溶融塩炉は原子力を節約できる可能性がある

Nov 12, 2023

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溶融塩炉は、1950 年代に初めて研究された原子炉の一種であり、半世紀以上妨げられてきた問題を克服できれば、クリーン エネルギーの未来となる可能性があります。

核分裂は、中性子が原子核に衝突し、原子が分裂するときに発生します。 これにより、膨大な量のエネルギーが放出されるだけでなく、より多くの原子を分裂させる追加の中性子も放出され、自立的な核分裂反応が引き起こされます。

原子炉は核分裂プロセスを制御し、熱として放出されたエネルギーを利用して水を沸騰させ、発電タービンを回転させる蒸気を生成します。

このプロセスは二酸化炭素を排出せず、太陽が輝いているか、風が吹いているかに関係なく実行できるため、原子力はクリーン エネルギーの未来にとって重要な要素となる可能性があります。

すでにあるような原子力発電所を建設するには、約 7 年と 100 億ドルがかかります。

しかし、今日、原子力は世界の発電量のわずか 10.3% を占めており、閉鎖される原子炉の数が建設中の原子炉の数を上回っています。

その理由の一つは、私たちがすでに持っているような新しい原子力発電所を建設するには約7年と100億ドルがかかるためであり、特に天然ガスやガスからの電力の場合には、事業者志望者の中にはそのような巨額の投資に慎重な人もいる。再生可能エネルギーは安くなっている。

同時に、原子力エネルギーは歴史的に石炭や天然ガスよりもはるかに安全であるという事実にもかかわらず、多くの潜在的な建設はチェルノブイリや福島のような原子力災害の可能性を懸念する一般大衆からの反発に直面している。

核分裂によって生成される電力の量を増やすには、その利用方法を再考する必要があるかもしれません。

今日の原子力発電所のほとんどでは、水が高圧で原子炉の炉心にポンプで送られ、そこで金属棒に包まれた燃料ペレットが核分裂します。 これにより水は約600°Fまで加熱されますが、高圧により水が沸騰するのを防ぎます。

次に、超高温の液体水は、さらに多くの水が入っているチャンバーを通過してポンプで送られます。 その熱により水が沸騰し、タービンを回転させるのに必要な蒸気が発生します。 その後、冷却された水は燃料チャンバーに戻って再加熱され、サイクルを継続できます。

超熱水を液体として保つために必要な高圧により漏洩の可能性が高まり、水が漏洩すると燃料が過熱して格納棒が溶け、放射性物質が水や環境に放出される可能性がある。

これを防ぐために、原子炉には多くのバックアップ システムと冗長性が必要となり、コストと複雑さがさらに増大します。

溶融塩炉は、今日の原子力発電所よりも建設コストが安く、さらに信頼性が高いと期待されています。

ただし、このデザインが唯一の選択肢ではありません。

1950年代に米国の研究者は、熱を伝達し燃料を安定に保つ材料として水の代わりに溶融塩（室温では固体だが高温では液体になる塩）を使用する溶融塩炉の概念を探求し始めた。温度。

これらの反応器用に提案されている種類の塩は、加圧しなくても 2,500 F もの高温でも液体のままです。 温度が高くなると反応器の効率が上がり、より多くの電力が発生する一方、加圧がなくなると漏れのリスクが減ります。

核燃料はすでに液体であれば溶けません。

一部の溶融塩炉の設計では、熱を運ぶ水から分離した固体燃料棒の代わりに、燃料を溶融塩自体に溶解する必要があります。

これにより、メルトダウンのリスクが排除されます。燃料がすでに液体であれば溶けることはありません。また、漏れがあった場合、漏れ出た塩と燃料は冷えるにつれて急速に固まって岩石になります。 これは、加圧水型原子炉が漏れた場合に放出される放射性水や蒸気よりも浄化が簡単だろう。

溶融塩反応器の設計には、「凍結バルブ」または「凍結プラグ」と呼ばれる安全機能も含まれています。 このプラグは、上部の溶融塩混合物をその下の保持タンクから分離します。 混合物が熱くなりすぎると、バルブが溶け、溶融塩が重力によってタンクに落ちます。たとえすべてのバックアップ システムが故障したとしても、災害は阻止されます。

溶融塩原子炉の建設にどれくらいの費用がかかるかは正確にはわかりませんが、アナリストらは、設計に含まれる部品が少ないため、標準的な水型原子炉よりも建設費用が安くなると予想しています。

原子炉の信頼性も高まる可能性がある。現在の原子炉は通常、燃料補給のために18～24カ月ごとに停止する必要があるが、原子炉の稼働中に溶融塩に溶解した使用済み燃料が処理され、新しい燃料が追加される可能性がある。

しかし、溶融塩炉の期待はまだ実現されていません。

「今日でも、溶融塩炉内の高放射線、高温、腐食環境で満足に機能できる材料はありません。」

オークリッジ国立研究所の研究者は、1965 年に自立核分裂が可能な最初の概念実証溶融塩炉である溶融塩炉実験 (MSRE) を建設しました。

しかし、その後 4 年間で、主にさまざまなコンポーネントに関わる技術的な問題が原因で 167 回予期せず停止され、1969 年には永久に停止されました。

これらの技術的問題が発生しなかった場合、原子炉が溶融塩の使用による別の問題にどれくらい耐えることができたのかはまだ明らかではない。

「現在でも、溶融塩炉内の高放射線、高温、腐食性の環境では、満足のいく性能を発揮できる材料はない」とエネルギー・資源の専門家MVラマナ氏は2022年6月の『原子科学者会報』で述べた。

MSREが停止して以来、誰も溶融塩炉を運転していませんでしたが、気候変動によりよりクリーンなエネルギーの必要性が高まっているため、現在、この設計に対する新たな関心が高まっています。

2022年2月、ビル・ゲイツが設立した原子力エネルギー会社であるテラパワーとガス・電力会社であるサザン・カンパニーは、エネルギー省の資金提供によるアイダホ国立研究所での溶融塩化物原子炉実験（MCRE）の建設で提携すると発表した。

完成すると、MCRE は世界初の重要な高速スペクトル塩炉となります。高速炉は、核分裂プロセス中に放出される中性子を減速させる減速材を使用せずに核分裂を維持できるため、効率が向上します。

試験炉からのデータは、TerraPower の溶融塩化物高速炉の開発に情報を提供します。同社は、2030 年代初頭にそのシステムの 180 メガワットのデモを構築する予定であり、これは約 90,000 世帯に電力を供給するのに十分な量となります。

2022年8月、中国は上海応用物理研究所（SINAP）の研究者に対し、ウランとそれより豊富な元素であるトリウムの混合物を燃料とする実験用溶融塩炉の起動許可を与えた。

「今のところ、稼働中のすべての原子炉に燃料を供給するのに十分なウランがある」と原子炉専門家のシルヴァン・デイヴィッド氏は2021年12月にフランス24に語った。「しかし、原子炉の数が増えれば、供給が追いつかなくなる状況に陥る可能性がある」トリウムを使用すれば、ウランの必要性を大幅に減らすことができます。」

SINAPの溶融塩炉は約1,000世帯分の電力を生成するように設計されているが、試験がうまくいけば、中国は数十万世帯に電力を供給できる大型バージョンを建設する用意がある。

2022年10月、ブリガム・ヤング大学の研究者らは、米国の1,000世帯に電力を供給できるほど強力で、40フィートのトラックの荷台に収まるほど小型の溶融塩炉の設計を発表した。

この小型の原子炉は、おそらく標準的な原子炉プラントよりも建設がはるかに安価で簡単であり、遠隔地への原子力の導入が容易になる可能性があるが、現時点では原子炉の1基を建設する計画はない。

しかし、BYUの研究者マシュー・メモット氏はレジスターに対し、彼のチームは塩から水と酸素を除去することで塩の腐食性を下げる方法も開発したと語った。 彼らはすでにユタ州のサンラファエルエネルギー研究センターと提携して、ミニまたはフルサイズの溶融塩炉のオペレーター向けの塩精製センターを建設しています。

これらは、溶融塩炉を詳しく調査している多くのグループのうちのほんの一部にすぎませんが、たとえその設計の 1 つまたは複数が建設されたとしても、彼らが問題となっている腐食問題を克服できたかどうかは、当分はわかりません。長い間テクノロジーを抑制してきました。

ピサ大学の原子炉技術専門家フランチェスコ・ダウリアム氏は、「腐食性製品の問題は、5～10年経たないとその損傷に気づかないことだ」とFRANCE 24に語った。

しかし、今日の研究者が腐食に耐え、MSRE が経験した技術的課題を克服する溶融塩炉を構築できれば、その装置は核分裂によって生成される電力量を増加させ、クリーン エネルギーの未来に近づける可能性があります。

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