５％超燃料 商用原子炉に使用する燃料のウラン235濃縮度が５％を越えないようにしている理由については、私もはっきりしたことは知らない。正直に告白すると、規則でそうなっているからということであるが、１つには金属ウランでウラン235の濃縮度が６％程度になると水が無くても無限増倍係数が１を越えることが理由として挙げられる。 無限増倍係数が１を越えるとは、理論上は臨界になりうるということである。もちろん、直ちに臨界になることはない。「直ちに健康に影響をおよぼすことはない。」という表現が物議をかもしたが、これは「理論上は健康に影響を及ぼす可能性はあるが、実際には全く影響を及ぼさない」という意味である。 ウラン235の濃縮度の金属ウランが臨界になるには、6００トンくらいの金属ウランの固まりになり、そのような金属ウランの固まりを製造するのは不可能なので、実際臨界になることはありえない。「直ちに臨界になることはない」というのはそういうことである。ただし、商用原子炉のウラン燃料の製造では、研究や軍事よりも遥かに多くのウランを扱い、製造プロセスも広範囲にわたるので臨界事故を避けるために、「直ちに臨界になることはない」ことも許容しない。これで作業員の心理的負担も軽くなるのである。 ウラン235の濃縮度が５％を越えると、水が無くても臨界になりうることを説明するためには、ウランと中性子の反応について知っておかなければならない。こんな面倒なことは勘弁して欲しいと思う人は、再臨界や即発核分裂で世間を騒がすことは止めて欲しい。また、こんな面倒なことが必要な原子力が問題と思う人は、再生可能エネルギーや発送電分離も無理だろう。これらは、もっと難しい。そんなことはないと思う人は、そのレベルに至っていないだけである。 金属ウランなので、必要な同位体はウラン235とウラン238だけでよい。ウランの中性子反応は、弾性散乱（Elastic）、非弾性散乱（Ineelastic）、放射捕獲（Capture）、核分裂（Fission）だけでよい。これらの反応は、中性子のエネルギーで複雑かつ大きく変化する。下図にウラン235と238の反応のおこしやすさ（断面積）を示す。横軸（中性子エネルギー）、縦軸（断面積）ともに対数表示されていることに注意されたい。中性子エネルギーの範囲は、熱領域、共鳴領域、高速領域の３つに分けられている。 原子炉の解析が困難なのは、共鳴領域の非常に複雑な変化のモデル化が難しいためである。
現在は、コンピュータの能力が向上して、これら共鳴吸収を厳密に取り扱ったシミュレーションも数万円程度のPCでも数分で実施できる。例えば、連続エネルギーモンテカルロ法で金属ウランの無限体系の臨界固有値（中性子増倍係数）を求めると、
となる。臨界固有値が１を越えると、臨界になる可能性があると言える。逆に、１未満であれば天地がひっくり返っても臨界になることはない。６％濃縮度では臨界になる可能性があるが、３０立米程度の大きさになり、重さにして６００トンの固まりとなる。原発６基分のウランである。６％の金属ウランが「直ちに臨界になる」ことなどありえない。 ところで、実際の燃料は金属ウランではなく、ウラン酸化物である。ウラン酸化物ではどうなのかという疑問を持つ人もいるであろう。結論を言うと、ウラン酸化物では酸素の弾性散乱で中性子のエネルギーが低下するので、濃縮度８％以上にならなければ臨界固有値は１を越えない。ウラン酸化物から酸素が分離され金属ウランになった場合が最悪となる。したがって、金属ウランで考えれば十分なのである。 コンピュータで計算して臨界になりませんと言われても、そうですか、と言うしかないであろう。水の無い状態では、熱領域と共鳴領域を詳細に扱う必要はないので、モンテカルロ法を駆使しなければならないほど難しい問題ではない。三元連立方程式を簡易に解くことでも、５％で0.919、6％で0.983、8％で1.096と似たような結果になる。解法がシンプルなだけに、何故、臨界になるのか、そのプロセスも理解できる。三元連立方程式なので、高校生でも理解できないものではない。さすがに九九だけでは無理だ。私の能力の限界です。 |
||||||||||||||
