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過渡問題 原子炉の臨界問題が固有値問題であるというのは、少し疑問に思われるかもしれない。これが真実なら、原子炉を組み立てたとたん臨界になるような気がする。危険極まりない。実際、そういうこともある。これが臨界事故である。 実際の原子炉では、炉心を構成したときは、制御棒が全挿入され、制御棒を徐々に抜いていって臨界にする。いきなり臨界というのも考えにくいと思う。これは、電気回路で例えることができる。 このような直流回路を考える。これが、中学校や高校の理科の問題だとすると、左はoffなので、抵抗Rの電流は０である。右は、Onなので電流はE/Rとなることに誰も疑問は持たないであろう。
このとき、時間について電流の変化を図にすると、誰でも下図を描くであろう。
しかし、回路のOnを０の時間でできない。極短くても、有限の時間がかかるから、実際は、
上図のように緩やかに電流は上昇するであろう。実際の回路にはインダクタンスや電気容量も存在するから、あまりにも急激にOnにすると、
電流が脈動して、瞬間的に過大な電流が流れて抵抗を破壊するかもしれない。実際問題では、回路の規模によっては、回路のOn／Offは過大電流が生じないように、注意深くスイッチの操作をすることも多い。変電所が、まさにそうである。スィッチ操作そのものが非常に高度な話題となる。しかし、中学校や高校の理科の問題だとすると、ここまで想定しろと言うのは酷な話である。 この問題も同じで、いきなり臨界というのは非現実的な話で、制御棒操作やホウ酸濃度や水流を操作して入念に臨界にもっていく。電気回路のスィッチ操作のように、それだけでも非常に高度な話題になる。原子炉では過渡解析とか動特性解析ともいって、これだけで一つの研究分野になる。 臨界問題に限定すれば、過渡解析はできているものとし、無視して扱ってもよい。臨界問題は、回路に例えるとオームの法則について考えているようなものである。スイッチの入れ方まで考えると、かなり違った問題に派生する。当面は、過渡現象まで考慮する必要はないし、臨界問題が正しく認識できてからのことである。 出力と臨界の関係 原子炉を起動するときに、制御棒操作等に非常に長い時間をかければ出力０で臨界にすることは、理論的には可能である。現実には無理であろうが。 臨界固有値と出力については、原子炉の専門家を自称する人でも誤った認識をしている人もいる。臨界固有値が大きければ出力も大きいといった理解である。臨界固有値は１から約1.00５の間でなければ、原子炉は成立しない。確かに、臨界固有値が1.3という評価はできるが、そのような原子炉炉心を作ると、核分裂が急速に進んで、炉心が加熱され温度が上がって臨界固有値が低下したり、溶融して炉心を破壊することで臨界固有値を低下させ未臨界になる。最悪の場合には爆発的破壊で臨界固有値を低下させる。遅かれ早かれ未臨界になる。または、臨界固有値が１のままで、臨界が継続する。これが問題になったのがJCO臨界事故である。 現実の原子炉は、核分裂の即発中性子と核分裂で生じた不安定核種から生じる遅発中性子で臨界を担保する。遅発中性子の割合は、0.5%程度である。 即発中性子で臨界になると、臨界固有値が僅かに変化しても、1秒間で２万倍ほど核分裂が増え、暴走状態になる。遅発中性子で臨界になると１秒間でも１％程度しか核分裂は増えない。実際の原子炉では、即発中性子のみでは未臨界で、約0.５%の遅発中性子を上乗せして臨界にする。したがって、現実の原子炉の臨界では、臨界固有値が１から約1.005まではとることができる。 原子炉の出力を上昇させるときには、臨界固有値が１から1.005の間になるように制御棒等を操作する。臨界固有値が１より大きいので、核分裂が速やかに進行し、核分裂が増加し出力が上昇する。出力が、定格の例えば300万KWになったら、臨界固有値が１になるように制御棒等を操作する。臨界固有値が大きいので、出力が大きいといった発言があったら、こう考えればよい。 また、出力とは単位時間当たりのウラン235の消費量であるから、大きな出力を出すには、ウラン235の量が多くなければならない。寸法が同じであれば、ウラン235の濃縮度が上がり、結果的には臨界固有値は大きくなる。ウラン235の濃縮度が大きいことを臨界固有値が大きいと言い換えていると解釈してやれば、角も立たない。 |
