マグノックス炉

マグノックス炉とは、核分裂により生じた熱エネルギーを、高温の炭酸ガスとして取り出す、英国が開発した原子炉である。黒鉛減速炭酸ガス冷却型原子炉。2015年12月30日のウィルファ原子力発電所1号機の運転終了をもってすべての炉が閉鎖された。

マグノックスは、減速材としてグラファイト、熱交換冷却材として二酸化炭素ガスを使用し、天然ウランで動作するように設計された原子力発電/生産用原子炉の一種である。これは、より広いクラスのガス冷却炉に属している。名前は、原子炉内の燃料棒を覆うためにマグネシウム-アルミニウム:合金を使用していることに由来する。マグノックスは他のほとんどの「第1世代原子炉」と同様に、電力と初期の英国の核兵器計画用プルトニウム239生産用のデュアルパーパスで設計された。この名前は特に英国の設計を指しているが、同様の原子炉を指すために一般的に使用されることもある。

他のプルトニウム生産炉と同様に、中性子を節約することが設計の重要な要素である。マグノックスでは、中性子はグラファイトの大きなブロックで減速される。減速材としてのグラファイトの効率は、わずかに濃縮されたウランを必要とする、より一般的な商用軽水炉とは対照的に、マグノックスが天然ウラン燃料で動くことを可能にする。グラファイトは空気中で容易に酸化するため、炉心はCO2で冷却される。炉心は一方の端が開いているため、原子炉がまだ稼働している間に燃料要素を補給または撤去できる。

マグノックス設計の「デュアルユース」機能は英国がB205再処理施設の助けを借りて、燃料級/「原子炉級」プルトニウムを大量備蓄する結果につながった。原子炉設計の低~中燃焼度の特徴は、1960年代の英米「原子炉級」プルトニウム爆発試験の後、米国の規制区分の変更の原因となった。発電への移行が主な運用目標とし、後の数十年で発電能力を向上させたにもかかわらず、マグノックス炉は最も普及している動力炉の設計である加圧水型原子炉と比較して、その設計と天然ウラン遺産のハンディキャップのために、一貫して高効率/高燃料「燃焼」発電能力を発揮することはできなかった。

このタイプの原子炉は全部で数十基しか建設されておらず、そのほとんどは1950年代から1970年代にかけて英国で建設され、他国に輸出されたものはほとんどなかった。最初にオンラインになったマグノックス炉は、1956年のコールダーホール  であり、「世界で最初の商用規模の発電原子炉」と見なされることが多く、英国で最後に停止したのは2015年 にある) ウィルファの1号機であった。2016}}、北朝鮮は、寧辺核科学研究センターでマグノックス型原子炉を使い続けている唯一のオペレーターである。マグノックスの設計は、同様の冷却方式だが、経済的パフォーマンスを改善するための変更を含む、改良型ガス冷却炉に取って代わられた。

1. 概要
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1.1. ウィンズケール
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英国初の本格的な原子炉は、セラフィールドのウィンズケール・パイルであった。このパイルは、天然ウラン燃料で数週間の反応で増殖するプルトニウム239の生産用に設計された。通常の状態では、天然ウランは自身の中性子に対して連鎖反応を維持するほど敏感ではない。中性子に対する燃料の感度を向上させるために、中性子減速材、この場合は高度に精製されたグラファイトが使用される。

原子炉は、この材料の巨大な立方体  で構成され、多くの小さなブロックで構成され、多数の//燃料チャネル//を作るために水平にドリルで穴が開けられていた。ウラン燃料はアルミニウム製キャニスターに入れられ、チャネル前部に押し込まれ、前の燃料キャニスターをチャネル越しに押し込み、原子炉後部から水のプールに落とした。このシステムは、低温および低電力レベルで動作するように設計されており、大型ファンの助けを借りて空冷されていた。

グラファイトは可燃性であり、深刻な安全上のリスクをもたらす。これは1957年10月10日に、現在2基のサイトの1基が発火したときに実証された。原子炉は3日間燃え、大規模な汚染は、以前は不必要な「愚行」として嘲笑されていた濾過システムの追加によってのみ回避された。

1.2. マグノックス
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英国の原子力エスタブリッシュメントが原子力に関心を向け始めたときに、兵器開発用プルトニウムの更なる需要は相変わらず深刻であった。これはウィンズケールの基本的設計をプルトニウムも生産する発電バージョンに適合させる努力する結果につながった。経済的に有用であるためには、プラントははるかに高い出力レベルで稼働する必要があり、その出力を効率的に電力に変換するには、より高い温度で稼働する必要がある。

これらの出力レベルでは、火災のリスクが増幅され、空冷はもはや適切ではない。マグノックスの設計の場合、これは冷却剤として二酸化炭素  を使用する結果につながった。原子炉には、出力中に個々のチャネルを通るガス流を調整する設備はないが、ガス流はダイアグリッドに配置された支持ストラットに取り付けられたフロー・ギャグを使用して調整された。これらのギャグは、炉心の中心で流れを増やし、周辺でそれを減らすために使用された。反応速度の主な制御は必要に応じて、垂直チャネルで上下できる多数のホウ素鋼制御棒によって提供された。

より高温では、アルミニウムはもはや構造的に健全ではなく、マグノックス合金の燃料被覆管の開発につながった。不幸にも、マグノックスは温度が上昇すると反応性が高まり、この材料を使用すると動作ガス温度が 360°C  に制限され、効率的な蒸気生成に望ましい温度よりもはるかに低くなる。この制限はまた、流体の低熱容量が非常に高い流量を必要としたため、任意の出力レベルを生成するために炉が非常に大きくなければならない増幅された)ことを意味した。

マグノックスの燃料要素は精製ウランで構成され、ゆるいマグノックスのシェルに閉じ込められた後ヘリウムで加圧された。シェルの外側は通常、CO2との熱交換を改善するためにフィンが付けられていた。マグノックス合金は水と反応するため、原子炉から取り出した後、冷却池に長時間放置することはできない。ウィンズケールのレイアウトとは対照的に、マグノックスの設計では垂直燃料チャネルが使用された。これは燃料シェルを端から端まで一緒にロックするか、一方を他方の上に置いて、チャネル上部から引き出せるようにする必要があった。

ウィンズケールのデザインのように、後のマグノックス炉は燃料チャネルへのアクセスを可能にし、運転中に燃料補給ができた。天然ウランを使用すると燃焼率が低くなり、頻繁な燃料補給が必要になるため、これは設計の重要な基準であった。電力利用については、燃料キャニスターは可能な限り原子炉内に残されたが、プルトニウム生産の場合は早期に取り外された。複雑な燃料補給装置は原子炉システムよりも信頼性が低く、おそらく全体的に有利ではないことが判明した。

原子炉アセンブリ全体は大きな圧力容器に入れられた。パイルの大きさにより、原子炉炉心のみが鋼製圧力アセンブリ内に配置され、その後コンクリートの封じ込め建物に囲まれた。炉心には水がなく、蒸気爆発の可能性がなかったため、建物は圧力容器をしっかりと覆うことができ、建設コストの削減に役立った。封じ込め建物のサイズを抑えるために、マグノックスの初期設計ではCO2ガス熱交換器がドーム外側に配置され、配管で接続されていた。このアプローチには、メンテナンスとアクセスが一般的に簡単であるという長所があったが、主な弱点は、特にシールドされていない上部ダクトから排出される放射線の「輝き」であった。

マグノックスのデザインは進化であり最終的に完成することはなかった、そして後期のユニットは初期のものとはかなり異なる。出力密度を改善するために中性子束が増加すると、特に低温で中性子脆化の問題が発生した。オールドベリーとウィルファの後のユニットは鋼製圧力容器を熱交換器と蒸気プラントも含むプレストレスト・コンクリートバージョンに置き換えた。使用圧力は、鋼製容器では 6.9 ～ 19.35bar、2つのコンクリート製容器では 24.8および27barである。

発電所のすべてを建設できるほど大規模な英国の建設会社は当時存在しなかったので、さまざまな競合するコンソーシアムが関与し、発電所間に違いが追加されることになる; たとえば、ほぼすべての発電所が異なる設計のマグノックス燃料要素を使用していた。マグノックスの建物のほとんどは、時間超過とコスト上昇に悩まされた。

原子炉の初回起動では、核反応を開始するのに十分な中性子を供給するために、中性子源が炉心内に配置された。設計の他の側面には炉心全体の中性子束密度を  均一にするための中性子束成形または平坦化棒または制御棒の使用が含まれていた。使用されない場合、中心部の中性子束は外側の領域に比べて非常に高くなり、中心部の温度が過度に高くなり、中心部の温度によって制限され、より出力が低下する。各燃料チャネルには「ストリンガー」を形成するために、いくつかの要素が積み重ねられている。これには、スタックを引き出して取り扱うためのラッチ機構が必要であった。これは使用されているニモニックスプリングにコバルトが含まれていたためいくつかの問題を引き起こし、炉から取り出したところ照射されてガンマレベルが高くなった。さらに、熱電対がいくつかの要素に取り付けられており、原子炉から燃料排出の際に取り外す必要があった。

1.3. AGR
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マグノックス設計の「デュアルユース」の性質は、その経済的パフォーマンスを制限する設計上の妥協につながる。マグノックスの設計が展開されていたとき、システムをより経済的にするという明確な意図を持って、改良型ガス冷却炉  の作業がすでに進行中であった。主な変更点は、約650°C  というはるかに高い温度で原子炉を稼働させるという決定であり、出力を抽出する蒸気タービンを稼働させる際の効率が大幅に改善する。これはマグノックス合金には熱すぎるため、AGRは当初、新しいベリリウムベースのクラッディングを使用することを意図していたが、これは脆すぎることが判明した。これはステンレス鋼の被覆に置き換えられたが、しかしこれは臨界に影響を与えるのに十分な中性子を吸収し、マグノックスの天然ウランではなくわずかに濃縮されたウランで動作するように設計する必要があり、燃料費を押し上げた。最終的にこのシステムの経済性はマグノックスよりも少し優れていることが証明された。元財務省経済顧問のデビッド・ヘンダーソンはAGRプログラムを、コンコルドと並んで英国政府が後援した2つの最も費用のかかるプロジェクトの誤りの1つと説明した。

2. 技術情報
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