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炉心溶融〜メルトダウン〜

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コミュ内全体

詳細 2016年2月16日 08:50更新

メルトダウンのコミュです。

基本的には最新の知識、知恵、情報交換。子供を守るという趣旨の元ほそぼそとやって行きたいと思います。

炉心溶融(ろしんようゆう)、メルトダウン(英語: meltdown)とは、原子力発電所で使用される原子炉の炉心にある核燃料が過熱し、燃料集合体または炉心構造物が融解、破損することを指す原子力事故。最悪の場合は原子炉圧力容器や原子炉格納容器、原子炉そのものが破損され、放射性物質が周囲に拡散することも想定される。

概要原子力発電は、核分裂を人工的に発生させ、その熱を人類が使うためのエネルギーに変換する。核燃料を人工的に非常に高温な状態とするため、原子炉に装荷された核燃料は、水などの冷却材によって常時冷却されている。この水が減って核燃料が露出するなどが原因で高温となり、燃料自体を溶かしてしまう現象を炉心溶融を言う。

炉心溶融が起こった後、冷却処理を取らなければ、核燃料の膨大な熱エネルギーによって原子炉圧力容器や格納容器、原子炉建屋などの構造物も破壊し、最終的には外部に放射性物質を大量に放出する恐れがある

軽水炉においては、溶けた燃料棒が冷却水に落ちると冷却水が激しく蒸発し、水蒸気爆発が起きる可能性がある。

最悪の場合には放射性物質を大量放出する危険を持つため、原子力発電において想定しうる最も過酷な事故とされる。

映画「チャイナ・シンドローム」の作中では、アメリカの炉心溶融が連続して起きて原子炉や地殻を溶かし、地球の反対側の中国まで溶かす「チャイナ・シンドローム」が発生するという表現がジョークとして用いられた。このため炉心溶融自体をチャイナ・シンドローム(China Syndrome)と呼ぶこともある[5]が、炉心溶融が発生した場合に、必ず原子炉熔解が起きるわけではない
メルトダウン(炉心溶融、炉心融解とも)とは、炉心の耐熱性を上回る高熱によって炉心が溶融、損傷する事態をさす。設計基準事象を大幅に超え、炉心の重大な損傷に至る事象(シビアアクシデント)のひとつである。

フィクション映画「チャイナ・シンドローム」と、映画公開12日後に発生した米スリーマイル島事件がきっかけとなり一般にも広く知られる言葉となった。

「チャイナ・シンドローム」とは、アメリカでメルトダウンが発生した場合、高熱が地中を溶かし、地球の反対側の中国に到達するだろうという冗談から生まれた言葉である。






概要
定常運転中の炉心は冷却材によって絶えず除熱され、出力も一定のため、炉心溶融は起こらない。

炉心溶融は冷却材喪失事故(Loss Of Coolant Accident LOCA)か、反応度事故(Reactive Initiated Accident RIA)に、更なるトラブルが重なった場合、起こりうる。LOCAとRIAに対しては、工学的安全装置や設計段階での何重もの対策が行われている。もしもそれらの対策が有効に機能しなかった場合、炉心溶融は発生しうる。確率論的安全評価では、燃料棒の温度が1200度に達すると、炉心溶融が起きると仮定している。(この値は実験で確かめられた温度よりも低い)

なお、炉心溶融と放射性物質の重大な外部放出を=で結びつける論調が一部に存在するが、スリーマイルアイランド島の事故から明らかなように、これは間違いである。
大量の放射性物質が外部に放出されるには、圧力容器のみならず、格納容器の大規模な破壊も必要である。

冷却材喪失事故 LOCA
原子炉冷却系の配管が破損したりすることにより、冷却材が失われる事故のことを冷却材喪失事故(LOCA)とよぶ。

冷却材の流出が発生すると、原子炉は自動的に停止するが、核燃料は原子炉停止後も長時間熱を出し続ける。そのため、失われた冷却水を補充して、冷却し続けなければならない。それらに対応するため、原子炉には非常用炉心冷却装置(Emergency Core Cooling System ECCS)が存在する。 ECCSは冷却材の喪失や、圧力の低下などを感知すると自動で起動され、原子炉に強制的に注水して炉心冷却を続ける。

LOCAの際に何らかのトラブルにより、ECCSが正常に作動しなかった場合、炉心溶融の可能性が発生する。

スリーマイルアイランド島原子力発電所事故
スリーマイルアイランド島原子力発電所事故はLOCAによる炉心溶融事故である。INESではレベル5相当。

この事故の発端は、主給水ポンプの故障である。
主給水ポンプの停止により、原子炉は自動的に緊急停止。冷却系配管の圧力が上昇し、配管の加圧器逃し弁が自動的に開き、配管の圧力を低下させた。 ところが、加圧器逃し弁のひとつが開状態のまま固着され、圧力低下後も閉まらなくなった。これにより当該の弁から冷却水が流出し、結果的に小規模配管の破断と同じ状況になった。

そのため、配管の圧力が大きく低下したため、ECCSが起動され炉心への注水と除熱が行われた。ところが運転員のミスにより(緊急手順に違反して)ECCSは手動で停止させられた。 その結果、原子炉圧力容器内の冷却水が減少し、一時は炉心が剥き出しになった。そして、冷却不足から炉心溶融が発生した。後に再起動されたECCSにより炉心に注水、事故発生から15時間50分後に事態は制御可能な状況に戻った。

なお、原子炉圧力容器はダメージを受けたものの、封じ込め機能は保たれていた。この事故による外部への放射性物質の漏洩は限定的で、周辺環境への放射線の影響はほとんど無視できる値であった。
この事故は小規模配管での破断事故でも、炉心溶融という重大事象が発生しうるという事実も示した。この事故によって、それまで大規模配管の破断に比較して、軽視されがちだった小規模配管の破断事故にも、関心が向けられるようになった。 そのほかにも、人間工学上の知見、運転員教育の重要性、ヒューマンエラーなど、数多くの教訓が得られた。
それらは現在の世界各国の原子力発電所に生かされている。

東京電力 福島第一原子力発電所事故
2011年3月11日に起きた東北地方太平洋沖地震によって被災し停電、炉心の冷却を予備電源でまかなっていたものの、19時頃に故障した。
冷却水が蒸発、原子炉の水位が下がる中で、12日未明に上記の排出を行うなど爆発を防止する対策が行われたものの、同日15時頃に爆発事故が発生、また、炉心溶融によって放出されられるセシウムも検出された。
日本の原子力発電所での事故としては史上最悪となった。

反応度事故 RIA
出力が一定の原子炉は一定のペースで核分裂が連鎖反応している。(臨界)以降、核分裂の数=出力と考えてよい。
これは一回の核分裂で放出される中性子のうち、きっかり1つだけが新たな核分裂を起こすことを意味する。 次の世代の核分裂を起こす中性子が1つよりも多くなれば、世代が増すごとに起きる核分裂反応も多くなる。これは超臨界などと呼ばれる。
※世代ごとに2個の中性子が次の核分裂に使われるとすれば、0世代と比較して、1世代後は2倍、2世代後は4倍、3世代後は8倍の核分裂が起こる

通常の原子炉では核分裂1世代あたりにかかる平均時間は約0.1秒である。(つまり1秒間に10世代分の核分裂が起こっている) また核分裂反応を増加させるときは1世代あたり0.1%程度増える(0.1%の正の反応度を投入と表現する)よう制御される。
この場合、1秒後の原子炉の出力上昇は1.01倍程度と緩やかな水準である。 ところが、1ドル(約0.7%)と呼ばれる値を超える反応度を与えると、原子炉の出力は瞬間的に上昇するようになる。
1ドルきっかりの場合、即発臨界と呼ばれる状態となる。即発臨界では核分裂1世代にかかる時間が、0.0001秒程度ときわめて短くなる。 仮に即発臨界の状態で、0.1%の正の反応度が投入されると、『単純計算では』1秒後の原子炉出力は2万2千倍に達する。

RIAは何らかのトラブルによって、1ドルより多くの正の反応度が短時間に投入されることによって発生する。
このとき、原子炉は即発臨界以上の状態となり、出力はミリ秒の時間単位で急速に上昇する。同時に、ドップラー効果と呼ばれる現象などから、負の反応度が投入され、やがて出力上昇は停止し下降に転ずる。 結果的に、出力変動は数十〜数百ミリ秒の間に鋭い山形を示す。
このとき発生した熱量によっては、燃料棒の破損が起こりうる。

チェルノブイリ原子力発電所事故
RIAによる炉心溶融事故としてはチェルノブイリ原子力発電所事故が有名である。INESではレベル7相当。

この事故の発生要因は、設計上の問題や運転員の意図的な安全基準違反など、多岐にわたるが、後の調査では安全文化の欠陥が事故原因とされた。 この事故では反応度事故をきっかけに、原子炉の破壊が起き、水蒸気爆発と水素爆発が立て続けに起こった。また、発生した火災とそれに伴う上昇気流によって 放射性物質が上空に巻き上げられ、北半球全体にまき散らされた。そして、半径30Km圏内の全住民は強制退去を命じられたまま、現在に至る。

この事故による放射線の健康被害について、IAEAやWHOなどの8つの国連機関とウクライナ、ロシア、ベラルーシ3カ国による合同調査結果が、2005年9月に発表された。 それによると、この事故による直接的な死者は56人である。また、事故処理作業者や高汚染地域居住者60万人のうち、4000人が放射線被爆によるがんで死亡すると予測されている。

なお、事故を起こした原子炉と日米欧で主流の原子炉は構造、性質が大きく異なる。そのため、このような事故が起こることは考えられない。 詳細については原子力工学の知識が必要となるので、ここでは説明しない。

フィクションでのメルトダウン
上述の映画「チャイナ・シンドローム」は、メルトダウンからはじまる人類滅亡……のようなパニック映画ではなく、その危険性がある、原子力発電所のずさんな管理体制を新聞記者が暴き立てるという内容。
ただし、「もうすこしでチャイナ・シンドロームが起きるところだった」という冗談じみた台詞は存在する。『チャイナ・シンドローム』という単語の語源はこれであるといわれる。
公開の12日後に、スリーマイル島で本当に事故が起こってしまい、笑えない事態に陥りながらも大ヒットした。

1995年の映画「ゴジラVSデストロイア」では、ゴジラの体内の原子炉が暴走、冷却機能に異常をきたし、核分裂が制御不能になったままゴジラが暴れまわることとなる。
この映画では、ゴジラの死によってチャイナ・シンドロームが発生するというトンデモ設定が取り入れられたため、識者からは失笑を買ったが、ゴジラは『我々の常識を超えた生物』なので、ツッコむのは無粋である。ゴジラは暴走に耐え切れずに体が溶解して死を迎えたものの、スーパーX3などの活躍によってチャイナ・シンドロームは回避された。

ニコニコ動画では
VOCALOID鏡音リンオリジナル曲「炉心融解」に関連する動画にしばしばメルトダウンタグがつけられるようである。

ちなみに上述のとおりメルトダウンは核分裂炉に関連する概念であり、核融合炉では原理的にメルトダウンは起こりえない。詳しくは当該項目その他を参照。

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2011年3月13日

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カテゴリ
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