ロシアとウクライナの紛争の中で原子力発電所は依然として安全か？

ロシアとウクライナの戦争により、ウクライナの原子炉15基の状況が心配だ。ウクライナにある原子炉はどのようなタイプですか?セキュリティリスクは制御可能ですか?

ニューメディア編集者ドゥアン・ダウェイが編集

ウクライナ通信社によると、ウクライナとロシアの戦闘により、最近ウクライナのザポリージャ原子力発電所付近で火災が発生した。ザポリージャ原子力発電所の広報室は、原子力発電所に火災はなく、火災が発生した建物は原子力発電所近くにある訓練施設だったと発表した。

▲ザポリージャ原子力発電所のリアルタイム監視画面には、発電所敷地内で火災が発生したことが表示されている（写真提供：CCTV News Client）

▲ウクライナの原子力発電所の分布図（写真提供：Business Insider）

ロシアとウクライナの戦争の余波はまだ収まっておらず、ウクライナには複数の原子力発電所と原子炉が存在している。ザポリージャ原子力発電所の6基の原子炉に加え、フメリニツキー原子力発電所には2基、リウネ原子力発電所には4基、南ウクライナ原子力発電所には3基の原子炉がある。稼働中の原子炉は合計15基。これらはどのようなタイプの原子炉ですか?セキュリティリスクは制御可能ですか?

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原子力の誕生

人類が誕生して以来、私たちは石炭、石油、天然ガス、太陽エネルギー、風力エネルギーなどのエネルギーの探究を止めたことは一度もありません。結局のところ、人間が使用するエネルギーのほぼすべては太陽から来ています。しかし、例外が 1 つあります。それは、人類が独自に習得したエネルギーを生産する優れた技術、つまり原子力です。ほとんどの人はそれについて知りません。原子力エネルギーを合理的に利用することで、再生不可能なエネルギーの損失を減らし、環境汚染をある程度軽減することができます。現在、私たちが習得し、制御できるのは核分裂です。

核分裂は、核分裂反応とも呼ばれ、重い原子核（主にウラン原子核またはプルトニウム原子核）が2つ以上のより小さな質量の原子に分裂する核反応の一種を指します。 1938年、ドイツの科学者オットー・ハーンとその助手シュトラスマンが実験で核分裂の現象を発見し、人類による原子力利用の始まりとなった。

ウラン235の原子核が外部から中性子に衝突されると、1つの原子核が中性子を吸収し、質量の小さい2つの原子核に分裂し、2～3個の中性子を放出します。これらの中性子は他のウラン 235 原子核に衝突し、新たな核分裂を引き起こします。このサイクルが繰り返され、核分裂の連鎖反応が起こります。

連鎖反応の最大の「利点」は、大量の熱エネルギーを生成できることです。現代人にとって、この熱エネルギーの最も直接的な利用法は電気を生成することです。 1942年、アメリカの科学者フェルミらは世界初の人工原子炉を建設した。 1954年6月、ソビエト連邦はモスクワ近郊のオブニンスクに、産業用電力網に電力を供給する世界初の原子力発電所であるオブニンスク原子力発電所を建設しました。

その後、さまざまなタイプの原子炉が次々と建設され、発電能力はますます大きくなっていきました。第一世代の原子力発電所が正式にエネルギー分野に参入し、原子力エネルギーは電気の形で何千もの家庭に届けられました。

第一世代の原子力発電所は実験的な技術であったため、多種多様なものがありました。しかし、ほとんどの場合、高温の蒸気を使ってタービンを回転させ、発電機を駆動して電気を発生させるので、従来の火力発電所とあまり変わりません。しかし、違いは、火力発電所では石炭の燃焼を利用して水を加熱するという点です。原子力発電所では、原子核の核分裂反応を利用して十分な熱を供給します。

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原子力発電所の技術が成熟

1970年代、石油価格の高騰によるエネルギー危機が原子力発電の急速な発展を促進しました。世界で商業運転されている400基以上の原子力発電所の大部分はこの期間に建設され、通常、第二世代の原子力発電所と呼ばれています。データによれば、ウクライナで運用されているユニットのほとんどはこの期間に建造されたものである。第一世代の原子力発電所が隆盛を極めて以降、熾烈な市場競争の中で目立った原子力発電所はわずか数種類にとどまっています。

（写真提供：中国広核集団有限公司）

例えば、構造がシンプルでコストが低い沸騰水型原子力発電所など。このタイプの原子力発電所では、発電機を駆動する蒸気は、原子炉を流れる水を直接沸騰させることによって生成されます。しかし、これは必然的に放射性物質を運び、それによって回路全体が汚染され、漏れると困ったことになります。

その結果、構造は複雑だが、より安全で信頼性の高い加圧水型原子力発電所が大いに支持されるようになった。現在、世界で最も広く使用されている主な原子炉の種類は、依然として加圧水型原子炉原子力発電所です。データによれば、現在世界中で440基以上の原子力発電所が稼働しており、そのほとんどが軽水炉です。我が国で稼働中および建設予定の原子力発電所の大部分も軽水炉です。

加圧水型原子炉原子力発電所はどのように機能するのでしょうか?

原子力発電所の動作原理は複雑ではありません。最も一般的な加圧水型原子力発電所を例にとると、ウランでできた核燃料が原子炉内で核分裂を起こし、大量の熱エネルギーを放出します。高圧の冷却水を循環させることで熱を取り出し、蒸気発生器で蒸気を発生させ、タービンを回転させて発電します。

高温ガス冷却炉で発生した熱はヘリウム冷媒によって運び去られ、安全性が高く出口温度が高いという特徴があります。高速炉原子力発電所は、高速中性子を直接利用して連鎖核分裂反応を起こすもので、減速材が不要、小型、高出力密度などの利点がある。これは現在、国際的な原子力エネルギーコミュニティにおいて最も成熟し、最も有望な先進的な原子炉のタイプの 1 つです。

▲高速炉原子力発電所の模式図

原子力エネルギーを電気エネルギーに変換するにはどうすればよいでしょうか?

▲加圧水型原子力発電所の原理図。原子炉がある一次回路を「原子炉島」、蒸気タービンがある二次回路を「従来型島」と呼ぶ（画像提供：惑星研究所）

一般的に、加圧水型原子力発電所には 2 つの回路があり、そのうちの 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、膨大な熱が発生し、高圧の水が300℃以上に加熱されます。

原子力発電所で使用される核燃料は、放射性物質が含まれているため、安全性を確保するために、特殊な燃料被覆管で包まれています。一次ループシステム全体も、格納容器と呼ばれる密閉された建物内に設置されています。原子力発電所の写真にある「大きな殻」は、このような密閉された建物です。格納容器は、原子力発電所で事故が発生した場合に、公衆や環境に最大限の影響が及ばないようにすることができます。

二次回路システムは蒸気タービン発電機システムです。蒸気システム、蒸気タービン発電機セット、凝縮器、蒸気排気システム、給水加熱システム、補助給水システムで構成されています。二次回路の水は蒸気発生器を通して一次回路の蒸気の熱を吸収し、飽和蒸気となり、蒸気タービンを駆動して発電し、その後、凝縮器に入ります。凝縮器で冷却された後、給水ポンプを通って蒸気発生器に入ります。

原子力発電所では、凝縮器の冷却回路を三次回路と呼ぶことがあります。この回路は、冷却水源を使用して二次回路の水を冷却し、三次回路で廃熱を環境に放出します。

これにより、加圧水型原子力発電所の発電部を原子炉から完全に分離することができ、放射性物質を隔離し、設備メンテナンスの難易度を大幅に低減することができます。

▲世界初の「華龍一号」原子炉、福清原子力発電所5号機の敷地（写真提供：中国核電有限公司）

原子力発電所の原子炉は、設備の観点から見ると、火力発電所のボイラーに相当します。具体的な方法としては、核分裂によって発生した熱を利用して水を「沸騰」させ、タービンを回して熱エネルギーを電気エネルギーに変換するというものです。

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加圧水型原子炉のリスクを「抑制」する方法

データによれば、ウクライナの原子炉15基はすべてリスクの低い加圧水型原子炉である。しかし、原子力発電所は大きな放射線源であるため、事故が起きれば悲惨な結果を招くことになる。

認定加圧水型原子炉原子力発電所として、比較的完全な安全対策が講じられている必要があります。

まず、内部から外部にかけて 3 つの物理的な障壁があります。最初の障壁は核燃料を包む金属管です。核燃料が冷却水と接触して放射性物質が漏れるのを防ぐため、高温・耐腐食性に優れたジルコニウム合金で作られています。

▲加圧水型原子力発電所の3つの安全バリアの模式図（写真提供：惑星研究所）

2番目の障壁は、炉心を囲む圧力容器とパイプです。最初の障壁が破られた場合、放射性物質もループ内に封じ込められる可能性があります。 3つ目の防壁は、すべての原子炉を囲み、炉心が溶けても放射性物質が環境に放出されるのを防ぐコンクリート製の格納容器です。さらに、制御棒を自動的に挿入して急速に「ブレーキ」をかける緊急停止システム、炉心に自動的に水を注入して炉心を急速に冷却する緊急炉心冷却システムなど、さまざまな安全制御システムが、原子力発電所の安全な運転のために何層にもわたる防御を提供しています。

しかし、それが絶対に安全であることを意味するわけではありません。英国ブリストル大学の材料科学教授トム・スコット氏はガーディアン紙のインタビューで、冷却能力が損なわれれば、取り返しのつかない結果が生じる可能性があると説明した。原子炉を停止してから炉心の残留熱を除去するまでには数週間かかるからです。 「冷却システムはディーゼル発電機に依存しているため、これらの発電機が損傷すると、原子炉が過熱し、残留水が蒸気に変わり、原子炉内の燃料が溶けて放射能が大気中に放出される福島型の事故につながる可能性がある。」

現在、ウクライナの原子力発電所は攻撃されていないが、今後事態がどのように展開するかはまだ不明である。しかし、いずれにせよ、原子炉に砲撃が集中すれば、おそらく核の雲が地球を覆うことになるだろう。

（北京科学技術ニュース、新民晩報、惑星研究所、中国核工業集団、中国工人網、光明オンラインなどからの総合情報）

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 |北京科学技術メディア

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