先進ガス冷却炉

先進ガス冷却炉（AGR ）は、英国で設計・運用されている原子炉の一種です。これは英国のガス冷却炉の第二世代であり、中性子減速材としてグラファイトを使用し、冷却材として二酸化炭素を使用しています。 1980年代以来、 英国の原子力発電施設の主力となっています。

AGRは、英国の第一世代原子炉設計であるマグノックス原子炉から開発された。最初のマグノックス設計はプルトニウム生成に最適化されていたため^[1]、発電には最も経済的ではない特徴があった。その主なものは、天然ウランで稼働する必要があることであり、これには中性子断面積の小さい冷却材（この場合は二酸化炭素）と効率的な中性子減速材であるグラファイトが必要だった。マグノックス設計では、他の発電設計と比較してガス温度が比較的低く、その結果、蒸気状態の効率が低下した。

AGR 設計では、マグノックスのグラファイト減速材と二酸化炭素冷却材はそのままに、冷却ガスの動作温度を上げて蒸気条件を改善しました。これらは石炭火力発電所のものと同じに作られ、同じ設計のタービンと発電設備を使用できました。設計の初期段階で、燃料被覆をベリリウムからステンレス鋼に変更する必要があることがわかりました。しかし、鋼鉄は中性子断面積が大きいため、この変更を補うために濃縮ウラン燃料を使用する必要がありました。この変更により、燃料 1 トンあたり18,000 MW _t日の燃焼度が高まり、燃料交換の頻度を減らすことができました。

プロトタイプのAGRは1962年にウィンズケールで運用を開始しましたが^[2]、最初の商用AGRがオンラインになったのは1976年になってからでした。1976年から1988年の間に、6つのサイトに合計14基のAGR原子炉が建設されました。これらはすべて、1つの建物に2基の原子炉が配置された構成で、各原子炉の設計熱出力は1,500MW _tで、 660MW _eのタービン発電機セットを駆動します。さまざまなAGRステーションの出力は555MWeから670MWeの範囲ですが、運用上の制約により設計出力よりも低いものもあります。^[3]

AGR は、ボイラー止め弁における最終蒸気条件が従来の石炭火力発電所と同一となるように設計されているため、同じ設計のターボ発電機を使用することができます。原子炉コアから出る高温冷却材の平均温度は、648 °C (1,198 °F) となるように設計されました。このような高温を実現しつつ、グラファイト コアの寿命を確保するために (グラファイトは高温で_CO2と反応します)、ボイラー出口温度が低い 278 °C の冷却材の再入流を利用してグラファイトを冷却し、グラファイトコアの温度がマグノックスステーションと大きく変わらないようにします。過熱器出口温度と圧力は、2,485 psi (170 bar) と 543 °C となるように設計されました 。

燃料はステンレス鋼管に入った濃縮度2.5～3.5%の二酸化ウランペレットです。AGRの当初の設計コンセプトは、ベリリウムベースの被覆管を使用することでした。脆性破壊のため不適切であることが判明したため、^[4]燃料の濃縮レベルを上げて、ステンレス鋼被覆管のより高い中性子捕獲損失を許容するようにしました。これにより、AGRによって生成される電力のコストが大幅に増加しました。二酸化炭素冷却材は炉心内を循環し、640 °C (1,184 °F)、約40 bar (580 psi)の圧力に達し、その後、炉心の外側にあるがまだ鋼で裏打ちされた強化コンクリート圧力容器内にあるボイラー（蒸気発生器）アセンブリを通過します。制御棒はグラファイト減速材を貫通し、制御棒が炉心内に入らなかった場合は、二次システムとして冷却材に窒素を注入して熱中性子を吸収し、核分裂プロセスを停止します。制御棒が十分に下がらずに原子炉を減圧しなければならない場合に備えて、原子炉にホウ素ビーズを注入して作動する三次停止システムも備えている。これは窒素圧力を維持できないことを意味する。^{[5] [6]}

AGR は、約 41% という高い熱効率(発電量 / 発熱量比) を持つように設計されており、これは一般的な熱効率 34% の現代の加圧水型原子炉(PWR) よりも優れています。 ^[7]これは、ガス冷却では冷却材出口温度が約 640 °C (1,184 °F) と、PWR の約 325 °C (617 °F) よりも高いためです。ただし、同じ出力を得るには原子炉の炉心を大きくする必要があり、タイプ 2 燃料の燃料燃焼度は 27,000 MW(th) 日/トン、ロバスト燃料の排出時の燃料燃焼度は最大 34,000 MW(th) 日/トンで、PWR の 40,000 MW(th) 日/トンよりも低いため、燃料の使用効率が低くなり、^[8]熱効率の利点が相殺されます。

マグノックス原子炉、CANDU原子炉、IPHWR原子炉、RBMK原子炉と同様に、 AGRは軽水炉とは対照的に、最初に停止することなく燃料交換できるように設計されている（オンライン燃料交換を参照）。この負荷時燃料交換は、他の原子炉タイプよりもAGRを選択する経済的ケースの重要な部分であり、1965年に中央発電委員会（CEGB）と政府は、AGRは最良の石炭火力発電所よりも安価に電気を生み出すと主張することができました。しかし、全出力での負荷時燃料交換中に燃料集合体の振動問題が発生したため、1988年に全出力での燃料交換は1990年代半ばまで中断されましたが、その後の試験で燃料棒が原子炉の炉心で引っかかるという結果が出ました。現在、AGRでは部分負荷時または停止時のみ燃料交換が行われます。

プレストレストコンクリート製の圧力容器には、原子炉の炉心とボイラーが入っています。容器への貫通部の数を最小限に抑えるため (したがって、破損箇所の数を減らすため)、ボイラーは一貫設計になっており、すべての沸騰と過熱はボイラー管内で行われます。このため、蒸発器内の塩の蓄積とそれに伴う腐食の問題を最小限に抑えるために、超純水を使用する必要があります。

AGR は、米国の軽水炉設計に代わる優れた英国の代替案となることを目指していた。運用上 (経済的ではないとしても) 成功したマグノックス設計の発展形として推進され、ヘリウム冷却超高温炉、蒸気発生重水炉、高速増殖炉といった多数の競合する英国の代替案のほか、米国の加圧水型および沸騰水型軽水炉 (PWR および BWR)、カナダの CANDU 設計の中から選ばれた。CEGB は競合設計の詳細な経済評価を実施し、ダンジネス Bに提案された AGR は、どの競合設計よりも安価で、石炭火力発電所よりも優れた電力を生成するという結論に達した。

AGRの設計には大きな期待が寄せられていた。^[9]ダンジネスB、ヒンクリーポイントB、ハンターストンB、ハートリプール、ヘイシャム の5つのツイン原子炉発電所の野心的な建設計画がすぐに開始され、輸出注文が熱心に期待されていた。

政治的な理由から、CEGB は「第一世代」の注文を 3 つの異なる「設計・建設」コンソーシアムとさまざまな大手下請け業者に分散するよう指示されました。その結果、最初の 3 つの CEGB 発電所は、同じ設計コンセプトと燃料ピン設計を共有しながらも、詳細設計がまったく異なっていました。これにより、3 つのコンソーシアムは限られた数の専門スタッフをめぐって競争しなければならなくなり、各設計に独自の (そして非常に複雑な) 安全ケースが必要となり、プログラムの存続期間中、3 つ (後に 4 つ) の異なる AGR 原子炉設計をサポートする必要が生じました。

AGR発電所は建設が複雑で困難であることが判明した。当時の悪名高い労使関係の悪さも問題に拍車をかけていた。主要発電所であるダンジネスBは1965年に発注され、1970年の完成を目標としていた。原子炉設計のほぼすべての面で問題があった後、13年遅れの1983年にようやく発電を開始した。^[9]

1、2年後に発注されたヒンクリー ポイントとハンターストンの原子炉設計は、ダンジネスの設計よりはるかに優れていることが証明され、ダンジネスより先に稼働しました。ヘイシャム 1 とハートリプールに建設された次の AGR 設計は、発電所の占有面積と補助システムの数を減らすことで、設計の全体的なコストを削減することを目指していました。しかし、これは建設上の困難を招きました。

トルネスとヘイシャム2の最後の2機のAGRは、ヒンクリーの設計を改良し「デバッグ」し、耐震性を大幅に向上させたもので、艦隊の中で最も成功した機体であることが証明された。^[10]元財務省経済顧問のデイビッド・ヘンダーソンは、AGR計画を英国政府が後援した最も費用のかかった2つのプロジェクト失敗の1つと評し、もう1つはコンコルドである。^[11]

1980年代に政府が電力発電産業の民営化に着手したとき、潜在的投資家に対するコスト分析により、実際の運営コストが長年不明瞭であったことが明らかになった。特に廃炉コストは大幅に過小評価されていた。こうした不確実性により、当時の原子力発電は民営化の対象から除外された。 ^[9]

セラフィールド(ウィンズケール)の小規模プロトタイプ AGR は2010 年に廃止されました。炉心と圧力容器が廃止され、建物の「ゴルフ ボール」だけが見える状態になりました。このプロジェクトは、原子炉を安全に廃止するために必要なことの研究でもありました。

2016年10月、原子炉の黒鉛炉心の安定性に関する懸念から、ハンターストンBとヒンクリーポイントBに超関節型制御棒を設置することが発表された。2018年初頭、ハンターストンB原子炉3号機の定期停止中に、モデル化よりもわずかに高い割合で新しいキーウェイルートクラックが観測され、EDFは2018年5月に、さらなる調査、分析、モデル化のために停止を延長すると発表した。^[12]

2018年にONRがダンジネスBで命じた検査では、耐震拘束装置、配管、貯蔵容器が「許容できない状態まで腐食」していたことが判明したが、これは原子炉が稼働していた当時もその状態だったはずである。ONRはこれを国際原子力事象評価尺度でレベル2の事故に分類した。^[13]

2022年8月現在、英国にはそれぞれ2基のAGRが稼働している原子力発電所が4カ所あり、^[14]いずれもEDF Energyが所有・運営している。

2005年にブリティッシュ・エナジーはダンジネスB発電所の寿命を10年間延長し、同発電所は2018年まで稼働を続けると発表しました^[15]。また2007年にはヒンクリー・ポイントB発電所とハンターストンB発電所の寿命を5年間延長し、2016年まで稼働させると発表しました^[16]。他のAGRの寿命延長は、閉鎖予定日の少なくとも3年前には検討される予定です。

2006年以降、ヒンクリーポイントBとハンターストンBはボイラー関連の問題によりボイラー温度を下げて運転する必要があったため、通常のMWe出力の約70％に制限されています。^[16] 2013年には、これらの2つの発電所の電力は、いくつかのプラント改造により通常出力の約80％に増加しました。^[17]

2006年、ガーディアン紙が2000年情報公開法に基づいて入手した文書で、ブリティッシュ・エナジー社は原子炉の炉心にある黒鉛レンガのひび割れの程度を把握していなかったとされ、AGRがニュースになった。また、ブリティッシュ・エナジー社はなぜひび割れが起きたのか分からず、原子炉を停止しなければ炉心を監視できなかったとも主張された。ブリティッシュ・エナジー社は後に声明を発表し、黒鉛レンガのひび割れは広範囲にわたる中性子照射の既知の症状であり、監視問題の解決に取り組んでいることを確認した。また、同社は原子炉は「法定停止」の一環として3年ごとに検査されていると述べた。^[18]

2010年12月17日、EDFエナジーはヘイシャム1とハートリプールの両発電所の寿命を5年間延長し、2019年まで発電を継続できるようにすると発表した。^[19]

2012年2月、EDFは、最近寿命が延長されたヘイシャム1とハートリプールを含むすべてのAGRの平均寿命が7年延長される予定であると発表した。これらの寿命延長は詳細な検討と承認の対象であり、上記の表には含まれていません。^{[20] [21]}

2012年12月4日、EDFはヒンクリーポイントB原子力発電所とハンターストンB原子力発電所の寿命を2016年から2023年まで7年間延長すると発表した。^[22]

2013年11月5日、EDFはハートリプール発電所の寿命を2019年から2024年まで5年間延長すると発表した。^[23]

2013年、ヘイシャム原子炉A1の8基のポッドボイラーのうち1基に定期検査で欠陥が見つかった。原子炉はポッドボイラーを停止した状態で低出力で運転を再開したが、2014年6月に詳細な検査でボイラーの背骨に亀裂があることが確認された。予防措置としてヘイシャムA2と姉妹施設のハートリプール発電所も8週間の検査のために閉鎖された。^{[24] [25]}

2014年10月、ハンターストンB原子炉の黒鉛減速材レンガに新しい種類の亀裂が見つかった。このキーウェイルートの亀裂は以前にも理論化されていたが、観察されたことはなかった。このタイプの亀裂の存在は、原子炉の安全性に直ちに影響を与えるものではないが、亀裂の数が閾値を超えると、亀裂を修復することができないため、原子炉は廃止されることになる。^{[26] [27]}

2015年1月、ダンジネスBは制御室のコンピュータシステムのアップグレードと洪水防御の改善により10年間の耐用年数延長が決定し、会計締め切り日は2028年となった。^[28]

2016年2月、EDFは英国にある8つの原子力発電所のうち4つの寿命を延長した。ヘイシャム1号機とハートリプール号機は寿命が5年延長されて2024年までとなり、ヘイシャム2号機とトーネス号機は閉鎖日が7年延期されて2030年となった。^[29]

2021年6月7日、EDFは、2018年9月から長期停止していたダンジネスB原子力発電所が、即時燃料除去段階に移行すると発表した。^[30]

2021年12月15日、EDFはヘイシャム2とトルネスが2028年3月に閉鎖される予定であると発表した。^[31]

2022年1月7日、ハンターストンB原子炉4号機は最終的に停止され、約47年にわたる稼働に終止符が打たれた。原子炉3号機は2021年11月に燃料除去段階に移行した。^[32]

2022年8月1日にヒンクリーポイントB原子炉3号機が停止し、2022年7月6日に原子炉4号機が停止した。^[33]

2024年12月3日、EDFは英国に残る4基のAGR原子力発電所の寿命を延長すると発表した。ヘイシャム2号機とトーネス号機は2030年までさらに2年間延長され、ヘイシャム1号機とハートリプール号機は2027年まで1年間延長された。^[34]

• 原子炉一覧
• 英国における原子力

• 先進ガス冷却炉（AGR）の一般設計と原理 2017-09-07 にアーカイブ済み、Wayback Machine、IAEA 核グラファイト知識ベース
• 先進ガス冷却炉 - IAEA会議論文、1980 年 9 月
• WAGR プロジェクト - ウィンズケール AGR の廃止
• AGR の推定終了日、貴族院 ハンサードWA232 列、2005 年 2 月 24 日
• ヒンクリーポイントBおよびその他のAGRにおけるグラファイトコア問題のレビュー、グリーンピースのラージ＆アソシエイツ（コンサルティングエンジニア）
• ブリティッシュ・エナジーの分岐ブルース、Nuclear Engineering International、2006 年 11 月 22 日
• トルネス AGR 訪問記、チャーリー・ストロス