核メルトダウンの仕組みを解説

ジェニー・マーダー ジェニー・マーダー

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火曜日の強力な爆発の後、完全メルトダウンの懸念が悪化する中、日本の労働者たちは依然として地震と津波で損傷した原子力発電所の制御を取り戻すのに苦労している。

ここで、核メルトダウンとは一体何なのかという疑問が生じます。 部分メルトダウンとは何ですか?

「この『メルトダウン』という言葉がもてはやされていますが、人々は燃料を熱くすると物が溶け始めて液体になると考えていると思います」と物理学者で米国科学者連盟会長のチャールズ・ファーガソンは言う。 「しかし、その過程にはさまざまなステップがあります。」

日本の福島第一施設の沸騰水型原子炉の炉心の内部には、数千本のジルコニウム金属燃料棒があり、それぞれの燃料棒には鉛筆の消しゴムほどの大きさのセラミックペレットが積み重ねられています。 これらのペレットには二酸化ウランが含まれています。

通常の状況下では、エネルギーは、核分裂と呼ばれる原子の分裂プロセスを通じて生成される熱を利用することによって生成されます。 ウラン原子が分裂すると、熱が発生し、いわゆる核分裂生成物が生成されます。 これらは、バリウム、ヨウ素、セシウム 137 などの放射性フラグメントです。 稼働中の原子炉では、水が原子炉の加熱された炉心にポンプで送り込まれ、沸騰して蒸気になり、タービンに動力を供給して発電します。

「基本的に、各ウラン原子は 2 つの部分に分かれ、周期表の中央にある元素のスープ全体が得られます」と原子力技術者でエネルギー・環境研究所所長のアルジュン・マキジャニ氏は言う。

リアクターは圧力鍋のようなものです。 内部には沸騰した水と蒸気が含まれており、温度が上昇すると蒸気が逃げられないため圧力も上昇します。 冷却障害が発生した場合、燃料棒を冷却するために水が噴射され、圧力が高まります。

この過熱した炉心は、過熱や爆発を引き起こす可能性のある蒸気の過剰な蓄積を防ぐために水で冷却する必要があります。 日本では、圧力弁を通して蒸気を放出することで圧力を軽減してきました。 しかし、放射性物質を放出せずにこれを行う方法はないので、これはトレードオフです。

核メルトダウンは、原子炉炉心の激しい加熱と十分な冷却の欠如に起因する事故であり、さまざまな段階で発生します。

コアが加熱されると、ジルコニウム金属が蒸気と反応して酸化ジルコニウムになります。 この酸化プロセスにより追加の熱が放出され、コア内部の温度がさらに上昇します。 高温により、燃料棒の表面を覆うジルコニウムコーティングが膨れ、バルーンが発生します。 やがて、超高温のジルコニウム金属が溶け始めます。 燃料棒の露出部分は最終的に液体となり、冷却材に沈んで固化します。 そしてそれは、潜在的に壊滅的な出来事の始まりにすぎません。

「これにより冷却剤が詰まり、さらなる冷却剤の流れが妨げられる可能性があります」とファーガソン氏は述べた。 「そしてそれが悪循環になる可能性があります。 部分的に溶融すると、冷却チャネルが固化してブロックされ、適切な冷却が存在しない場合にはさらなる溶融と高温につながる可能性があります。」

完全なメルトダウンでは、炉心の燃料がすべて溶け、溶けた物質の塊が原子炉容器の底に落ちて沈殿します。 容器が破裂すると、物質が周囲のより大きな格納容器に流入する可能性がある。 その格納容器は鋼鉄とコンクリートの保護層で保護されています。

「しかし、もしその格納容器が破壊されれば、潜在的に多くの物質が環境中に流出する可能性がある」とファーガソン氏は述べた。

メルトダウンは使用済み燃料棒を含むプールでも発生する可能性があります。 使用済み燃料棒は原子炉から取り出され、使用済み燃料プールと呼ばれるものに沈められ、そこで冷却されて放射性物質が遮蔽される。

使用済み燃料プールが過熱すると、燃料棒を冷却している水を含んでいる水が蒸発する可能性があります。 冷却材がなければ、燃料棒は発火や自然発火しやすくなり、危険なレベルの放射線が大気中に放出されます。