石炭不足：原子力暖房が解決策か？

浙江省の海塩と山東省の海陽では原子力暖房プロジェクトが相次いで完成し、人々の生活に恩恵をもたらしている。しかし、原子力エネルギーを使って水を加熱すると放射能が出るという噂があります。真実とは何でしょうか？

炭素排出量の削減とカーボンニュートラルを背景に、原子力暖房が正式に私たちの生活に「入り込んで」きました。

中国核工業集団によると、中国南部初の原子力暖房プロジェクトである浙江海塩原子力暖房実証プロジェクト（第1期）が12月3日、浙江省海塩市で正式に稼働した。暖房面積は46万平方メートルに達し、約4,000世帯が恩恵を受ける。第14次5カ年計画の終了までにすべてのプロジェクトが完了し、海塩市の約400万平方メートルの暖房需要を満たすことができるようになる。

「原子力暖房は国民生活と世論にとって重要なプロジェクトだ」国家エネルギー局の于兵副局長はプロジェクト始動式で、中国核工業集団はベンチマークプロジェクトを立ち上げ、経験を総括し、共同で原子力暖房の健全な発展を推進すべきだと述べた。プロジェクトを有効に活用し、「核熱」科学普及活動を組織し、広報活動に力を入れ、核熱にとって良好な環境を作り出す必要がある。

偶然にも、11月9日、国家エネルギー核熱商業化実証プロジェクトの第2期450万平方メートルが山東省海陽市で稼働を開始した。暖房エリアは海陽市街地全体をカバーし、20万人の住民に恩恵をもたらします。海陽市は中国初の「ゼロカーボン」暖房都市となった。

原子力暖房はエネルギーと汚染の問題を解決する効果的な方法です。データによれば、山東省海陽市だけでも、原子力暖房によって毎年10万トン近くの原炭を節約でき、18万トンの二酸化炭素排出量と数千トンの硫化窒素ガス排出量を削減できるという。これは、化石エネルギーの供給が比較的敏感な今年は特に注目に値します。

しかし、国民の多くは依然として「原子力」という言葉を恐れています。原子力発電所は安全性が疑問視されており、原子力発電で生産される温水は放射能を帯びているという噂さえある。実際のところはどうなのでしょうか？原子力暖房は石炭不足に対する良い解決策でしょうか?

▲2021年12月5日、浙江省嘉興市海塩県の原子力新村、メープルリーフ、原子力南苑コミュニティの住民が自宅に集中暖房を導入した（写真提供/Visual China）

Q1: 核加熱はどのようにして実現されるのですか?

世間の印象では「原子力」が最も馴染みのある言葉であり、原子力エネルギーの最も直接的な用途は発電であるように思われます。実際、原子力発電所、特にシェル原子炉の発電原理は、従来の火力発電所の発電原理と非常によく似ています。簡単に言えば、「水を沸騰させる」ことです。そのため、原子力発電所も火力発電所と同様にコジェネレーション、つまり電気を発電し、熱を供給することが可能です。

原子力発電所で最も一般的な原子炉の1つは加圧水型原子炉であり、海陽原子力発電所でも使用されているタイプです。このタイプの原子炉は、「圧力鍋」内に設置された原子炉です。システム全体は 3 つの回路で構成されており、回路の 1 つは原子力発電所の中核部分であり、火力発電所のボイラーに相当します。ここで核分裂反応が起こると、大量の熱が発生し、高圧の水が300℃以上に加熱されます。

二次回路の水は蒸気発生器を通過し、一次回路の蒸気の熱を吸収して飽和蒸気になり、蒸気タービンを駆動して仕事をし、凝縮水になります。これらの凝縮水の温度は基本的に90度以上なので、処理する前に冷却する必要があります。

加熱が必要な場合、第 2 回路の水は別の熱変換器に入り、別のバッチの水を加熱します。これは、第 3 回路の水の加熱とも呼ばれます。この操作は、第 4 回路、第 5 回路、あるいはそれ以降の回路まで継続できます。最終的に排出された水は「暖房用水」となり、住民各家庭に届けられます。

シェル原子炉に加えて、プール原子炉と呼ばれる核加熱に使用される別のタイプの原子炉があります。名前からすると、エネルギー出力が水のプールで行われているように聞こえますが、実際にその通りで、核燃料棒は精製水のプールに置かれます。水は減速材や冷却材として、また反射層や部分的な保護層の材料としても使用できます。放射線を効果的に防ぐために、プールの側面と底には厚いコンクリートの遮蔽層も設置されています。

加熱が必要な場合は、原子炉の炉心を常圧水プールの深部に配置し、水層の静圧を利用して炉心出口の水温を上昇させ、加熱要件を満たします。熱は二段階の熱交換を通じて暖房回路に伝達され、その後、熱ネットワークを通じて数千世帯に届けられます。

シェル型加熱炉は一般に熱生成に特化しているのではなく、むしろコジェネレーション、つまり主に電気を生成し、残りのエネルギーは熱生成に使用されることに言及する価値があります。山東省海陽市のプロジェクトでは、海陽原子力発電所の廃熱を利用しています。

▲海陽原子力加熱の模式図（写真提供：山東原子力発電有限公司）

Q2: 核熱には「放射線」がないと言われるのはなぜですか?

一般の人々がまず理解すべきことは、原子力エネルギーによる暖房は原子力による暖房と同じではないということだ。現在、核燃料を熱源として直接利用できる技術は世界に存在しません。これは、メディア変換の層を経た後にのみ達成できます。

この原理は、私たちがよく食べる自己発熱鍋と非常に似ています。水を媒体として加熱パックを加熱し、熱風を発生させて食材を加熱します。このプロセス中、水と材料は接触しません。

「核エネルギー加熱」の問題に戻ると、プール型加熱炉であろうとシェル型加熱炉であろうと、それらはすべて蒸気を熱源として抽出し、プラント内の最初の熱交換ステーションとプラント外の暖房企業の熱交換ステーションを通じて多段階の熱交換を行い、最終的に都市暖房パイプラインネットワークを通じてエンドユーザーに熱を伝達します。

プロセス全体を通して、「蒸気加熱水」と「水加熱水」の 2 つのモードのみがあります。原子力発電所と暖房利用者を隔離するための回路が複数あります。各回路間では熱伝達のみが行われ、水の交換は行われないため、放射性物質がユーザーの加熱パイプに入ることはありません。

▲海陽原子力基地（写真提供：The Paper）

メディアの報道によると、山東省海陽市の原子力暖房は、原子力発電所で発生した蒸気の一部を熱源として取り出し、発電所内の熱交換器で高温水に変換し、パイプライン網を通じて暖房会社に輸送している。全体のプロセスには 5 つの回路が関与します。

別の専門エンジニアは、原子力発電所の第1熱交換ステーションからの温水が工場を出荷する前に、オンライン監視および遮断装置によるテストが行​​われ、回路間に圧力差設計が採用され、安全で信頼性の高い原子力加熱が確保されると述べた。

住民に対しては、検査の結果、利用者が使用した水には放射能が含まれていないことがわかり、通常の水使用の各種指標と一致していたため、「非常に安全ですのでご安心ください」と述べた。

Q3: 原子力発電所は「爆発」しますか?

原子力暖房は放射線を出さないだけでなく、原子力発電所も非常に安全です。

設計的には、核燃料を特殊な燃料被覆管で包み、シェル型加熱炉の一次回路系を格納庫と呼ばれる密閉された建屋に設置します。格納容器は、原子力発電所で事故が発生した場合に、公衆と環境への影響を最大限に防ぐことができます。

実際、ビールのアルコール濃度が低すぎて燃えないのと同じように、原子炉の燃料として使われるウラン235の濃度は3％から5％に過ぎないのに対し、核兵器には95％以上、あるいはそれ以上の濃度が必要なので、原子炉自体は爆発せず、漏洩の危険もありません。

過去の事故から判断すると、原子力発電所の爆発の原因はただ一つ、水不足だ。

原子力発電所では、発電プロセス中に、循環を実現するために反応物に冷水を継続的に注入する必要があります。循環が止まると反応物が過熱して溶けてしまい、大事故につながります。

チェルノブイリ原子力発電所は、停電後に蒸気を使ってタービンを動かして発電することを望み、実験を行った。しかし、残念なことに、実験中に操作ミスが発生し、原子炉が過熱し、最終的にメルトダウン、爆発、核漏れが発生しました。

▲第3世代原子力発電所：中国広核集団陽江原子力発電所5号機

日本の福島原子力発電所の事故の方が理解しやすいです。地震後、原子力発電所は停止した。予備のディーゼル発電機が30分間稼働した後、電力システムは津波によって完全に破壊されました。最終的に、4基すべてが爆発し、深刻な核漏れ事故が発生しました。

暖房施設も停電したら、チェルノブイリと同じ過ちが繰り返されるのでしょうか？答えはノーです。近年新たに建設された原子炉はすべて第3世代原子炉にアップグレードされているからです。福島原発などの第二世代原子炉と比較すると、最大の特徴は「非能動的」冷却機能を備えていることだ。外部電源なしで自然循環冷却が可能で、安全係数が大幅に向上する。

プール型原子炉は、核燃料が水中で直接反応するため、発生したエネルギーによって水温が直接100度程度に固定され、冷却水が全く必要ありません。これにより、エネルギー変換装置システムの複雑さが簡素化され、エネルギー変換プロセスにおける損失が削減されます。従来のシェル型原子炉よりも安全係数が高くなっています。

Q4: 原子力暖房は将来広く普及するでしょうか？

従来の化石エネルギーなどの他の暖房方法と比較すると、原子力暖房には環境面での明らかな利点があります。核分裂はエネルギー密度が高く、同じ出力の石炭ボイラーと比較すると、核燃料の年間輸送量は石炭の量の約10万分の1にすぎません。原子力暖房は二酸化炭素排出量も大幅に削減できるため、「炭素削減」や「カーボンニュートラル」のニーズにも合致します。

私の国の北部では、集中暖房に対する国民の需要が、炭素排出量の削減とカーボンニュートラルに対する主な障害となっています。このような圧力の下では、火力発電所は将来的に容易な状況にはならないだろう。原子力発電の実現は火力発電会社に新たな希望をもたらしたと言える。

実際のところ、核加熱は新しい概念ではありません。半世紀前には北欧で使われており、ソ連も原子炉を建設した。私の国では、1980年代初頭から関連する研究が行われていました。 2017年末までに、中国核工業集団の原子力研究所の一部のオフィスビルでは、自社開発したプール型低温加熱炉「ヤンロン」を暖房に使い始めていた。

では、原子力暖房がまだ普及していない理由は何でしょうか?経済的要因は非常に重要な理由です。

▲プール型原子力加熱の模式図

プール型加熱炉は小型炉とも呼ばれます。便利で柔軟性がありますが、現在の技術レベルでは暖房効率が犠牲になっています。公園、キャンパス、小さな町などの狭いエリアでのみ使用できます。それは一般大衆に利益をもたらすことはできず、暖房の本質的な問題を解決することもできません。むしろ、大きな経済的圧力に直面している。

もう 1 つは、既存の中型および大型原子力発電所をベースに、原子力発電所からの抽出蒸気を使用して暖房ネットワークに熱を供給するものです。このモデルは山東海陽で使用されています。抽出蒸気の温度と圧力は、加熱ネットワークの需要と熱伝達パイプラインの長さによって決まります。

しかし、このモデルには欠点もあります。原子力発電所は大量の冷水供給を必要とするため、我が国の内陸部、特に水不足に悩む北部地域での建設には適していません。内陸部に熱を供給するために海側にパイプラインを建設するだけでは、熱伝達装置の建設に多額の費用がかかるだけでなく、伝導過程での熱損失も膨大になります。

まとめると、原子力暖房は良いものだが、大規模に普及させることは容易ではないという結論を導き出すことは難しくない。

実際、原子力暖房は市場、技術、政策など多くの側面が関わる複雑な課題です。浙江省海塩市と山東省海陽市の原子力暖房は大きな前進を遂げており、地域のエネルギー構造の最適化、地域のクリーン暖房、ゼロカーボン暖房の実現に重要な指導的役割を果たしている。また、原子力加熱技術の将来の開発と応用の方向性も示しています。

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著者：張子麗（中国科学院電気工学研究所准研究員）

編集者/趙天宇 劉趙

ニューメディア編集者/呂冰鑫

制作：サイエンス・セントラル・キッチン

制作：北京科学技術ニュース |サイエンスプラスクライアント

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