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「高温ガス炉」世界が注目 より安全・低CO2の原子炉

原子力機構が実験成功

次世代原子炉の1つである「高温ガス炉」の研究が国内外で加速している。日本原子力研究開発機構は2010年12月、高温ガス炉の研究炉「高温工学試験研究炉(HTTR)」(茨城県大洗町)で炉の安全性を確かめる実験に成功。今年からはより高度な安全確保のための研究を始める。高温ガス炉は中国や韓国が早期実用化を目指している。米国やカザフスタンは原子力機構の技術に関心を寄せている。

高温ガス炉は現在最も普及している原子炉である軽水炉に比べ出力は3分の1から5分の1程度と小さいものの、原子炉の核反応で生じたエネルギーを受け取る冷却材にヘリウムガスを用いており、セ氏900~950度という高温の蒸気を作り出せるのが特徴。蒸気はそのまま地域暖房や水素製造に利用できる。

日本の軽水炉では電気エネルギーのみを活用するのに対し、高温ガス炉は熱エネルギーも利用可能で、二酸化炭素(CO2)の排出量を大幅に減らせるという。作り出した水素は、次世代エネルギーとして燃料電池自動車に利用したり、製鉄で水素還元するのに活用したりできる。

研究段階ではあるが04年4月、日本初の高温ガス炉HTTRは、出力が30メガ(メガは100万)ワット、原子炉の出口の冷却材の温度は世界最高のセ氏950度を記録した。10年3月には50日間にわたって950度での連続運転にも成功した。

高温ガス炉のもう1つの特徴は「極めて原子炉の安全性が高いこと」(原子力機構の小川益郎原子力水素・熱利用研究センター長)。何らかの問題で冷却材のヘリウムガスを炉内に送り込めなくなった場合、燃料の温度が高くなると自然に中性子を吸収し始めて、核反応を抑えるように働く。

ウラン燃料が黒鉛で覆われており、燃料に中性子が吸収されるという自己制御の能力があるという。この機能は、軽水炉をはじめ、研究開発中の高速増殖炉「もんじゅ」には備わっていない。

昨年12月の試験は、出力を安全上30%に落としているが、冷却材のヘリウムガスの送り込みを止めて実施。10分程度で出力が1%に下がり、核反応を抑えることができた。燃料温度は、メルトダウンという炉心が溶け出す危険な状態にならないセ氏1600度以下に制限することになっており、今回は約450度に抑制できたという。さらに厳しい条件でテストを実施し、14年には最終的な安全担保試験を始める計画だ。

日本原子力研究開発機構のHTTRの実証施設

燃料や型式に多少違いがあるものの、米国や中国、韓国も高温ガス炉を研究している。中国は13年の商業炉の運転を目指して青島市にほど近い場所でプラント建設を始めているほか、20年までに38基の建設を計画している。

米国はエネルギー省が主導し、21年度までに原型炉を建設する予定だ。韓国も22年には実証炉の運転を開始したい考えで、製鉄会社のポスコは水素還元製鉄の実施を検討しているという。

セ氏950度という世界最高温度を達成した原子力機構の技術には海外も注目している。原子力機構はこのほど、米国のゼネラルアトミックス社から高温ガス炉に関する研究を受託した。高温ガス炉で作る水素に、放射性物質のトリチウムが入らないよう制御する技術の研究で、原子力機構は米国との研究を通じて自前技術の世界標準化を目指す。

また、カザフスタンも同機構の研究施設に注目、研究者が来日している。同国は地域暖房に強い関心を持っており、高温ガス炉の導入を検討している。

日本は高温ガス炉を40年余り研究してきた。だが、使用済みの核燃料を再利用する「核燃料サイクル政策」を推進すると国が決めた時点から、高温ガス炉の実用化に向けた議論は停滞した。高温ガス炉は燃料をなるべく長く燃やし続けることを想定しており、再利用しないためだ。

それが、ここにきて地球温暖化防止の観点から、発電量は大きくなくても電気エネルギーに加えて熱エネルギーの利用を期待できること、水素製造など他産業にも役立つことなど、新しい応用の芽に対する関心が高まっている。高温ガス炉は今後、目を離せない存在になりそうだ。

(科学技術部 吉野真由美)

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