電気でぶ猫のつぶやき

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【電力系統】発電所(8)【原子力発電所その2】

 こんにちは。電気でぶ猫のラルフ0です。

 原子力発電所の2回目の記事です。

軽水炉以外の原子力発電所

 軽水炉であるBWRやPWR以外にも,原子炉にはいくつかの種類があるのですが,日本では数も少ないし,今後運転される見込みもまずないと思えますので,極簡単に紹介するにとどめたいと思います。

 まずは,「軽水炉」ってのがあるわけですから,対になるというものへんな言い方かもしれませんが,「重水炉(重水型発電炉)」というのがあります。減速材として重水(D2O)が使われます。Dは重水素ですね。水素の同位体で,陽子ひとつと中性子ひとつから成る原子核を持ちます。重水は軽水(普通の水!)より中性子の吸収が少なく,そのため燃料に天然ウランを使えるというのが長所です。冷却材には軽水が使われ,減速材と冷却材が完全に分離されているのも,軽水炉との大きな違いです。

 次に,黒煙減速ガス冷却炉。その名の通り,減速材として黒煙が,冷却材としてガスが用いられます。冷却材用のガスとしては,炭酸ガス,ヘリウムガスなどがもちられます。

 最後に,高速増殖炉軽水炉も含めて,蒸気の原子炉は速度が遅い「熱中性子」による核分裂が反応の主体となります。これに対して,高速増殖炉では,減速材を用いずに高エネルギーの高速中性子による核分裂を利用します。そのため,反応が継続するための燃料の量(臨界量といいます)が大きくなります。そこで,燃料であるウラン238プルトニウム239をたくさん炉内に組み込むことが必要になります(反応起動にはウラン235を使用)。一方で,高速中性子による核分裂反応は,核分裂によって失われる核分裂物質より,親物質に中性子を吸収させて,より多い核分裂物質を作り出すことができます。この過程が「増殖」です。高速増殖炉は出力密度が高いことから,冷却材としては軽水等より効率のより液体ナトリウムが用いられます。これを蒸気発生器(熱交換器)に通して,2次側で水蒸気を発生させます。

 

 

 原子力発電機の回転速度

 前回の記事で原子力発電所は火力発電所(特に汽力発電所)と似ていることをお話しました。どちらも水蒸気を作ってタービンを回す構造だからです。

 しかし,実をいうと,火力発電所原子力発電所では,その水蒸気の特性がけっこう異なっているのです。具体的には,原子炉で発生する(PWMでは蒸気発生器)蒸気は火力発電所の蒸気タービンの水蒸気と比べると,飽和蒸気であること,熱落差(※1)が小さいこと,蒸気量が多いこと(同容量で1.6倍から1.8倍くらい)といった特徴があります。

※1:ざっくりとはタービン入り口と出口における熱エネルギーの差と思ってください。正確には入り口と出口におけるエンタルピーの差のことです。

 こうした特徴から,原子力発電所における蒸気タービンの翼は火力用のそれと比較して,径が大きいものが使用されます。すると,翼の半径をr,回転角速度をωとすると,翼の先端の円運動加速度はrω^2となり,遠心力はこれに比例します。したがって,火力なみの回転速度は機械的につらくなってきます。

 そこで,原子力発電の場合,発電機回転子における極対数(電磁石のNS極のペアの数)を2としています(火力発電では1でした)。したがって,1分間における発電機の回転数は50Hz系統では1500回転,60Hz系統では1800回転となっています。