廃炉が決まった
高速増殖原型炉「もんじゅ」について
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(出典) (1)毎日小学生新聞、月刊なるほどり/2017年2月号
(2)高速増殖炉って何ですか/
http://www.geocities.jp/tobosaku/kouza/fbrl.html
1)高速増殖炉(FBR: Fast Breeder Reactor)とは
高速中性子による核分裂連鎖反応を用いた増殖炉のことをいう。
簡単に言うと、「増殖炉」とは消費する核燃料よりも新たに生成する核燃料の方が多くなる原子炉のことであり、「高速」の中性子を利用してプルトニウムを増殖するので高速増殖炉という。
1-1)発電の仕組み
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| Fig.1 高速増殖炉(FBR)の仕組み |
Fig.1で
1)原子炉の中でプルトニウムが核分裂を起こし、ものすごい熱が発生する。
2)原子炉で熱せられた1次系の金属ナトリウムは「中間熱交換器」を通る間に
２次系のナトリウムに熱を渡して冷やされ、再び原子炉に戻る。
3)２次系ナトリウムは、蒸気発生器で水を沸騰させて、再び「中間熱交換器」へ。
4)蒸気発生器で発生した蒸気はタービンを回し、復水器で冷やされて水になり、
再び蒸気発生器に戻る。
1-2)プルトニウムを増殖する仕組み
「高速」の中性子を利用してプルトニウムを「増殖」するので「高速増殖炉」。
「高速で増殖する」わけではありません。
それどころか最近では意味があるほど「増殖」するかどうかも疑わしくなってい
ます。
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| Fig.2 原子炉内で核分裂反応 |
Fig.2で
①ウランやプルトニウムが核分裂すると２～３個の中性子が飛び出します。
この中性子がまたウランやプルトニウムにぶつかって次々に核分裂が続きます
（連鎖反応）。
②この時に発生する熱を利用して発電するのは軽水炉も高速増殖炉も同じです。
③軽水炉では飛び出した中性子の内１つだけが水にぶつかってスピードを落として
から次のウランにぶつかる仕組みになっています。
④高速増殖炉では、プルトニウム燃料を包み込むように、燃えないウラン（ウラン
２３８）を並べておきます。
⑤ウラン２３８は、中性子を吸収してプルトニウム２３９に変わる性質があります。
⑥そこで、核分裂で飛び出した中性子の内、１つを連鎖反応に使い、もう1つを
ウラン239に吸収させるようにすれば、プルトニウムが燃えるかたわらでウラン
239から新しくプルトニウムが生まれてくることになります。
⑦飛び出す中性子のスピードが高い高速中性子の方が効率よくプルトニウムを
増やせます。
⑧水は中性子のスピードを落とす（減速）性質があるので、冷却材に水は使えま
せん。
⑨そこで、中性子を減速させず、熱を伝えやすい性質のナトリウムを冷却材に使い
ます。
⑩核分裂そのものは、スピードが遅い中性子（熱中性子）の方が効率よく進む
ので、軽水炉では冷却材兼減速材として水を使います。
⑪つまり、高速炉は燃焼効率を犠牲にして、プルトニウムを増やそうとする原子炉
というわけです。
2)一般的な商用発電用原子炉(軽水炉)と比較した場合の高速増殖炉
の特徴
①増殖比（核反応において消費される核分裂性核種の消滅数に対する生成数の
割合）が1.0を超えること
②核燃料の主体がウラン238/プルトニウム239となること（他に核反応起動用の
ウラン235が若干必要）
③減速材を使用しないこと（熱中性子を利用せず、高速中性子をそのまま利用す
るため）
④減速材が不要であり、従来と比べ核燃料（核反応断面積がウラン235と比べ
格段に小さい）の高密度配置が必要となるため、炉心単位体積あたりのエネ
ルギー量の大きさが飛躍的に向上する。また冷却材の高能率化が必須となる。
3)廃炉が決まった増殖「もんじゅ」の特徴
①冷却材に軽水（つまり普通の純水）を使わずに、代わりに溶融金属（主に金属
ナトリウム）を使用する。
②燃料には天然ウランまたはウラン／プルトニウム混合燃料（Mixed oxide:
MOX燃料)を利用する。
MOX燃料の元となるプルトニウム239とウラン238は通常の軽水炉で燃料
として使うこともできるが、高速増殖炉の炉心で燃やすことで、さらに不要な
ウラン238から次の高速増殖炉用の核燃料であるプルトニウム239を作り出す
ことで核燃料を循環させる核燃料サイクル」を実現するための要となる装置で
ある。
高速増殖炉は、核燃料サイクルのウラン－プルトニウム系列を実施する。
| ウラン238（天然・非核分裂性）+ 中性子 → ウラン239→ネプツニウム→プルトニウム239(核燃料) |
3-1)冷却材としての金属ナトリウム
軽水炉では、炉心の熱エネルギーを外部に取り出すための冷却材や中性子の
減速材、反射体などを兼ねて軽水を利用する。
これに対し、高速増殖炉では高速中性子を減速させないように加熱溶融した金属
ナトリウムのような液体金属を使用する。
高速増殖炉の冷却材は、平均速度が秒速1万km程の高速中性子に対して減速
効果が小さくその運動を衰えさせないものでなければならず、また単位体積当たり
の出力密度が軽水炉よりもかなり大きくなるため、熱伝導率の良いものでなければ
ならない。
これらの条件を満たすものとして、金属ナトリウムが使われている。
過去には水銀、ビスマス、鉛、カリウム、NaK(ナトリウムカリウム合金)などが考え
られた。鉛・ビスマスは腐食性が問題である。
ナトリウムは発火性があるが、採用されたメリットとして
①水と違って、圧力をかけなくても800度以上にならないと沸騰しないので扱い
やすい。
②比重が水と同程度なので、水と同様にポンプで循環できる。
3-2)燃料としてのMOX燃料
炉心内中央部にはMOX燃料と呼ばれる核燃料集合体が置かれる。
①使用前のMOX燃料は、燃料となるプルトニウム239とウラン235が微量と、
あとは核分裂をほとんど起こさないウラン238で占められている。
②MOX燃料は、（最初は）他の原子炉で使用済みとなった核燃料棒を再処理
して取り出されるプルトニウムとウランを混合して酸化させペレット状に固めて
燃料被覆管に詰められ核燃料棒とされる。
酸化させることで熱に強くして溶けにくくしている。
③このプルトニウムは、軽水炉内から取り出された使用済み燃料を再処理して
得られた物か、高速増殖炉のブランケットを処理して得られた物のいずれか
である。
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