実験通じ安全利用促進

　脱炭素化と安定供給の両翼を担う原子力は、資源の乏しいわが国にとって不可欠のエネルギー源であり、東日本大震災の原発事故の経験を踏まえてさらなる安全強化に向けた研究が重ねられている。

　稼働中の原子力発電プラントは「冷却材」として水を用いているが、これは原子炉内で燃料の発する核エネルギーを制御しつつ熱エネルギーの形で受けとめ、流動でエネルギーを運び、沸騰によって蒸気を作り動力エネルギーに転換し、タービンを回して電気エネルギーを生み出す役目を担っており、冷却材の熱流動はまさに原子力利用の要と言える。

　水を熱して沸騰する現象は我々の生活にもなじみ深いものであるが、そのメカニズムは複雑でいまだ完全に解明されていない素過程も多く、実験を通じた挙動の観察や計測データの蓄積により現象をモデル化して解析を実施し、安全評価を行わねばならない。

　その正確度を高めるには、高度な実験技術と解析技術で知見をブラッシュアップしていくことが必要で、またその新知見は安全性を審査する規制側の要求水準も高めていくこととなり、熱流動研究は絶え間ない進展が求められる。

　こうしたニーズに応えるため電力中央研究所では、原子炉内の熱流動を再現できる「軽水炉三次元熱流動実験設備（SIRIUS-3D）」と、その高温高圧状態の流体を可視化できる「X線CT／リアルタイムラジオグラフィ（RTR）装置」を擁して研究に取り組んでいる。

　SIRIUS-3Dは、大気圧の約70倍の圧力で約300℃の水を流動させ、実機と同じ長さ約4mの燃料集合体を模擬したバンドル流路で沸騰二相流を生成するループ設備である。

　沸騰で生じた蒸気の発生量と分布は炉内の原子核反応の制御や燃料の健全性に影響する重要な物理量であり、SIRIUS-3Dは原子炉内で実際に起きている流動状態を忠実に作り出せる。

　X線CT／RTRは、燃料棒が格子状に並んだ複雑流路を可視化する技術である。CTは医療用の約50倍のエネルギーで金属構造物の内部を透過して断面を観察でき、約4mのトラバース機構で燃料集合体の実機寸法をカバーし、解像度の高い沸騰二相流の実験データベースを構築できる。RTRは毎秒400枚の撮影速度で流路を側面から観察し、燃料冷却の維持に重要な水位変化を捉えることに適している。

　わが国では現行炉の再稼働が軌道に乗り、次のステップとして安全性と経済性を高めた新型燃料の導入、さらに現行炉の実績を土台に高い安全性を備えた革新軽水炉の開発が進められている。電力中央研究所はこの動きをバックアップし、安全な原子力エネルギー利用を支える研究に今後も取り組んでいく。

日刊工業新聞（2026年10月1日）掲載
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