CANDU炉
一般に、原子力発電所からの放射性物質の放出については大きな論争があり、CANDUプラントの場合、主な懸念事項の1つはトリチウムである。2007年にグリーンピースはイアン・フェアリーによるカナダの原子力発電所からのトリチウム放出の批判を公表した。この報告はリチャード・オズボーンによって批判された。
CANDUの開発努力は時間をかけて4つの主要な段階を経てきた。最初のシステムは出力制限がされた実験用試作機であった。これらは500~600 MWeの第2世代機(CANDU-6)に置き換えられ(900 MWeのより大きなマシンの系譜)、そして最終的にCANDU-9とACR-1000の労作に発展した。
カナダ初の重水減速設計はZEEPであり、第二次世界大戦の終戦直後に運用を開始した。ZEEPは1947年のNRXや1957年のNRUなど、他のいくつかの実験機がこれに加わった。これらの努力は最初のCANDU型原子炉(オンタリオ州ロルフトンにあるNuclear Power Demonstration (NPD))につながった。これは概念実証を目的としており定格はわずか22 MWeであり、商用発電炉としては非常に低出力である。NPDはカナダ初の原子力発電を行い、1962年から1987年まで正常に稼働した。
2台目CANDUは(オンタリオ州キンカーディン(Kincardine)近郊に位置し定格約200 MWeのよりパワフルなバージョンである)ダグラス・ポイント(Douglas Point)原子炉だった。1968年に就役し1984年まで稼働した。CANDUステーションの中でもユニークな点として、ダグラス・ポイントには原子炉が運転中であっても、原子炉の東面が見える油で満たされた窓があった。ダグラス・ポイントは当初2ユニットのステーションとして計画されていたが、しかしピカリング(Pickering)でのより大きな515 MWeユニットの成功により、2番目のユニットはキャンセルされた。
ケベック州トロワ・リヴィエール(Trois-Rivières)近く、ベカンクール(Bécancour)にあるジャンティイ1号機(Gentilly-1)は実験的なCANDUのバージョンでもあり、沸騰軽水冷却材と垂直圧力管を使用していたが、成功したとは見なされず7年間の断続的な運用の後に閉鎖された。 ジャンティイ2号機(CANDU-6炉)は1983年に操業を開始した。2012年9月に次期ケベック党(Parti Québécois)政府がジャンティイを閉鎖するという声明を発表した後、 オペレーター(イドロ・ケベック, Hydro-Québec)は、以前に発表されたプラント改修をキャンセルすることを決定し、2012年末に経済的理由を根拠に閉鎖決定を発表した。同社は18億ドルの費用がかかると見積もられる50年廃炉プロセスを開始した。
古典的CANDU設計と並行して、実験的変種が開発されていた。(マニトバ州ピナワ(Pinawa, Manitoba)にあるAECLのホワイトシェル研究所(Whiteshell Laboratories)に位置する)WR-1は垂直圧力管と有機油を一次冷却材として使用した。使われた油は水よりも沸点が高く、原子炉が従来炉よりも、より高温低圧での運転を可能にする。 WR-1の出口温度はCANDU-6の公称310 °Cと比較して約490 °Cだった; より高温とその結果として熱力学的効率は油が水の約半分の熱容量を持っているという事実をある程度相殺する。より高い温度は同様に蒸気および、最終的に、電気へのより効率的な変換という結果をもたらした。WR-1は長年にわたって正常に動作し、水冷バージョンよりも大幅に高い効率が約束された。CANDU-6
NPDとダグラス・ポイントでの成功により、オンタリオ州ピカリングに最初のマルチユニット・ステーションを建設する決定が下された。(1~4号機からなる)ピカリングAは1971年に就役した。5~8号機のピカリングBは1983年にオンラインになり、4,120 MWeの全発電所容量をもたらす。発電所は送電コストを削減するためトロント市に非常に近い。
ピカリングの基本設計に対する一連の改良は、1980年代初頭に初めて運用が開始されたCANDU-6設計につながった。CANDU-6は基本的に単一の原子炉ユニットで構築できるよう再設計されたピカリング発電所のバージョンであった。CANDU-6はケベック州のジャンティイ2号機とニューブランズウィック州のポイント・ルプロー原子力発電所を含む、オンタリオ州以外のいくつかの施設で使用された。CANDU-6はアルゼンチン、ルーマニア、中国、韓国に輸出された設計を含む、外国のCANDUシステムの大部分を形成する。CANDU-6設計に基づかないCANDUシステムを運用しているのはインドだけである。
原子力発電所の経済性(economics of nuclear power plants)は一般に規模に応じて大きくなる。このより大きなサイズでの改善は、需給効果を通じて電力価格低下につながる送電網上に大量の電力が突然出現することによって相殺される。1960年代後半の予測では電力需要の増加がこれらの価格下落圧力を圧倒し、ほとんどの設計者が1000 MWeレンジの発電所を導入することになることを示唆していた。
ピカリングAは1970年から87年にかけて段階的に建設されたブルース原子力発電所(Bruce Nuclear Generating Station)のような大規模化の取り組みがすぐ続いた。それは北アメリカで最大の原子力施設であり世界では(日本の柏崎刈羽に次いで)2番目に大きく(原子炉1基あたり約800 MWe、計8基)合計でグロス7,276 MW、ネット6,232 MWであった。もう1つの(より小規模な)大規模化はブルース発電所に似たダーリントン原子力発電所の設計につながったが、4基の原子炉ステーションで1基あたり約880 MWeを送り届けた。
ピカリングの設計がCANDU-6に発展した場合と同様に、ブルースの設計は同様のCANDU-9にも発展した。CANDU-6と同様に、CANDU-9は基本的にブルースの設計を再パッケージ化したものであるため、単一の原子炉ユニットとして構築できる。(こんにちまで)CANDU-9原子炉は建設されていない。
改良型CANDU炉1980年代から90年代を通して原発市場は、北アメリカかヨーロッパで新しいプラントがほとんど建設されないことにより、大暴落に苦しんだ。設計作業は終始継続され、劇的に改善された安全性、資本コスト、経済性そしてパフォーマンス全体をもつ新しい設計コンセプトが導入された。原子力ルネッサンス(nuclear renaissance)が進行中であり、そして今後10年間で多数の新しい原子炉が建設されることが表面化した時、これら第3世代+と第4世代機は2000年代初頭にかなりの関心を集めた話題となった。
AECLは(CANDU-6とCANDU-9の最新版の要素を使用して)設計出力700 MWeを持つACR-700として知られる設計に取り組んでいた。原子力ルネッサンスの時(during)、初期に見られた大規模化が再掲されACR-700は1200 MWeのACR-1000に発展した。ACR-1000は次世代(公式には、 "第3世代+")CANDU技術であり、これは既存のCANDU設計にいくつかの大幅な変更が加えられる。
主な変更点であり、CANDU世代の中で最も革命的なのは、冷却剤として加圧軽水を使用することである。これは高価な重水で満たす必要がなくなった一次冷却ループの実装コストが大幅に削減される。ACR-1000は前世代の設計で必要な重水の約1/3を使用する。また運用中のCANDU設計におけるトリチウム漏れの主な原因である、冷却剤ループでのトリチウム生成も排除する。再設計は同様にすべての第3世代+機の主要な設計目標である、わずかな負のボイド反応性を可能にする。
この設計では同様に1~2%程度に濃縮された、低濃縮ウラン(slightly enriched uranium)の使用を要求する。その主な理由は燃焼率を上げて、(燃料)束を原子炉内により長く留まらせ、使用済み燃料を3分の1しか生成しないようにするためである。同様にこれは給油頻度が減少するため、運用コストとタイムテーブルに影響を与える効果がある。以前のCANDU設計と同様に、ACR-1000もオンライン燃料補給を提供する。
原子炉外では、ACR-1000に資本コストと運用コストを大幅に削減することが期待される多くの設計変更が加えられている。これらの変更点の主なものは60年の設計寿命であり、プラント寿命にわたって発電価格を劇的に引き下げる。この設計では90%の予想設備利用率も備える。高圧蒸気発生器とタービンは原子炉下流の効率を改善する。
運用設計変更の多くは既存のCANDU-6にも適用され強化されたCANDU-6を生み出した。これはCANDU-6eまたはEC-6とも呼ばれ、1基あたりグロス出力740 MWeを備えるCANDU-6設計の進化的アップグレードであった。原子炉は50年以上の寿命を持ち、例えば燃料チャンネルのような主要コンポーネントの一部を交換する中年プログラムを備えるよう設計されている。計画された平均年間設備利用率は90%以上である。 (モジュラー、オープントップ・アセンブリを含む) 建設技術の改善により、建設コストが削減される。CANDU-6eは以前の設計よりもはるかに優れ、需要負荷に合わせて調整できるよう50%という低電力設定で動作するように設計されている。
ほとんどの場合、CANDUは「オンタリオの原子炉」である。このシステムはオンタリオ州でほぼ完全に開発され、他の州では2つの実験的設計のみが構築された。建設された29基の商用CANDU炉のうち、22基がオンタリオ州にある。これら22基のうち、多くの原子炉が使用を中止した。2つの新しいCANDU炉がダーリントンに提案されており、カナダ政府が資金提供を支援しているが、 しかし、これらの計画はコスト高のため2009年に終了した。
AECLはカナダ国内でCANDUを大々的に売り込んでいるが、しかしレセプションが限られていることがわかった。今日まで、他の州では非実験的な原子炉が2基しか建設されておらず(ケベック州とニューブランズウィック州にそれぞれ1基ずつ)、他の州は水力と石炭火力発電所に集中している。カナダのいくつかの州では大量の水力発電が開発された。アルバータ州とサスカチュワン州には豊富な水力資源がなく、主に化石燃料を使用して発電している。
エネルギーを大量に消費する(現在天然ガスを使用している)オイルサンド抽出プロセスの熱源および電力源と見なされているCANDU炉が、カナダ西部(Western Canada)で関心が示されている。Energy Alberta Corporationは2007年8月27日に、カーディナル湖(Cardinal Lake、アルバータ州ピースリバー町(Peace River, Alberta)の西30 km)で、2017年にオンライン予定の2.2GW(gigawatts、電気)を発電する2基のACR-1000炉を持つ、新しい原子力発電所を建設する許可を申請したことを発表した。2007年の議会審査では開発活動を留保することが提案された。同社は後に、プラントを計4.4GWの4基に拡張することを提案した、ブルース・パワーに買収された。これらの計画は覆され、ブルースは後にカーディナル湖への申請を取り下げ、代わりに約60 km離れた新しい場所を提案した。一般大衆との広範な協議の後、人口の約5が原子炉にオープンな一方で、4は反対であることが示され、計画は現在瀕死の状態である。
1970年代には、多くの国営原子力企業は各国政府の外国大使館の支援を受けており、国際的な原子力販売市場は非常に競争が激しかった。加えて、米国での建設のペースはコスト超過と完成遅れはおおむね終わっており、そして後続の原子炉は安価になることを意味していた。カナダ(国際市場で比較的新しいプレイヤー)は、これらの(販促)活動において数多くの手枷足枷を抱えていた。CANDUは主要な産業基盤のない国での建設に適すよう、非常に大きな機械加工部品の必要性を減らすように意図的に設計された。販売努力は他企業からの設計を現地で構築することができなかった国で最も成功した。
1970年代後半に、AECLは原子炉1基の販売ごとに3,600人のカナダ人が雇用され、その結果3億ドルの国際収支所得が得られるということを特筆した。これらの販売活動は主に独裁もしくはそれに準ずる政権などによって運営されている国を対象としており、事実議会で深刻な懸念を引き起こした。またこれらの活動は数百万ドルが(彼らが誰であるか、またお金を稼ぐために何をしたかについての記録が殆ど若しくは全くない)外国の販売代理店に渡されたことが発覚したとき、スキャンダルを引き起こした。これはアルゼンチンでの販売活動に関する疑問が提起された後、王立カナダ騎馬警察(Royal Canadian Mounted Police)の調査と、今後の販売における手数料の完全開示に関する新しい規制につながった。
CANDUの最初の成功は初期のCANDU設計のインドへの販売であった。1963年に、ダグラス・ポイント炉に基づく200 MWe発電炉の輸出契約が調印された。取引の成功は1966年の同設計の2番目の原子炉の販売につながった。最初の原子炉(その後「ラジャスタン原子力プロジェクト」のRAPP-1として知られる)は1972年に運転を開始した。原子炉のエンドシールドの割れによる深刻な問題は原子炉が長期間停止することになり、最終的に100 MWに格下げされた。1974年にインドが最初の原爆を爆発させたときRAPP-2原子炉の建設はまだ進行中であった、カナダが同国との核取引を終わらせることになる。販売契約の一部は技術移転プロセスであった。カナダが開発から撤退したとき、インドは全国でCANDUライクなプラントの建設を続けた。2010年までに、CANDUベースの原子炉は次のサイトで稼働していた: Kaiga (3基)、カクラパー (2基)、マドラス (2基)、ナローラ (2基)、ラジャスタン (6基)、そしてタラプール (2基)。
パキスタンでは、137 MWeのグロス容量を備えるカラチ原子力発電所(Karachi Nuclear Power Plant)は1966年から1971年にかけて建造された。
1972年に、AECLはイタリア企業のItalimpiantiと提携してアルゼンチンのComision Nacional de Energia Atomica(es, en)プロセスにピカリングプラントに基づく設計を提出した。建設中の高インフレは巨額の損失をもたらし、そして1976年3月のビデラ将軍率いるクーデターによりこの取引を再交渉する取組みは中断された。エンバルス原子力発電所(Embalse Nuclear Power Station)は1984年1月に商業運転を開始した。カナダ、中国、アルゼンチン間の2007年の合意を含め、その国でさらにCANDU-6炉を開設するための交渉が進行中だが、現在のところ確固たる計画は発表されていない。
ルーマニアとのライセンス契約は1977年に調印され、CANDU-6の設計を最初の4基の原子炉では1基あたり500万ドルで販売し、次の12基ではそれぞれ200万ドルで販売される。加えて、カナダ企業は原子炉用機器(最初の原子炉の8億ドルの値札の内約1億ドル)をさまざまな量を供給し、時間の経過とともに下落した。1980年、ニコラエ・チャウシェスク(Nicolae Ceaușescu)は現金の代わりに商品を提供するよう変更を求め、引き換えにカナダの内容の量が増加し、2番目の原子炉がカナダの支援を受けて建設されることになった。国内の経済問題は終始建設段階全体でさらに悪くなった。チェルナヴォダ原子力発電所(Cernavodă Nuclear Power Plant )の最初の原子炉は1996年4月にオンラインになったばかりで、1985年12月にスタートアップを予測してから10年後のことであった。2007年11月にオンラインになった、2番目の原子炉の完成のためにさらに融資が手配された。
1975年1月には、韓国で建設される単一のCANDU-6原子炉(現在はウォルソン-1発電炉として知られる)についての取引が発表された。1977年に建設が開始され1983年4月に営業運転が開始された。1990年12月、同じサイトにある(1997年から1999年にかけて操業を開始した)追加の3基について、さらなる取引が発表された。韓国はまた、ウェスティングハウスと彼らの改良型System-80炉設計について、開発および技術移転契約を交渉した、 そして今後の開発はすべて、この原子炉のローカルに構築されたバージョンに基づいている。
1998年6月、中国の秦山にある秦山原子力発電所の計画中施設11基の内フェーズⅢ (4および5号機) としてCANDU-6炉を着工した。2002年12月と2003年7月にそれぞれ営業運転を開始した。これらは中国初の重水炉である。秦山はオープントップの原子炉建屋建設を使用する最初のCANDU-6プロジェクトであり、予定日よりも早く商業運転が開始された最初のプロジェクトである。
CANDU Energyは、中国でのマーケティング活動を継続している。さらに、中国とアルゼンチンは700 MWeのCANDU-6から派生した原子炉を建設する契約に合意した。建設は2018年にAtuchaで開始される予定である。
いかなる発電所からの電気のコストは、ほぼ同じ因子の選択によって計算できる: 建設のための資本コストもしくはその資本を確保するために行われたローンの支払い、ワット時ベースの燃料費、および固定および変動メンテナンス料。原子力の場合、1つは通常2つの追加コストを含む、 恒久的な廃棄物処理のコストと、その耐用年数が終わったときプラントの廃止費用。一般的に、発電量が非常に大きいので燃料費と維持費を圧倒し、資本コストが原子力(発電所)の価格を支配する。世界原子力協会は(すべての処理を含む)燃料費はkWhあたり1セント (0.01米ドル) 未満であると計算する。
CANDUにおける経済パフォーマンスに関する情報はいくぶん偏っている; 原子炉の大部分はオンタリオ州にあり、主要なCANDU運営者の中で「最も公開されている」地域でもある。ダーリントン発電所に関する問題に多くの注目が向けられてきたが、オンタリオ州のすべてのCANDU設計は予算を少なくとも25%超過し、平均は見積もりよりも150%以上高かった。ダーリントンは最悪で、予算を350%上回っていたが、しかしこのプロジェクトは進行中の停止によって、繰り返されるとは予想されなかった特別な状況である、高金利の期間中に追加の利息が発生した。
1980年代には、ピカリングA炉の圧力管は水素脆化(hydrogen embrittlement)による想定外の劣化により設計寿命を前に交換した。広範囲にわたる検査とメンテナンスにより後の原子炉ではこの問題が回避された。
ピカリング、ブルース、ダーリントンでの後の世代の運用パフォーマンスの復元に集中するために、すべてのピカリングAおよびブルースA炉は1999年に閉鎖された。ピカリングA炉を再起動する前に、OPGは限定的な改修プログラムを実施した。不適切なプロジェクト範囲の開発に基づく元の費用と時間の見積もりは実際の時間とコストを大幅に下回り、ピカリング2・3号機は商業上の理由から再起動しないことが決定された。
これらの超過はブルースでも繰り返され、3・4 号機は予算を90%上回って稼働している。似たような超過はポイント・ルプローでも経験され、そしてジャンティイ-2プラントは2012年12月28日に閉鎖された。
1994年における計画された資本コスト(ならびに燃料と稼働中のメンテナンスの低コスト)に基づくCANDUからの電力は、5セント/kWhをはるかに下回ると予測されていた。
1999にオンタリオ・ハイドロはバラバラになった、そしてその発電設備はオンタリオ・パワー・ジェネレーション(OPG)に再編成された。 後継会社を個人投資家にとってより魅力的なものにするために、194億ドルの「座礁債務(stranded debt)」がオンタリオ電力金融公社の管理下に置かれた。この負債は(すべての電力に対する0.7セント/kWhの関税、すべての事業会社が支払うすべての所得税そして、OPGとHydro Oneによって支払われたすべての配当を含む)さまざまなソースを通じてゆっくりと返済された。
2022年10月現在、ダーリントンは全4基の10年に及ぶ大規模改修プロジェクトの後半に突入し、それらは設計寿命中期に到達した。予算は125億ドルに設定され、6~8セント/kWhで発電することを計画した。プロジェクトは現在、予定どおり、予算どおりである。
ダーリントン1・3・4号機平均耐用年数の年間設備利用率は85%で運用されており、また2号機の設備利用率は78%であった、2010年現在、ピカリングとブルースの改装されたユニットは生涯寿命設備利用率が59~69%であった。これには再配管および改修のためにユニットが停止していた数年間の期間が含まれる。改修後の設備利用率はブルースA1は90.78%、ブルースA2は90.38% (2013年以降)、ピカリングA1は71.18%、ピカリングA4 は70.38%と、はるかに高くなっている。2009年、彼らが真空ビルの大規模な停電を経験した年に、ブルースA3・4号機の設備利用率はそれぞれ80.5%と 76.7%であった。
今日世界中で31基のCANDU原子炉が使用されており、そして13基はインドでCANDU設計から開発された "CANDU-派生" 炉である。1974年にインドが原爆を爆発させた後、カナダはインドとの核取引を止めた。その内訳は次のとおりでである:
2002年1月現在、世界の32炉/438炉がCANDU炉
ダグラス・ポイント原子力発電所はCANDU炉仕様の原型炉一基を運転していたがすでに閉鎖された。
ピカリング発電所はCANDU炉仕様の商用炉4基を1ユニットとしAとBの二つのユニットを運転していた。2015年現在、ピカリングAの2・3号機は燃料が抜き取られ停止中である(ただし廃炉ではない)。
1976年、電源開発株式会社がカナダへCANDU炉の視察団を派遣、通産省もCANDU炉を念頭に置いた発電用新型炉等実用化調査委員会を発足。さらに原子力委員会の新型動力炉開発専門部会にてCANDU炉に関心が示されるなど、CANDU炉の日本導入が検討され始めた。しかしながら1979年、原子力委員会はCANDU炉について、
使用済み核燃料が多くなり、再処理経費が多く掛かること
資金、人材の分散を避ける必要性
を理由にあげ、現段階で積極的理由がないと結論付けたことから、導入議論は一気に下火となった。
天然ウランが使用できるため、ウラン濃縮の必要性がない。
この点は、ウラン資源が豊富なカナダにおいては、特に利点となる
そのため原爆用プルトニウムの生産に使われたこともある(1974年のインドの核実験)
運転中に燃料交換が可能と言うことは、わずかに照射した燃料、すなわちPu-240の生成量が少ない照射済み燃料を容易かつ大量に取り出せると言うことである。これは兵器級プルトニウムの生産が可能であることを示す。
プルトニウムの生成量が通常の軽水炉の2倍となり使用済燃料再処理費用が高くなる。
大量の重水を使用するため、その調達にかかるコストが高い。
重水を使用している為、トリチウムの生成量が多い。