第21章核化学

Reactor Coolants原子炉冷却材

A nuclear reactor coolant is used to carry the heat produced by the fission reaction to an external boiler and turbine, where it is transformed into electricity. Two overlapping coolant loops are often used; this counteracts the transfer of radioactivity from the reactor to the primary coolant loop. All nuclear power plants in the US use water as a coolant. Other coolants include molten sodium, lead, a lead-bismuth mixture, or molten salts.

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原子炉の冷却材は、核分裂反応で生じる熱を外部のボイラーとタービンへ運び、そこで電気に変えるために使われる。冷却材の循環系は、重なり合う2系統を使うことが多い。これにより、原子炉から一次冷却系への放射能の移行を抑える。米国の原子力発電所は、すべて水を冷却材に使う。そのほか、溶融ナトリウム、鉛、鉛とビスマスの混合物、溶融塩も冷却材として使われる。

Control Rods制御棒

Nuclear reactors use control rods (Figure 21.20) to control the fission rate of the nuclear fuel by adjusting the number of slow neutrons present to keep the rate of the chain reaction at a safe level. Control rods are made of boron, cadmium, hafnium, or other elements that are able to absorb neutrons. Boron-10, for example, absorbs neutrons by a reaction that produces lithium-7 and alpha particles:

原子炉は制御棒（図21.20）を使い、存在する遅い中性子の数を調整して核燃料の核分裂速度を制御し、連鎖反応の速さを安全な水準に保つ。制御棒は、中性子を吸収できるホウ素、カドミウム、ハフニウムなどの元素で作る。たとえばホウ素10は、リチウム7とα粒子を生じる次の反応で中性子を吸収する。

_{5}^{10} B +_{0}^{1} n ⟶_{3}^{7} Li +_{2}^{4} He

When control rod assemblies are inserted into the fuel element in the reactor core, they absorb a larger fraction of the slow neutrons, thereby slowing the rate of the fission reaction and decreasing the power produced. Conversely, if the control rods are removed, fewer neutrons are absorbed, and the fission rate and energy production increase. In an emergency, the chain reaction can be shut down by fully inserting all of the control rods into the nuclear core between the fuel rods.

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炉心の燃料要素に制御棒の集合体を挿入すると、遅い中性子のうち吸収される割合が増え、核分裂反応が遅くなって出力が下がる。逆に、制御棒を引き抜くと、吸収される中性子が減り、核分裂速度とエネルギーの生成量が増える。緊急時には、すべての制御棒を炉心の燃料棒の間へ完全に挿入し、連鎖反応を停止できる。

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Figure 21.20図 21.20

The nuclear reactor core shown in (a) contains the fuel and control rod assembly shown in (b). (credit: modification of work by E. Generalic, http://glossary.periodni.com/glossary.php?en=control+rod)

(a)の原子炉の炉心には、(b)の燃料棒と制御棒の集合体が入る。（出典：E. Generalicの作品を改変、http://glossary.periodni.com/glossary.php?en=control+rod）

Shield and Containment System遮蔽・格納設備

During its operation, a nuclear reactor produces neutrons and other radiation. Even when shut down, the decay products are radioactive. In addition, an operating reactor is thermally very hot, and high pressures result from the circulation of water or another coolant through it. Thus, a reactor must withstand high temperatures and pressures, and must protect operating personnel from the radiation. Reactors are equipped with a containment system (or shield) that consists of three parts:

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原子炉は運転中、中性子などの放射線を発生する。停止中でも、崩壊生成物は放射性をもつ。また、運転中の原子炉は非常に高温になり、水などの冷却材の循環によって高圧が生じる。したがって、原子炉は高温・高圧に耐え、運転員を放射線から守らなければならない。原子炉には、次の3部分からなる格納・遮蔽設備が備えられている。

The reactor vessel, a steel shell that is 3–20-centimeters thick and, with the moderator, absorbs much of the radiation produced by the reactor
原子炉容器。厚さ3〜20 cmの鋼製の殻で、減速材とともに原子炉の放射線の多くを吸収する。
A main shield of 1–3 meters of high-density concrete
高密度コンクリート1〜3 mからなる主遮蔽。
A personnel shield of lighter materials that protects operators from γ rays and X-rays
γ線やX線から運転員を守る、より軽い材料の人員用遮蔽。

In addition, reactors are often covered with a steel or concrete dome that is designed to contain any radioactive materials might be released by a reactor accident.

さらに原子炉は、事故で放出される可能性のある放射性物質を閉じ込めるよう設計された、鋼製またはコンクリート製のドームで覆われることが多い。

Nuclear power plants are designed in such a way that they cannot form a supercritical mass of fissionable material and therefore cannot create a nuclear explosion. But as history has shown, failures of systems and safeguards can cause catastrophic accidents, including chemical explosions and nuclear meltdowns (damage to the reactor core from overheating). The following Chemistry in Everyday Life feature explores three infamous meltdown incidents.

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原子力発電所は、核分裂性物質が超臨界質量を形成できず、したがって核爆発を起こせないように設計されている。しかし歴史が示すように、システムや安全対策の不具合は、化学的な爆発や炉心溶融（過熱による炉心の損傷）などの大事故を引き起こしうる。次の「暮らしの中の化学」では、よく知られた3つの炉心溶融事故を取り上げる。

Nuclear Accidents原子力事故

The importance of cooling and containment are amply illustrated by three major accidents that occurred with the nuclear reactors at nuclear power generating stations in the United States (Three Mile Island), the former Soviet Union (Chernobyl), and Japan (Fukushima).

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冷却と封じ込めの重要性は、米国のスリーマイル島、旧ソ連のチェルノブイリ、日本の福島の原子力発電所で起きた、3つの重大事故がよく示している。

In March 1979, the cooling system of the Unit 2 reactor at Three Mile Island Nuclear Generating Station in Pennsylvania failed, and the cooling water spilled from the reactor onto the floor of the containment building. After the pumps stopped, the reactors overheated due to the high radioactive decay heat produced in the first few days after the nuclear reactor shut down. The temperature of the core climbed to at least 2200 °C, and the upper portion of the core began to melt. In addition, the zirconium alloy cladding of the fuel rods began to react with steam and produced hydrogen:

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1979年3月、ペンシルベニア州のスリーマイル島原子力発電所2号機の冷却系が故障し、冷却水が原子炉から格納建屋の床へ流れ出た。ポンプ停止後、原子炉の停止から数日間に生じる大きな放射性崩壊熱のため、原子炉が過熱した。炉心温度は少なくとも2200 °Cに達し、炉心上部が溶け始めた。さらに、燃料棒のジルコニウム合金被覆が水蒸気と反応し、次のように水素を生じた。

Zr (s) + {2H}_{2} O (g) ⟶ {ZrO}_{2} (s) + {2H}_{2} (g)

The hydrogen accumulated in the confinement building, and it was feared that there was danger of an explosion of the mixture of hydrogen and air in the building. Consequently, hydrogen gas and radioactive gases (primarily krypton and xenon) were vented from the building. Within a week, cooling water circulation was restored and the core began to cool. The plant was closed for nearly 10 years during the cleanup process.

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水素は格納建屋に蓄積し、建屋内の水素と空気の混合物が爆発する危険が懸念された。そのため、水素ガスと放射性ガス（主にクリプトンとキセノン）が建屋から排出された。1週間以内に冷却水の循環が復旧し、炉心が冷え始めた。発電所は除染・後処理のため約10年間閉鎖された。

Although zero discharge of radioactive material is desirable, the discharge of radioactive krypton and xenon, such as occurred at the Three Mile Island plant, is among the most tolerable. These gases readily disperse in the atmosphere and thus do not produce highly radioactive areas. Moreover, they are noble gases and are not incorporated into plant and animal matter in the food chain. Effectively none of the heavy elements of the core of the reactor were released into the environment, and no cleanup of the area outside of the containment building was necessary (Figure 21.21).

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放射性物質をまったく放出しないのが望ましいが、スリーマイル島で起きたような放射性クリプトンやキセノンの放出は、比較的影響の小さいものに属する。これらの気体は大気中に速やかに拡散するため、放射能の強い区域を生じさせない。また、希ガスなので、食物連鎖の中で動植物の体に取り込まれない。炉心の重元素は実質的に環境へ放出されず、格納建屋の外側を除染する必要はなかった（図21.21）。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 21.21図 21.21

(a) In this 2010 photo of Three Mile Island, the remaining structures from the damaged Unit 2 reactor are seen on the left, whereas the separate Unit 1 reactor, unaffected by the accident, continues generating power to this day (right). (b) President Jimmy Carter visited the Unit 2 control room a few days after the accident in 1979.

(a) 2010年のスリーマイル島の写真。左に損傷した2号機の残る構造物が見える。右の独立した1号機は事故の影響を受けず、現在も発電を続けている。(b) ジミー・カーター大統領は、1979年の事故から数日後に2号機の制御室を訪問した。

Another major nuclear accident involving a reactor occurred in April 1986, at the Chernobyl Nuclear Power Plant in Ukraine, which was still a part of the former Soviet Union. While operating at low power during an unauthorized experiment with some of its safety devices shut off, one of the reactors at the plant became unstable. Its chain reaction became uncontrollable and increased to a level far beyond what the reactor was designed for. The steam pressure in the reactor rose to between 100 and 500 times the full power pressure and ruptured the reactor. Because the reactor was not enclosed in a containment building, a large amount of radioactive material spewed out, and additional fission products were released, as the graphite (carbon) moderator of the core ignited and burned. The fire was controlled, but over 200 plant workers and firefighters developed acute radiation sickness and at least 32 soon died from the effects of the radiation. It is predicted that about 4000 more deaths will occur among emergency workers and former Chernobyl residents from radiation-induced cancer and leukemia. The reactor has since been encapsulated in steel and concrete, a now-decaying structure known as the sarcophagus. Almost 30 years later, significant radiation problems still persist in the area, and Chernobyl largely remains a wasteland.

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原子炉が関わる別の重大事故は、1986年4月、当時まだ旧ソ連の一部だったウクライナのチェルノブイリ原子力発電所で起きた。安全装置の一部を停止した、許可のない実験中に、低出力で運転していた原子炉の1基が不安定になった。連鎖反応は制御不能となり、設計時の想定を大きく超える水準へ増大した。原子炉内の蒸気圧は、定格出力時の100〜500倍に上がり、原子炉を破壊した。原子炉が格納建屋で囲まれていなかったため、大量の放射性物質が噴き出した。さらに、炉心の黒鉛（炭素）減速材が発火・燃焼して、新たな核分裂生成物が放出された。火災は鎮火したが、発電所作業員と消防士200人以上が急性放射線障害を発症し、少なくとも32人が放射線の影響で間もなく死亡した。緊急対応作業員とチェルノブイリの旧住民の間では、放射線によるがんと白血病で、さらに約4000人が死亡すると予測されている。その後、原子炉は「石棺」と呼ばれる鋼とコンクリートの構造物で覆われたが、その構造物は現在、劣化している。ほぼ30年後も、この地域には深刻な放射線の問題が残り、チェルノブイリの大部分は荒廃したままである。

In 2011, the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in Japan was badly damaged by a 9.0-magnitude earthquake and resulting tsunami. Three reactors up and running at the time were shut down automatically, and emergency generators came online to power electronics and coolant systems. However, the tsunami quickly flooded the emergency generators and cut power to the pumps that circulated coolant water through the reactors. High-temperature steam in the reactors reacted with zirconium alloy to produce hydrogen gas. The gas escaped into the containment building, and the mixture of hydrogen and air exploded. Radioactive material was released from the containment vessels as the result of deliberate venting to reduce the hydrogen pressure, deliberate discharge of coolant water into the sea, and accidental or uncontrolled events.

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2011年、日本の福島第一原子力発電所は、マグニチュード9.0の地震と、それに続く津波で大きな被害を受けた。当時運転中だった3基の原子炉は自動停止し、非常用発電機が起動して電子機器と冷却系に電力を供給した。しかし、津波はすぐに非常用発電機を水没させ、原子炉内に冷却水を循環させるポンプへの電力を断った。原子炉内の高温の水蒸気がジルコニウム合金と反応して水素ガスを生じた。ガスは格納建屋へ漏れ、水素と空気の混合物が爆発した。水素の圧力を下げるための意図的な排気、海への冷却水の意図的な排出、事故や制御不能の事象によって、格納容器から放射性物質が放出された。

An evacuation zone around the damaged plant extended over 12.4 miles away, and an estimated 200,000 people were evacuated from the area. All 48 of Japan’s nuclear power plants were subsequently shut down, remaining shuttered as of December 2014. Since the disaster, public opinion has shifted from largely favoring to largely opposing increasing the use of nuclear power plants, and a restart of Japan’s atomic energy program is still stalled (Figure 21.22).

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損傷した発電所の周囲には12.4マイルを超える避難区域が設けられ、推計20万人が避難した。その後、日本の原子力発電所48基はすべて停止し、2014年12月時点でも停止したままだった。災害後、原子力発電所の利用拡大に対する世論は、賛成が多数の状態から反対が多数の状態へ転じ、日本の原子力計画の再始動はいまだに行き詰まっている（図21.22）。

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Figure 21.22図 21.22

(a) After the accident, contaminated waste had to be removed, and (b) an evacuation zone was set up around the plant in areas that received heavy doses of radioactive fallout. (credit a: modification of work by “Live Action Hero”/Flickr)

事故後、(a)汚染廃棄物を除去する必要があり、(b)発電所の周囲で放射性降下物を多量に受けた地域に避難区域が設けられた。（出典：aは「Live Action Hero」/Flickrの作品を改変）

The energy produced by a reactor fueled with enriched uranium results from the fission of uranium as well as from the fission of plutonium produced as the reactor operates. As discussed previously, the plutonium forms from the combination of neutrons and the uranium in the fuel. In any nuclear reactor, only about 0.1% of the mass of the fuel is converted into energy. The other 99.9% remains in the fuel rods as fission products and unused fuel. All of the fission products absorb neutrons, and after a period of several months to a few years, depending on the reactor, the fission products must be removed by changing the fuel rods. Otherwise, the concentration of these fission products would increase and absorb more neutrons until the reactor could no longer operate.

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濃縮ウランを燃料とする原子炉のエネルギーは、ウランの核分裂に加え、運転中に生成するプルトニウムの核分裂から生じる。前に述べたように、プルトニウムは、中性子が燃料中のウランと結び付いて生じる。どの原子炉でも、燃料質量のうちエネルギーへ変わるのは約0.1%にすぎない。残り99.9%は、核分裂生成物と未使用の燃料として燃料棒に残る。核分裂生成物はすべて中性子を吸収するため、原子炉に応じて数か月〜数年後には、燃料棒を交換して取り除く必要がある。そうしなければ、核分裂生成物の濃度が増し、中性子の吸収が増え、ついには原子炉を運転できなくなる。

Spent fuel rods contain a variety of products, consisting of unstable nuclei ranging in atomic number from 25 to 60, some transuranium elements, including plutonium and americium, and unreacted uranium isotopes. The unstable nuclei and the transuranium isotopes give the spent fuel a dangerously high level of radioactivity. The long-lived isotopes require thousands of years to decay to a safe level. The ultimate fate of the nuclear reactor as a significant source of energy in the United States probably rests on whether or not a politically and scientifically satisfactory technique for processing and storing the components of spent fuel rods can be developed.

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使用済み燃料棒にはさまざまな生成物が含まれる。原子番号25〜60の不安定な原子核、プルトニウムやアメリシウムなどの超ウラン元素、未反応のウラン同位体である。不安定な原子核や超ウラン同位体により、使用済み燃料は危険なほど高い放射能をもつ。寿命の長い同位体が安全な水準まで崩壊するには、数千年かかる。米国で重要なエネルギー源として原子炉が今後どうなるかは、使用済み燃料棒の成分を処理・保管する、政治的にも科学的にも受け入れられる技術を開発できるかどうかに、おそらくかかっている。