C 1987 ISIJ
展
望
高温 ガス炉 の研 究 開発動 向
安
野
武
彦*
The
Recent
Trend
of Research
and
Development
on High
Temperature
Gas-cooled
Reactor
Takehiko YASUNO 1. は じ め に 我 が 国 に お け る 高温 ガ ス炉 の 開 発 は,原 子 炉 の 多 目的 利用,す な わ ち原 子 炉 で 発 生 す る熱 エ ネ ル ギ ー を直 接 産 業 に利 用 しよ う とす る こ と を 目標 に続 け ら れ て きた.通 産省 の 大 型 プ ロジ ェ ク トと して の原 子 力 製 鉄 の研 究 開 発 が行 わ れ た こ とは 良 く知 られ て お り,こ れ も高 温 ガ ス炉 を利 用 しよ う と した.し か し近 年 に な り,社 会 的 な諸 条 件 の変 化 によ り,原子 力 の プ ロセ スへ の 利 用 に つ い て は, 必 ず しも緊 急 の 課 題 で は な い と考 え られ る に至 つ て い る.諸 外 国 に お い て も,最 近 の エ ネル ギ ー事 情 か ら大 型 の 発電 用 高 温 ガス炉 に対 す る 関心 は 薄 れ,む しろ高 温 ガ ス炉 の持 つ 安 全性 に着 目 し,小 型炉 へ の期 待 が高 ま りつ つ あ る. 高温 ガ ス炉 の 最 近 の動 向 の あ ら ま し を報 告 す る. 2. 高 温 ガ ス炉 の 特 徴 現 在 世 界 で運 転 さ れ て い る高 温 ガ ス炉 はTable 1に 示 す よ うに 実 験 炉1基 と原 型 炉 が2基 で あ る.米 国 の Fort St. Vrain炉 で は,黒 鉛 で 構 成 され た六 角柱 状 の ブ ロ ック燃 料 体 が 用 い ら れ て い る の に 対 し,西 独 のAVR お よ びTHTRで はペ ブ ル と呼 ば れ る球 状 の 燃 料 体 が用 い られ て い る.Fig. 1にAVRの 断 面 図1)を 示 した.原 子 炉 は,反 射 体 の 役割 を有 す る黒 鉛 製 の 円 筒状 容 器 の 中 に直 径6cmの 球 状 の燃 料 体 が 充 填 され て い る構 造 で, 冷 却 材 のヘ リウ ムガ ス は燃 料 体 の 充 填 層(ペ ブ ルベ ッ ド と呼 ば れ る)の 中 を上 方 に向 か つ て 流 れ,燃 料体 を冷却 す る.ブ ロ ックお よ び ペ ブ ル燃 料 体 と も被 覆 粒 子 を用 い て燃 料 体 を構 成 して い る.被 覆燃 料 粒 子 は直 待 約1 mm の 球 で,中 心 に 燃 料 核 と い わ れ るUO2, UCOま た は UC2が あ り,そ の まわ り に炭 素,炭 化 け い素 な ど の 被 覆 が あ る.こ の被 覆層 に よ り,核 分 裂 生 成 物 が冷 却 材 ヘ リウ ム 中 に放 出 さ れ る の を防 い で い る.セ ラ ミ ック で構 成 さ れ る 被 覆 燃 料 粒 子 は 極 め て 耐 熱 性 に 優 れ,約 1800℃ まで 使 用 す る こ とが で きる.さ ら に減 速 材 お よ び炉 心 構 造 材 と して黒 鉛 を用 い て い る た め高 温 を得 る の に 都 合 が 良 く,冷 却 材 出 口 温 度 も700℃ 以 上 に す る こ とが で きる.こ の た め 発 電 炉 の場 合 は,効 率40%が 得 られ て い る. 高 温 ガ ス炉 は ヘ リウ ム冷 却 で あ る こ と,黒 鉛 で炉 心 を 昭 和61年9月30日 受 付(Received Sep. 30, 1986)(依 頼 展 望)* 日 本 原 子 力 研 究 所 東 海 研 究 所 高 温 工 学 部 部 長(Department of High Temperature Engineering
, Tokai Research
Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute, 2-4 Shirane Shirakata Tokaimura Naka-gun Ibaraki pref. 319-11)
Key words nuclear reactor ; high temperature ; gas cooling ; graphito ; helium ; heat source ; multi-purpose ; safety ; state of art.
Table 1. World high temperature gas-cooled reactors.
918 鉄 と 鋼 第 73年( 1987 )第 8 号 構 成 して い る こ と お よ び被 覆 燃 料 粒 子 を用 い る こ と に よ り固 有 の 安 全 性 を持 つ て い る. Table 22)に 重 要 な 安 全 上 の特 長 を示 した. ヘ リウ ム を冷 却 材 に用 い る こ と に よ りい くつ か の 特 長 が 生 まれ る.ま ず 相 変 化 が な く,1次 冷 却 材 が 持 つ エ ネ ル ギ ーが 少 な い ため,減 圧 事 故 時 に放 出 さ れ るヘ リ ウ ム に よ る原 子 炉 格 納 容 器 の損 傷 の可 能 性 が 少 な い.ま たヘ リウ ム は 中性 子 と ほ と ん ど反 応 しな い ため 反 応 度 効 果 は な く,原 子 炉1次 系 内 の誘 導 放 射 能 も零 に近 い.さ ら に 化 学 的 に安 定 で あ る た め炉 内 構 造 材 料 との 反 応 は な く, 腐 食 も発 生 しな い.こ の結 果,1次 系 内 の 放 射 性 物 質 に よ る汚 染 は極 め て少 な く,プ ラ ン トの保 守 管 理 の ため の 従 業 員 の被 曝 量 は低 く抑 え ら れ て い る. 黒 鉛 を減 速 材 お よ び炉 心 構 造 材 料 に用 い る こ とに よ り 炉 心 の 熱 容 量 が 大 き くな る.後 に示 す よ う に,事 故 時 な ど にお ける 炉 心 の 温 度 変 化 は ゆ る や かで,対 策 の た めの 時 間 に余 裕 が あ る 。 また 黒 鉛 は3300℃ 程 度 まで 強 度 を有 し,炉 心 の構 造 健 全性 に優 れ て い る. 被 覆 燃 料 粒 子 を用 い る こ とに よ り燃 料 体 の 高 温安 全 性 と放 射 能 に対 す る 多 重 障壁 が確 保 で きる. この よ う に高 温 ガ ス炉 は,特 に安 全 上 の 特 長 が あ る こ とが 認 め られ て きた. 3. 海 外 に お け る 開 発 動 向 3・1 米 国 米 国 に お い て は3), Fort St. Vrain炉 の 建 設 の 後,電 力 需 要 の 伸 びが な く,ま た 高 い建 設 費 の ため 大 型高 温 ガ ス炉 の発 注 が 中 止 され た.こ の他 の計 画 も なか つ た ため,
Fig. 1. Vertical section AVR reactor.
Table 2. Safety significance of HTGR Inherent features.
米 国 の 高 温 ガ ス 炉 研 究 開 発 体 制 支 援 を 目 的 と し て,電 力 会 杜 を 中 心 と し た ガ ス 冷 却 炉 協 会(Gas- Cooled Reac-tor Associates :GCRA)が1978年 に 設 立 さ れ,リ ー ド プ ロ ジ ェ ク ト と 呼 ば れ る 計 画 が 進 め ら れ た.こ の プ ロ ジ ェ ク トで 検 討 さ れ た の は,リ ー ドプ ラ ン ト と い わ れ た 熱 出 力2240MW (885MW (e) )の 一 体 型 高 温 ガ ス 炉 で あ る.こ の 炉 で は,発 電 の み で な く 蒸 気 の 一 部 を プ ロ セ ス 用 に 併 せ て 供 給 す る(Co-generation)計 画 で あ つ た. 蒸 気 の 利 用 と し て は,タ ー ル サ ン ドか ら の 油 の 採 取 な ど い ろ い ろ 検 討 さ れ た. 1984年,米 国 議 会 技 術 評 価 局(OTA)の 報 告 書 「不 確 実 性 の 時 代 の 原 子 力 発 電 」4)は,リ ー ド プ ロ ジ ェ ク ト の 見 直 しの き つ か け と な つ た.こ の 報 告 書 に は,高 温 ガ ス炉 の 持 つ 固 有 の 安 全 性 に 注 目 し,原 子 炉 の 小 型 化,単 純 化 に よ り投 資 リ ス ク を 軽 減 し,沈 帯 した 原 子 力 発 電 の 活 性 化 を 図 る た め の 提 言 が あ つ た. GCRAは こ れ に 対 応 して 中 小 型 炉 の 検 討 を 行 つ た.GCRAの 調 査4)に よ る と米 国 の 発 電 所 の 規 模 に つ い て の 要 望 は,200∼700 MW(e)程 度 が 多 く,大 型 炉 は 少 な い こ と が 明 ら か に な つ た. Fig. 2に 現 在 米 国 で 開 発 を 予 定 し て い る 小 型 炉5)(モ ジ ュ ラ ー 型 高 温 ガ ス炉)の 構 造 を 示 す.こ の 炉 の 設 計 上 の 基 本 概 念 は 原 子 力 発 電 の 安 全 基 準 を ま も りつ つ 利 用 者 (電 力 会 社)の 要 求 を満 た す も の で あ る.主 な 要 求 事 項 と し て は,発 電 所 の 規 模130∼ 550 MW,稼 動 率80% 以 上,発 電 コ ス ト は 石 炭 火 力 よ り10%減 な ど が あ る. モ ジ ュ ラー 型 原 子 炉 一 基 当 た りの熱 出 力 は350 MWで, こ の小 型 炉3基 を もつ て発 電 所 を構 成 す る.こ の発 電 所 の発 電 容 量 は404MW (e)と な る.モ ジ ュ ラー型 原 子 炉 で あ る た め,発 電 所 の規 模 は 自由 に構 成 で きる こ と,パ ッ シ ブ 安 全 性(Passive safety)が 採 用 で きる こ と な どが 特 長 とな つ て い る.パ ッ シブ安 全 性 とは,事 故 時 に運 転 員 の操 作,動 力 源 を要 す る安 全 系 の運 転 な どな しに 原子 炉 を冷却 で きる こ とを い い,公 衆 の安 全 確 保 の た め 有 利 な特 性 で あ る.Fig一3に こ の炉 の 事 故 解 析 例5)を 示 す. 減圧 事 故 時 に,炉 心 の 冷却 を直接 行 わ な くて も炉心 の 最 高 温 度 は約1600。Cで,こ の 程 度 の 温 度 で は 被 覆 粒 子 か らの放 射 能 の放 出 は な い.米 国 で は,今 後 の研 究 開 発 の重 点 を この 炉型 に 置 くこ と に して い る.
Fig. 2. Silo installation modular HTGR.
Fig. 3. Fuel temperatures during pressurized de-pressurized conduction cooldown.
Fig. 4. HTGR-500 MW(e) PCRV with internals.
920 鉄 と 鋼 第 73年( 1987 )第 8 号 3・2 西 独 西 独 で は,THTRが 定 格 運 転 に 入 り,そ の 後 継 炉 と し てHTR-500と モ ジ ュ ラ ー 炉 が 提 案 さ れ て い る. HTR- 500は,電 気 出 力500MW (e)の 一 体 型 炉 で,従 来 か ら 西 独 で 採 用 さ れ て い る ボ ー ル 状 燃 料 を用 い る ペ ブ ル ベ ッ ド炉 で あ る.Fig. 4にHTR- 500の 断 面 図6>を 示 す.こ の 炉 はTHTRの 技 術 を 基 にBBC/ HRB社 が 設 計 し た も の で,西 独 に お け る1240MW (e)の 加 圧 小 型 炉 と経 済 的 に 競 争 で き る も の と し て,ユ ー ザ ー が 現 れ る の を 待 つ て い る 状 況 で あ る. 一 方 モ ジ ュ ラ ー 型 高 温 ガ ス 炉 はKWU/ Interatom社 の 提 案 で,構 造 概 念7)をFig. 5に 示 す.こ の 炉 の 熱 出 力 は200MWで,4基 の 原 子 炉 で 発 電 所 を 構 成 し,発 電 に 併 せ て プ ロ セ ス 用 蒸 気 の 供 給 も 行 う構 想 で あ る.こ の 小 型 炉 も,米 国 の 炉 と 同 様 に 安 全 性 が 優 れ て い る.Fig. 6に 事 故 時 に お け る 炉 心 の 温 度 の 解 析8)を 示 し た.温 度 変 化 は ゆ る や か で,ペ ブ ル ベ ッ ド炉 心 の た め 最 高 温 度 も
Fig. 5. Cross section of a modular unit with steam generator (primary circuit).
Fig. 6. Behaviour of fuel element temperatures under accident conditions of the HTGR module reactor.
Fig. 7. Basic outline of combined power production and chemical plant with VGR-50 reactor.
1300℃ 程 度 で 低 く抑 え られ る. 3・3 その 他 外 国で 高 温 ガス炉 の検 討 を行 つ て い る 国 と して は,こ の他 に,ソ 連 と中 国が あ る. ソ連 にお い て は,電 気 出 力50MW(e)の ペ ブ ル ベ ッ ド型高 温 ガ ス実験 炉 の設 計 を行 つ た.こ の 原 子炉 の構 造 概 念9)をFig.7に 示 す.こ の 原 子 炉 で は 発 電 と ガ ンマ 線 照射 の機 能 を持 つ て い る.現 在,建 設 の た め の研 究 開 発 が続 け られ て い る との こ とで あ る. 中 国 は,ペ ブ ルベ ッ ド型 高 温 ガ ス炉 の フ ィジ ビ リ テ ィ ス タデ ィを進 め て い る と伝 え られて い る.こ の原 子 炉 の 熱 出力 は200MWで,炉 心 出 口 冷 却 材 温 度750。Cで あ る.こ の計 画 の 目的 は,中 国 に埋 蔵 さ れて い る重 質 油 の 回収 に用 い る540。Cの 蒸気 供 給 で あ る. 4. 我 が 国 に お け る 最 近 の 情 勢 我 が 国 の高 温 ガ ス炉 の 開発 は,核 熱 の産 業 へ の 直 接 利 用,す なわ ち多 目的 利 用 を行 い,エ ネ ル ギ ー源 の多 様 化, 安 全 確 保 な どエ ネ ル ギー 政 策 上極 め て重 要 な意 義 を持 つ もの との認 識 で進 め られ て きた. 原 子 力 委 員 会 は,昭 和57年 の長 期 計 画 に おい て,多 目的高 温 ガス炉 の研 究 開 発 に つ い て,当 面 実 験 的 段 階 ま で の 開発 を進 め る こ と,実 験 炉 は1990年 頃 の運 転 開始 を 目途 に建設 を進 め る こ と,実 験炉 出 口冷 却 材 温 度 は早 期 実 現 を考 慮 し950℃ 程 度 が 適 当 で あ る こ と,今 後 と も10000C以 上 を 目標 に研 究 開 発 を進 め る こ と,利 用 系技 術 を いつ そ う発 展 させ る た め 日本 原子 力 研 究 所 の大 型 構 造 機 器 実 証 試 験 ルー プ(HENDEL)の 活 用 を図 る こ と,な ど を定 め た.Photo. 1に 最 近 のHENDELの 写 真 を示 す.HENDELは1000℃, 40気 圧 のヘ リ ウ ム を循環 で きる 装 置 で,原 子 炉 系 の 試験 をす で に実 施 して いる. 上記 長 期 計 画 策定 後 のエ ネ ルギ ー 事 情,核 熱 プ ロセ ス 利 用 の需 要 動 向,国 の財 政 事 情 な ど高 温 ガ ス炉 を取 り巻 く社 会情 勢 が 著 し く変 化 した ため,原 子 力 委 員 会 は,61 年4月 「高 温 ガ ス炉 研 究 開発 計 画 専 門 部 会 」 を設 置 し, 今 後 の 高温 ガ ス炉研 究 開発 計 画 につ いて 再 度 検 討,評 価 を開 始 した.昭 和61年4月 よ り,核 熱 利 用 の 需 要動 向, 高 温 ガス炉 研 究 開発 の意 義,今 後 の研 究 開 発 の 進 め 方 な どに つ い て検 討 を進 め,同 年8月 に 中 間 報 告lo)を と り まとめ た 一 高 温 ガス炉 研 究 開 発 の進 め方 につ いて,こ の 報 告 書 で は,次 の よ うな方 針 を示 した 一 (1) 産業 界 に よる 高温 核 熱 利 用 の見 通 し 技 術 的 見通 しはあ る.し か し近 い将 来 に経 済 性 が 成 り 立 つ情 勢 に は な い. (2) 高温 ガ ス炉 研 究 開発 の意 義 高 温 ガ ス炉 は,1000℃ 程 度 の高 温 の熱 を供 給 で き, 固有 の安 全性 も優 れ て いる.ま た燃 料 は高 い燃 焼 度 を達 成 で きる た め,経 済 性 の 向上 が 期 待 で きる ほ か利 用 分 野 の拡 大 とい つ た重 要 課 題 を解 決 し得 る炉 型 で あ る.し た が つ て,中 長 期 的 な視 点 か ら,高 温 ガ ス炉 の研 究 開発 の 推 進 は,非 電 力 分 野 へ の原 子 力 の利 用 な ど原 子 力 の未 踏 領 域 へ の展 開 を 図 る上 で十 分 意 義 が あ る一 また将 来 の技 術 革 新 の契 機 とな る各 種 の新 技 術 の萌 芽 の創 立 に貢 献 で きる. (3) 今 後 の研 究 開発 の進 め方 エ ネ ル ギ ー資 源 の乏 しい我 が 国 に お い て は ,と くに高 温 熱 供 給 に よ る 原子 力 利 用 分 野 の拡 大 に よ り,将 来 エ ネ ル ギ ー供 給 の 多様 化 に資 す る可 能性 を高 め て お く こ とが 重 要 で あ り,こ れ まで に 蓄積 され た技 術 お よ び 人材 を分 散 させ る こ とな く,引 き続 き高 温 ガ ス炉 技 術 の基 盤 の確 立 と高度 化 を展 開 して い くべ きで あ る. この た め に は,高 温 ガス炉 の 基盤 技 術 お よ び高 度 化 技 術 に関 す る 試験 を所 要 の 機 能 を有 す る 原子 炉 シ ス テ ム に お い て 実 施 す る こ とが不 可 欠 で あ り,研 究 施 設 と して の 高 温 ガス 試 験炉 を建設 す る の が 適 当 で あ る. 以 上 の 報 告 を受 け て,日 本 原 子 力研 究所 で は,原 子 炉 出 口温 度950℃,熱 出力30MWの 「高 温 工 学 試 験 研 究 炉 」 の 建 設 を中 心 とす る研 究 開 発 を展 開 し,高 温 ガス炉 の 技 術 に関 し体 系 的 な 試 験研 究 を行 い,併 せ て 高 温 に お け る先 端 的 基礎 研 究 に役 立 て る 計 画 を進 め て い る. Photo. 1. Helium engineering demonstration loop (HENDEL).
922 鉄 と 鋼 第 73年( 1987 )第 8 号 5. お わ り に 原 子 力 発 電 に お い て は,現 在 用 い ら れ て い る軽 水 炉 が 定 着 し,軽 水 炉 の時 代 は当 初 考 え ら れ て い た よ りは る か に長 くな る と予 想 され て い る.ま た最 近 の エ ネ ル ギ ー事 情 よ り核 熱 の必 要 時 期 は か な り先 の こ と と思 わ れ る.こ れ らの こ とは 世 界 的 な趨 勢 で あ り,高 温 ガ ス炉 早 期 導 入 の 意義 を明確 に す る の は 困難 な状 況 に あ る. しか しな が ら,高 温 ガス炉 は安 全性 に優 れ,熱 効 率 を 従 来 の 軽 水炉 よ り高 くす る こ とが で きる こ とな どか ら発 電 用 と して も魅 力 あ る炉 型 で あ る.さ らに,将 来 に お い て 化 石 エ ネル ギ ー の代 替 と して の 高 温 ガス炉 を用 い る核 熱 エ ネル ギ ー は,我 が 国 に とつ て 極 め て 重 要 で,こ の技 術 開 発 の必 要 性 は 大 方 の認 め る と ころ で あ ろ う. 発 電 用 の 高 温 ガ ス炉 につ い て は,米 国,西 独 と も,ユ ー ザ ー の 多様 な 要 求 に 対 応 す る た め モ ジ ュ ラー 型 高 温 ガス 炉 を用 い た 発 電 プ ラ ン トの提 案 が な され て い る.ま た, 日本 で は,原 子 力 委 員 会 が これ まで 進 め て きた 多 目的 高 温 ガ ス炉 開 発 の 方 針 を変 更 し,高 温 ガ ス試験 研 究 炉計 画 を立 案 した. 世 界 各 国 と もそ れ ぞ れ の 高 温 ガ ス炉 計 画 を決 定 し,現 実 的 な進 展 を遂 げ る に は,も う少 しの 時 間 が 必 要 で あ ろ う. 文 献
1 ) 10 Jahre Stromerzeugung mit dem Kugelhaufenreaktor der AVR (Hochtemperatur-Reaktorbau GmbH) (1977) 2 ) A. P. KELLEY, Jr.: Status and Plans of Advanced Nuclear
Concept Evaluations in The Areas of Safety Investiment Protection and Licensing, 6th GCRA Annual Conference (1984)
3) 徳 光 正 司:原 子 力 工 業,30 (1984) ,p. 42
4 ) Nuclear Power in an Age of Uncertainty (Office of Technology Assessment) (1984)
5 ) A. J. NEYLAN: MHTGR Design Development Overview with Emphasis on Meeting Regulatory and Utility/User Requirments, 8th Annual International Conference on the HTGR (1986)
6 ) E. BAUST: Technical Concept and Design of the HTR-500, The VGB-Special Conference Coal Corver-sion and HTGR (1985)
7 ) I. A. WEISBRODT: Survey on the Design Status of Inter-atom/KWU's HTR-Module, 8th Annual International Conference on the HTGR (1986)
8 ) G. H. LOHNERT and H. REUTLER: The Modular HTR, a New Design of HTR Pebble-Bed Reactor, BNES Gas-Cooled Reactor Today (1982)
9 ) V. M. GREBENNIK: Status of the Gas-Cooled Reactor De-velopment in the USSR, Fourth annual Meeting of the In-ternational Working Group on Gas-Cooled Reactors, IAEA (1982)
10) 高 温 ガス炉 研 究 開 発計 画 専 門部 会 中間 報 告(原 子力 委 員 会)(1986年8月)
