心溶融を起こしうる。

なお原子炉における「炉心」とは燃料集合体や制御棒など原子炉の中核部分であって、それを囲む原子炉圧力容器内にある円筒状構造物であるシュラウドのようなものを指さない。

概要

原子力発電では、低濃縮ウランなどの核燃料を臨界状態にすることで、核分裂で発生する熱によって発電する。

通常時は核分裂の連鎖反応で安定的かつ持続的に発電するが、定期点検や緊急の際には核分裂反応を中断させ原子炉を停止する必要がある。しかしながら一度運転を開始した燃料には核分裂により発生した核分裂生成物が多量に含まれており、これらが核分裂停止後も放射性崩壊によりしばらく崩壊熱を出し続ける。したがって、しばらくの間は炉心を冷却し続けなければならない。

ところが何らかの要因により炉心の冷却が行われないと、運転状態直後の核燃料の持つ高いレベルの余熱^[4][5]に加え、崩壊熱によって炉心の温度上昇を招き、核燃料で用いる二酸化ウランをも溶かす^[6]。また燃料棒に使われているジルコニウム合金が高温になった状態で水と反応すると大量の熱を発するとともに、燃料棒ならびに燃料集合体を破壊する。これが炉心溶融である。

なお炉心以外であっても、たとえば使用済み核燃料プールに保管されている核燃料も崩壊熱を発している。これらも炉心同様に冷却されなければ過熱して燃料の溶融を起こしうる^[7][8]。

炉心溶融の原因と対策

原因

炉心溶融の原因には、以下のものがある^[9]。

1. 原子炉冷却材の冷却能力の異常な減少や喪失（冷却材喪失事故）
2. 炉心の異常な出力上昇に対するスクラム（制御棒の全挿入による原子炉緊急停止）の失敗
3. 炉心状態の異常な過渡変化
4. 大地震や重量物落下による炉心損傷（高温で脆弱化していた被覆管の損傷を含む）
5. 冷却水の流路が閉塞されることによる冷却能力の低下

対策

冷却機能の喪失は本来あってはならない事態であるが、日本の国内外で複数回、実際に発生している（後述）。これを防ぐために冗長化された炉心の冷却機構が求められる。

冷却材に水を用いる原子炉では、緊急時に炉心に大量の注水を行う緊急炉心冷却装置 (ECCS) などが設けられている。

炉心溶融を起こしにくいタイプの原子炉（溶融塩原子炉など）の開発も取り組まれている^[10]。

また炉心溶融の防止や、事故後の廃炉作業に生かす教訓を得るため、事故を起こした原子炉の調査（福島第一原子力発電所事故など）や炉心溶融時の核燃料などの挙動を予測するシミュレーション手法の開発も行われている^[11][12]。