原子力産業については人によって意見が異なります。原子力発電は、二酸化炭素を排出せず、信頼性の高い大量の電力を生成する重要なグリーン技術であると考える人もいます。彼らは、20 年以上にわたる優れた安全記録を指摘しています。
原子力は本質的に危険な技術であり、原子力発電所の近くにある地域社会に脅威をもたらすものであると考える人もいます。彼らは、スリーマイル島事件やチェルノブイリ爆発などの事故を、物事がどれほどひどい方向に進む可能性があるかを示す証拠として指摘しています。
いずれの場合でも、商業原子炉は先進国の多くの地域で現実に存在しています。これらの原子炉は放射性燃料源を使用するため、工学専門家の最高水準に基づいて設計および製造されており、自然や人類がもたらすほぼすべてのものを処理できると認識されています。地震？問題ない。ハリケーン？問題ない。ジャンボジェット機による直接攻撃？問題ない。テロ攻撃？問題ない。強度が組み込まれており、冗長性の層が動作上の異常に対処することを目的としています。
しかし、2011 年 3 月 11 日に日本を地震が襲った直後、安全に対する認識は急速に変わり始めました。初期報告では地震自体に問題はなかったとされていたにもかかわらず、爆発は日本のいくつかの原子炉を揺るがした。女川原発では火災が発生し、福島第一原発では爆発が起きた。
それで、何が間違っていたのでしょうか？このように適切に設計され、高度に冗長性を備えたシステムが、どうしてこれほど壊滅的な障害を引き起こすのでしょうか?見てみましょう。
原子炉を理解する
「原子炉のしくみ」 を読んだことがある方は、原子力発電所の背後にある基本的な考え方をよくご存じでしょう。大まかに言えば、これらの植物は非常に単純です。現代の商用原子力発電所では濃縮ウランの形で供給される核燃料は、ウラン原子が分裂するときに自然に熱を発生します（詳細については、 「核爆弾の仕組み」の「核分裂」のセクションを参照）。その熱を利用して水を沸騰させ、蒸気を発生させます。蒸気は蒸気タービンを駆動し、発電機を回転させて電気を生成します。これらのプラントは大規模で、通常、フルパワーでギガワット程度の電力を生産できます。
原子力発電所の出力を調整できるようにするために、ウラン燃料はトッツィーロールほどの大きさのペレットに成形されます。これらのペレットは、燃料棒と呼ばれる長い金属管の中に端から端まで積み重ねられます。ロッドは束に配置され、束は反応炉の炉心に配置されます。制御棒は燃料棒の間に収まり、中性子を吸収することができます。制御棒が炉心に完全に挿入されると、原子炉は停止するといわれます。ウランは発生する熱量を可能な限り低く抑えます (それでも熱は発生します)。制御棒が炉心からできるだけ引き抜かれると、炉心は最大の熱を発生します。 100ワットの白熱電球が発する熱について考えてみましょう。これらの電球はかなり熱くなります。Easy Bake オーブンでカップケーキを焼くのに十分な熱さです。ここで、10 億ワットの電球を想像してください。それは、フルパワーで炉心から出る熱の種類です。
日本で失敗した原子炉は、1960年代にゼネラル・エレクトリック社が設計したマーク1沸騰水型原子炉である。これは初期の原子炉設計の 1 つで、ウラン燃料で水を沸騰させ、蒸気タービンを直接駆動します。マーク 1 設計に関する安全上の懸念から、この設計は後に加圧水型原子炉に置き換えられました。これまで見てきたように、こうした安全上の懸念は、日本では安全上の欠陥となってしまいました。災害を引き起こした致命的な欠陥を見てみましょう。
沸騰水型原子炉の致命的な欠陥
沸騰水型原子炉には、通常の運転条件やほとんどの故障シナリオでは目に見えないアキレス腱、つまり致命的な欠陥があります。この欠陥は冷却システムに関係しています。
沸騰水型原子炉は水を沸騰させます。これは明白であり、非常に簡単です。これは、1 世紀以上前の初期の蒸気エンジンにまで遡る技術です。水が沸騰すると、膨大な圧力が発生します。この圧力は蒸気タービンを回転させるために使用されます。また、沸騰水は炉心を安全な温度に保ちます。蒸気タービンを出ると、蒸気は冷却されて凝縮され、閉ループで何度も再利用されます。水は電動ポンプを使用してシステム内を再循環されます。
電動ポンプの電源が失われると、この設計の脆弱性が影響します。ボイラーに新たな水が供給されないと、水は沸騰し続け、水位は低下し始めます。十分な量の水が沸騰すると、燃料棒が露出し、過熱します。制御棒が完全に挿入されていても、ある時点では核燃料を溶かすのに十分な熱が発生します。これがメルトダウンという用語の由来です。数トンの溶けたウランが圧力容器の底に流れます。その時点で、それは壊滅的です。最悪の場合、溶融燃料は圧力容器を貫通して環境中に放出されます。
この既知の脆弱性のため、ポンプとその電力供給には大きな冗長性が存在します。冗長ポンプが数セットあり、冗長電源もあります。電力は送電網から供給できます。それが失敗した場合には、バックアップ用のディーゼル発電機が何層にもなります。故障した場合には、バックアップバッテリーシステムがあります。このすべての冗長性により、脆弱性は完全にカバーされているように見えます。致命的な欠陥が暴露されることはありません。
残念なことに、地震の直後、最悪のシナリオが起こりました。
日本の核危機における最悪のシナリオ
日本の原子力発電所は、地震そのものを難なく乗り越えました。地震の震源地に最も近い4つの発電所は自動的に停止した。これは、制御棒が炉心に完全に挿入され、発電所が発電を停止したことを意味する。これはこれらのプラントの通常の運転手順ですが、冷却ポンプ用の最初の電力源がなくなったことを意味します。発電所は送電網から電力を供給してポンプを稼働させることができるため、これは問題ではありません。
しかし、送電網が不安定になり、停電も発生した。冷却ポンプ用の 2 番目の電源がなくなりました。これにより、予備のディーゼル発電機が稼働しました。ディーゼル発電機は堅牢で実績のある発電方法なので、心配はありませんでした。
しかしその後、津波が襲いました。そして残念なことに、津波は誰もが計画していたよりもはるかに大きかった。もし予備のディーゼル発電機が地上より高い位置にあり、水中に沈んでいても稼働するように設計されていれば、あるいは何らかの方法で深海から保護されていたら、危機は回避できたかもしれない。残念ながら、津波による予想外の水位により発電機が故障しました。
これにより、ポンプを動作させるための最後の冗長層であるバッテリーが残されました。バッテリーは期待どおりに機能しましたが、数時間しか持続できないサイズでした。明らかに、電力は別の電源からかなり早く利用可能になるだろうとの想定があったようだ。
オペレーターは新しい発電機をトラックで運びましたが、接続が間に合わず、冷却剤ポンプの電気が切れてしまいました。沸騰水設計の致命的な欠陥は、これほど多くの冗長層を介して明らかにするのは不可能だと考えられていましたが、それでも明らかになりました。それが暴露されると、プロセスの次のステップが大惨事につながりました。
日本の原子力発電所での爆発
バッテリーが切れたため、冷却液ポンプが故障しました。原子炉炉心への新しい冷却材の流入がなくなると、原子炉炉心を冷却していた水が沸騰し始めた。水が沸騰すると燃料棒の上部が露出し、ウラン燃料ペレットを保持している金属管が過熱して亀裂が入った。この亀裂により水がチューブに入り込み、燃料ペレットに到達し、そこで水素ガスが発生し始めました。このプロセスは熱分解と呼ばれます。水を十分に熱くすると、水を構成する水素原子と酸素原子に分解されます。
水素は爆発性の高いガスです。ヒンデンブルク号が水素ガスで満たされたヒンデンブルク号の爆発を思い出してください。日本の原子力発電所では、水素による圧力が高まり、ガスを排出する必要がありました。残念ながら、大量の水素が急速に放出され、原子炉建屋内で爆発してしまいました。これと同じ一連の出来事が、いくつかの異なる原子炉で展開されました。
この爆発では、核炉心を保持している圧力容器は破壊されず、大量の放射線も放出されませんでした。これらは核爆発ではなく単純な水素爆発でした。爆発により、圧力容器を囲むコンクリートと鉄骨の建物が損傷した。
爆発はまた、事態が制御不能になったことを示していた。水が沸騰し続ければ、ほぼ確実にメルトダウンが起こるだろう。
そこで運転員らは原子炉を海水で満たすことにした。海水が原子炉を完全に破壊してしまうため、これは状況を制御するための最後の努力であるが、メルトダウンよりはマシである。さらに、海水にはホウ素が混合され、制御棒の液体バージョンのような役割を果たしました。ホウ素は中性子を吸収し、制御棒の主成分の 1 つです。
日本の核危機における次のステップ
日本の核事故は、レベル 6 INES 事象 (国際核・放射線事象尺度) として記述されています。スリーマイルアイランドはレベル5のイベントでした。チェルノブイリはレベル 7 のイベントであり、これはイベント規模のトップです 。明らかに、深刻な状況だ。
日本は発電能力のかなりの部分を失った。日本の電力の約 3 分の 1 は原子力発電所から供給されており、その容量の約半分 (総発電容量の約 20 パーセント) が失われています 。その容量を何らかの方法で置き換える必要があります。
いずれにしても、これらの原子炉は建設されてから 40 年が経過し、設計寿命の終わりに近づいています。代替案の 1 つは、単純にプラントを再構築することです。このアプローチの 2 つの問題は、非常に長いプロセスになる可能性があり、おそらく 10 年以上かかることと、日本の一般大衆が新しい原子炉を欲しがらない可能性があることです。それを語るにはまだ時期尚早です。
米国にはマーク 1 原子炉が多数あります。日本で学んだ教訓を生かすために、廃止または改造されるのは確実だ。他の反応器も必要に応じて変更することができる。
スリーマイル島事件により米国での新規原子力発電所建設が中止されてから30年以上が経過した今、原子力業界は米国での原子力発電の復活を期待していた。日本での出来事はこの復活を止めるかもしれない。あるいは、他の、おそらくより安全な核技術の研究を促進するかもしれない。
