CANDU原子炉

CANDU （カナダ重水ウラン）は、カナダの加圧重水炉で、発電に使用されています。^[1]この頭字語は、重水（重水）減速材と（もともとは天然の）ウラン燃料の使用を意味します。CANDU原子炉は、1950年代後半から1960年代にかけて、カナダ原子力公社（AECL）、オンタリオ州水力発電委員会、カナディアン・ゼネラル・エレクトリック、およびその他の企業のパートナーシップによって初めて開発されました。

CANDU原子炉には2つの主要なタイプがあり、1つは 大規模プラントの複数原子炉設備で使用することを意図した約500MW e_の元の設計、もう1つは単独のスタンドアロンユニットまたは小規模な複数ユニットプラントで使用するように設計された600MW _{eクラスの合理化された}CANDU 6です。 CANDU 6ユニットは、ケベック州とニューブランズウィック州のほか、パキスタン、アルゼンチン、韓国、ルーマニア、中国で建設されました。 CANDU 6以外の設計は、1例がインドに販売されました。 複数ユニット設計はカナダのオンタリオ州でのみ使用され、州内にユニットが設置されるにつれてサイズと出力が大きくなり、ダーリントン原子力発電所に設置されたユニットでは約880MW _eに達しました。 CANDU 6に似た方法でより大型のユニットを合理化する取り組みにより、CANDU 9が開発されました。

2000年代初頭までに、他の企業による新しい設計の導入により、オリジナルのCANDU設計の販売見込みは低下しました。AECLはこれに対応して、CANDU 9の開発をキャンセルし、改良型CANDU原子炉（ACR）設計に移行しました。ACRは買い手が見つからず、最後の売却候補はダーリントンの拡張でしたが、これは2009年にキャンセルされました。2011年10月、カナダ連邦政府はCANDU設計をCandu Energy（SNC-Lavalinの完全子会社、現在はAtkinsRéalis Group Inc. ）にライセンス供与し、同社は当時AECLの旧原子炉開発およびマーケティング部門も買収しました。Candu Energyは既存の施設に対するサポートサービスを提供しており、中国核工業集団との提携により、ルーマニアとアルゼンチンで以前中断していた設置を完了させています。 AECLの後継企業であるSNCラバリン社は、アルゼンチン（アトゥチャ3）のほか、中国と英国でも新しいCANDU 6原子炉の販売を進めている。ACR原子炉の販売活動は終了した。

2017年、カナダ天然資源省は産業界との協議の結果、小型モジュール炉（SMR）の開発を目標とした「SMRロードマップ」^[2]を策定した。これを受けて、SNC-LavalinはCANDUの300MW _{e SMRバージョンである}CANDU SMRを開発し、自社のウェブサイトで紹介し始めた。^{[3] 2020年、CANDU SMRはカナダの実証プロジェクトのさらなる設計作業には選ばれなかった。SNC-Lavalinは、}気候変動緩和による需要予測もあり、300MW SMRの販売をまだ検討している。^[4]

CANDU 設計の基本的な動作は、他の原子炉と同様である。原子炉コア内の核分裂反応により、一次冷却ループ内の加圧水が加熱される。熱交換器(蒸気発生器とも呼ばれる) が熱を二次冷却ループに伝達し、二次冷却ループは、発電機が接続された蒸気タービンに動力を供給する(典型的なランキン熱力学サイクルの場合)。タービンからの排気蒸気はその後、冷却され、凝縮され、給水として蒸気発生器に戻される。最終的な冷却には、湖、川、海などの近くの水源からの冷却水がよく使用される。オンタリオ州トロント近郊のダーリントン原子力発電所などの新しい CANDU プラントでは、拡散器を使用して暖かい排出水をより大きな容積に拡散し、環境への影響を制限している。これまでのすべての CANDU プラントはオープンサイクル冷却を使用していたが、現代の CANDU 設計では代わりに冷却塔を使用することができる。^[5]

CANDU の設計が他のほとんどの設計と異なるのは、核分裂炉心と一次冷却ループの詳細です。天然ウランは、主にウラン 238と少量のウラン 235、および微量の他の同位元素の混合物で構成されています。これらの元素の核分裂により高エネルギー中性子が放出され、これにより燃料内の他の²³⁵ U 原子も核分裂を起こす可能性があります。このプロセスは、中性子のエネルギーが反応で自然に放出されるエネルギーよりもはるかに低い場合に、はるかに効果的です。ほとんどの原子炉は、中性子のエネルギーを下げる、つまり「熱化」するために、何らかの形の中性子減速材を使用して、反応をより効率的にします。この減速プロセス中に中性子によって失われたエネルギーは減速材を加熱し、この熱は電力として抽出されます。

商業用原子炉の設計の大半では、減速材として通常の水が使用されている。水は中性子の一部を吸収するため、天然ウランでは反応を継続できないほどである。CANDU では、この「軽い」水を重水に置き換える。重水の余分な中性子により、重水の過剰な中性子吸収能力が低下し、中性子の効率が向上する。これにより、CANDU は、濃縮されていない天然ウラン、またはプルトニウムやトリウムなどのさまざまな他の物質と混合されたウランで稼働できる。これが CANDU 設計の主な目的でした。天然ウランで稼働することで、濃縮のコストが削減されます。これは、核兵器にも使用される可能性のある濃縮施設が不要になるため、核拡散の観点でも利点となります。

従来の軽水炉(LWR) の設計では、核分裂炉心全体が大きな圧力容器内に配置されます。冷却材 1 単位あたりに除去できる熱量は温度の関数です。炉心を加圧することで、水は沸騰する前にはるかに高い温度に加熱できるため、より多くの熱を除去し、炉心をより小型で効率的にすることができます。

必要な大きさの圧力容器を建造するのは大きな課題であり、CANDUの設計当時、カナダの重工業には必要な大きさの原子炉圧力容器を鋳造し機械加工する経験と能力がなかった。この問題は、天然ウラン燃料の核分裂密度が低いためにより大きな原子炉コアが必要となることでさらに深刻になる。この問題は非常に深刻で、当初NPDでの使用を予定していた比較的小型の圧力容器でさえ、建設途中の再設計前には国内で製造することができず、スコットランドで製造しなければならなかった。商業規模の重水減速発電炉に必要な大きさの圧力容器を製造するために必要な技術を国内で開発することは、ほとんど不可能だと考えられていた。^[6]

CANDU では、直径約 10 cm の燃料バンドルが多数の小さな金属管で構成されています。バンドルは、純粋に減速材として機能する追加の重水を含む大型容器内の圧力管に収められています。カランドリアと呼ばれるこの大型容器は加圧されておらず、はるかに低い温度に保たれているため、製造がはるかに簡単です。圧力管からの熱が周囲の減速材に漏れるのを防ぐため、各圧力管はカランドリア管で囲まれています。2つの管の間の隙間にある二酸化炭素ガスは絶縁体として機能します。減速材タンクは、追加の安全機能を提供する大きなヒートシンクとしても機能します。

従来の加圧水型原子炉では、システムに燃料を補給するには炉心を停止し、圧力容器を開く必要があります。CANDU では、燃料補給する 1 本のチューブのみを減圧する必要があります。これにより、CANDU システムを停止することなく継続的に燃料を補給できます。これは、もう 1 つの主要な設計目標です。最新のシステムでは、2 台のロボット マシンが原子炉の表面に取り付けられ、圧力チューブのエンド キャップを開きます。1 台のマシンが新しい燃料を押し込むと、使い果たした燃料が押し出され、もう一方の端で収集されます。オンライン燃料補給の大きな運用上の利点は、破損または漏れのある燃料バンドルが特定されると、それを炉心から取り除くことができるため、一次冷却ループ内の放射線レベルが低減されることです。

各燃料バンドルは、ウラン酸化物燃料のセラミックペレット（燃料要素）を充填した細いチューブを組み立てた円筒形です。古い設計では、バンドルには 28 個または 37 個の 0.5 メートルの燃料要素があり、12～13 個のそのようなアセンブリが圧力チューブ内に端から端まで並んでいました。新しいCANFLEXバンドルには 43 個の燃料要素があり、要素のサイズは 2 種類あります（そのため、最も高温の燃料要素を溶融させることなく、出力定格を上げることができます）。直径は約 10 センチメートル（3.9 インチ）、長さは 0.5 メートル（20 インチ）、重さは約 20 キログラム（44 ポンド）で、最終的には 37 要素のバンドルを置き換えることになっています。バンドル間で中性子が自由に流れるように、チューブとバンドルは中性子透過性のジルカロイ（ジルコニウム+ 2.5 重量% のニオブ） で作られています。

天然ウランは同位体の混合物で、原子分率で約 99.28% のウラン 238と 0.72% のウラン 235です。原子力発電所は通常、長時間にわたって一定の出力で運転されるため、時間の経過に伴って一定の核分裂率が必要です。核分裂率を一定に保つには、核分裂で放出された中性子が他の燃料原子で同数の核分裂を起こさなければなりません。このバランスは「臨界」と呼ばれます。核分裂で放出された中性子はかなりのエネルギーがあり、周囲の核分裂性物質に容易に吸収 (または「捕捉」) されません。捕捉率を改善するには、中性子のエネルギーを可能な限り低く抑える (または「減速」する) 必要があります。実際には、エネルギーの下限は、中性子が減速材と熱平衡状態にあるエネルギーです。中性子がこの下限エネルギーに近づくと、「熱中性子」と呼ばれます。

減速中は、ウラン²³⁸は中エネルギー中性子に対する親和性が高い（「共鳴」吸収）が、容易に核分裂するのは ≈1.5～2  MeVを超える少数の高エネルギー中性子のみであるため、中性子とウランを分離するのに役立ちます。燃料物質のほとんどは通常²³⁸ U であるため、ほとんどの原子炉設計は減速材で分離された薄い燃料棒に基づいており、中性子は減速材内を移動してから再び燃料に入ることができます。連鎖反応を維持するために必要な最小限よりも多くの中性子が放出されます。ウラン 238 が中性子を吸収すると、プルトニウムが生成され、ウラン 235 の減少を補うのに役立ちます。最終的には、²³⁸ Uよりも中性子を吸収する核分裂生成物が蓄積して反応が遅くなり、燃料補給が必要になります。

軽水は優れた減速材となる。軽い水素原子は質量が中性子に非常に近く、1 回の衝突で多くのエネルギーを吸収できる (2 つのビリヤード ボールの衝突のように)。しかし、軽い水素は中性子を吸収するため、天然ウランに含まれる少量の²³⁵ U と反応できる中性子の数が減り、臨界が妨げられる。臨界を可能にするには、燃料を濃縮して²³⁵ Uの量を使用可能なレベルまで増やす必要がある。軽水炉では、燃料は通常 2% ～ 5% の^{235 U に濃縮される ( 235} Uが少ない残りの部分は劣化ウランと呼ばれる)。濃縮施設の建設と運用には費用がかかる。また、濃縮施設では²³⁵ U をさらに兵器級物質 ( ²³⁵ U が 90% 以上) まで濃縮できるため、核拡散の懸念も生じる可能性がある。この問題は、燃料が国際的に承認された供給者によって供給され、再処理されれば解決できる。

重水 減速材が軽水減速材よりも優れている点は、連鎖反応を持続させる中性子の吸収が少なく、核分裂性原子の濃度を低く抑えられることです (濃縮されていない天然ウラン燃料を使用する程度まで)。重水素(「重水素」) には、軽水素が吸収する余分な中性子がすでに含まれているため、中性子を捕獲する傾向が低くなります。重水素の質量は中性子 1 個の 2 倍です (軽水素の質量はほぼ同じです)。この不一致により、中性子を減速させるにはより多くの衝突が必要になり、燃料棒間の減速材の厚さが大きくなります。これにより、原子炉の炉心のサイズが大きくなり、中性子の漏洩が増えます。これは、カランドリア設計の実際的な理由でもあります。そうでなければ、非常に大きな圧力容器が必要になります。^{[7]天然ウランの235} U の密度が低いということは、核分裂率が臨界を維持できなくなるまでに消費される燃料が少なくなることも意味します。これは、 ²³⁵ U と核分裂生成物 + ²³⁸ U の比率が低いためです。CANDU では、減速材の大部分が他の設計よりも低温であるため、減速材粒子の速度の広がりと全体的な速度が低下します。これは、ほとんどの中性子がより低いエネルギーになり、核分裂を引き起こす可能性が高くなることを意味します。そのため、CANDU は天然ウランを「燃焼」するだけでなく、より効率的に燃焼します。全体として、CANDU 原子炉は、発電量あたり軽水原子炉よりも採掘されたウランを 30～40% 少なく使用します。これは重水設計の大きな利点です。必要な燃料が少ないだけでなく、燃料を濃縮する必要がないため、コストも大幅に削減されます。

重水減速のさらなるユニークな特徴は、連鎖反応の安定性が高いことです。これは、重水素原子核の結合エネルギーが比較的低い（2.2 MeV）ためであり、一部の高エネルギー中性子、特にガンマ線が重水素原子核を破壊して余分な中性子を生成します。核分裂によって直接生成されるガンマ線と核分裂片の崩壊によって生成されるガンマ線はどちらも十分なエネルギーがあり、核分裂片の半減期は数秒から数時間、さらには数年に及びます。これらのガンマ生成中性子の応答が遅いため、原子炉の応答が遅れ、緊急時にオペレーターに余分な時間を与えることができます。ガンマ線は水中を数メートル移動するため、原子炉の一部で連鎖反応の速度が速まると、原子炉の残りの部分から応答が生じ、さまざまな負のフィードバックによって反応が安定します。

一方、核分裂中性子は他の燃料棒に到達する前に完全に減速されるため、中性子が原子炉のある部分から他の部分に移動するにはより長い時間がかかります。したがって、原子炉のあるセクションで連鎖反応が加速した場合、その変化は炉心の残りの部分にゆっくりとしか伝播せず、緊急時に対応する時間があります。中性子のエネルギーが使用される核燃料から独立していることが、CANDU原子炉におけるこのような燃料の柔軟性を可能にしています。核分裂性物質がウラン235、ウラン233、またはプルトニウムのいずれであっても、すべての燃料バンドルは同じ環境にさらされ、同じように隣接する燃料バンドルに影響を与えるからです。

カナダは、濃縮施設を利用できない中で核エネルギーを研究するため、第二次世界大戦後に重水減速設計を開発しました。戦時中の濃縮システムは建設と運用に非常に費用がかかりましたが、重水溶液により実験用ZEEP原子炉で天然ウランを使用できました。はるかに安価な濃縮システムが開発されましたが、米国はより安価なガス遠心分離法の研究を機密扱いにしました。そのため、CANDU は天然ウランを使用するように設計されました。

CANDU の設計には、アクティブおよびパッシブの安全機能が数多く組み込まれています。これらの機能の一部は、システムの物理的なレイアウトによる副作用です。

CANDU 設計では、正のボイド係数と小さな出力係数があり、これは通常、原子炉設計では好ましくないと考えられています。これは、冷却材で発生した蒸気が反応速度を上昇させ、その結果、より多くの蒸気が発生することを意味します。これは、カランドリアの減速材の質量が低温である多くの理由の 1 つであり、炉心で深刻な蒸気事故が発生しても、全体的な減速サイクルに大きな影響はありません。減速材自体が沸騰し始めた場合にのみ、重大な影響が生じますが、大きな熱質量により、これはゆっくりと発生します。CANDU の核分裂プロセスの応答は意図的に「緩慢」であるため、コントローラーは問題を診断して対処する時間を増やすことができます。^[8]

燃料チャンネルは、機械的に健全な場合にのみ臨界状態を維持できる。燃料バンドルの温度が機械的に不安定なレベルまで上昇すると、水平配置のため重力で曲がり、バンドルの配置がずれ、反応の効率が低下する。元の燃料配置は連鎖反応に最適であり、天然ウラン燃料には過剰な反応性がほとんどないため、大きな変形は燃料ペレット間の核分裂反応を停止させる。核分裂生成物の崩壊による熱生成は止まらず、かなりの熱出力が引き続き発生する。このプロセスにより燃料バンドルがさらに弱まると、バンドルが入っている圧力管は最終的にカランドリア管に触れるほど曲がり、熱が効率的に減速材タンクに伝達されるようになる。減速材容器はそれ自体にかなりの熱容量があり、通常は比較的低温に保たれている。^[8]

核分裂生成物によって発生する熱は、当初は原子炉の全出力の約7%になるため、かなりの冷却が必要となる。CANDU設計には複数の緊急冷却システムがあり、熱的手段による自己ポンプ能力も限られている（蒸気発生器は原子炉よりかなり上にある）。壊滅的な事故や炉心溶融の場合でも、軽水では燃料は危険ではない。^[8]これは、近くの水源から炉心を冷却しても、燃料塊の反応性は増加しないことを意味する。

通常、核分裂の速度は、過剰な中性子を吸収する液体ゾーン コントローラと呼ばれる軽水コンパートメントと、中性子束を制御するために炉心内で上げ下げできる調整棒によって制御されます。これらは通常の操作に使用され、コントローラが燃料塊全体の反応性を調整できるようにします。通常、異なる部分は位置に応じて異なる速度で燃焼するためです。調整棒は臨界を遅らせたり停止したりするためにも使用できます。これらの棒は高圧燃料管ではなく低圧カランドリアに挿入されるため、多くの加圧水型原子炉の設計上の問題である蒸気によって「排出」されることはありません。

独立した2つの高速安全停止システムもあります。遮断棒は電磁石によって原子炉の上に保持され、重力によって炉心に落下して臨界を迅速に終わらせます。このシステムは、電源が完全に失われた場合でも機能します。なぜなら、電磁石は電源が利用できる場合にのみ遮断棒を原子炉から外に保持するからです。二次システムは、高圧硝酸ガドリニウム中性子吸収剤溶液をカランドリアに注入します。^[9]

重水設計では、軽水炉よりも低い核分裂性原子の濃度で連鎖反応を維持できるため、使用済み軽水炉燃料からの「回収ウラン」（RU）などの代替燃料を使用できます。CANDUは²³⁵ Uがわずか0.7%の天然ウラン用に設計されたため 、 ²³⁵ Uが0.9%の再処理ウランは 比較的豊富な燃料です。これにより、ウランからさらに30～40%のエネルギーが抽出されます。中国の秦山CANDU原子炉は回収ウランを使用しています。^[10]開発中のDUPIC（使用済みPWR燃料をCANDUに直接使用する）プロセスでは、再処理しなくてもリサイクルできます。燃料は空気（酸化）で焼結され、次に水素（還元）で焼結されて粉末になり、次にCANDU燃料ペレットに成形されます。

CANDU原子炉は、より豊富なトリウムから燃料を生成することもできる。インドは、天然のトリウム埋蔵量を活用するためにこれを研究している。 ^[1]

CANDU は、 LWR よりもさらに優れた点として、ウランとプルトニウムの酸化物の混合物 ( MOX 燃料) を利用できます。プルトニウムは、解体された核兵器または再処理された原子炉燃料のいずれかから得られます。再処理されたプルトニウムの同位体の混合物は、兵器には適していませんが、燃料として使用できます (単なる核廃棄物ではなく)。また、兵器級プルトニウムを消費することで、核拡散の危険性を排除できます。使用済み燃料からプルトニウムまたはその他のアクチニドを利用することが明確な目的である場合、MOX よりも効率的にこれを行うために、特別な不活性マトリックス燃料が提案されています。これらの燃料にはウランが含まれていないため、余分なプルトニウムは生成されません。

重水減速による中性子経済性とオンライン燃料交換の精密制御により、CANDUでは濃縮ウラン以外の幅広い燃料、例えば天然ウラン、再処理ウラン、トリウム、プルトニウム、使用済み軽水炉燃料を使用できる。濃縮の費用を考慮すると、これにより燃料を大幅に安くすることができる。炉心と熱伝達システムを満たすために、純度99.75%の^[11]重水が何トンも必要となる。ダーリントン発電所の場合、情報公開法の要請により公開された費用によると、発電所（原子炉4基、_総出力3,512MW）の一晩の費用は51億1,700万カナダドル（1990年代初頭の為替レートで約42億米ドル）となった。利息を含む総資本コストは143億1900万カナダドル（約119億米ドル）で、そのうち重水コストは15億2800万カナダドル、つまり11％を占めた。^[12]

重水は軽水よりも中性子を減速させる効率が悪いため、^[13] CANDUでは同じ出力を得るために、より大きな減速材対燃料比とより大きな炉心が必要となる。カランドリアベースの炉心は建造コストが安いものの、そのサイズによって格納容器建屋などの標準機能のコストが増加する。一般に、原子力発電所の建設と運用は生涯コストの約65%を占めるが、CANDUの場合、コストの大部分は建設費である。CANDUの燃料費は他の原子炉よりも安く、全体の約10%に過ぎないため、1kWhあたりの電力の総価格は同程度である。次世代の改良型CANDU原子炉（ACR）は、軽水冷却材を使用し、減速材を少なくしたよりコンパクトな炉心を使用することで、これらの欠点を軽減している。

CANDU は最初に導入されたとき、同世代の LWR よりもはるかに優れた設備利用率(発電電力と、全出力で 100% 稼働した場合に発電される電力の比率) を提供しました。軽水炉の設計では、平均して燃料交換やメンテナンスに約半分の時間を費やしていました。1980 年代以降、LWR 停止管理の劇的な改善^{[ which? ]}によってその差は縮まり、いくつかのユニットでは設備利用率が約 90% 以上に達し、2010 年の米国の原子炉全体のパフォーマンスは 92% でした。 ^[14]最新世代の CANDU 6 原子炉の設備利用率は 88～90% ですが、全体的なパフォーマンスは、設備利用率が約 80% のカナダの旧式ユニットが支配しています。^[15] 改修されたユニットは歴史的に約 65% と低いパフォーマンスを示してきました。^[16] その後、ブルース原子力発電所のA1号機とA2号機が再稼働し、改修後（2013年以降）の設備利用率はそれぞれ90.78%と90.38%に改善しました。^[17]

いくつかのCANDU発電所は建設中にコスト超過に見舞われたが、これは政府の措置などの外的要因によるものが多かった。^[18]たとえば、オンタリオ州トロント近郊のダーリントン原子力発電所では、度重なる建設遅延によりコストが約2倍になった。技術的な問題や再設計により、最終的な価格は144億ドルとなり、さらに約10億ドルが上乗せされた。^[19]一方、2002年には中国の秦山にある2基のCANDU6原子炉が予定通り予算内で完成したが、これは範囲とスケジュールを厳密に管理したことによる成果である。^[20]

核兵器拡散に対する保障措置の点では、CANDUは他の原子炉と同程度の国際認証を満たしている。^{[21]インド初の核爆発である1974年の}スマイリング・ブッダ作戦で使用されたプルトニウムは、米国が供給した重水を使用し、カナダ政府が一部費用を負担したCIRUS原子炉で生産された。 ^[22]インドは2基のPHWR原子炉に加え、CANDU設計に基づく保障措置付き加圧重水炉（PHWR）と、米国が供給した保障措置付き軽水炉2基を保有している。プルトニウムはこれらすべての原子炉の使用済み燃料から抽出されている。^{[23]インドは主にインドが設計・建造した}Dhruvaと呼ばれる軍用原子炉に依存している。この設計はCIRUS原子炉から派生したものと考えられており、Dhruvaはより効率的なプルトニウム生産のためにスケールアップされている。この原子炉は、インドの最近の（1998年）シャクティ核実験のためのプルトニウムを生産したと考えられている。^[24]

重水は中性子捕獲の影響を比較的受けにくいが、少量の重水素はこのようにして三重水素に変わる。この三重水素は、主に重水漏れの際の安全性向上のために、カナダのいくつかのCANDUプラントから抽出される。このガスは備蓄され、さまざまな商用製品、特に「無電源」照明システムや医療機器に使用されている。1985年、当時のオンタリオ・ハイドロ社が米国に三重水素を販売する計画でオンタリオ州で論争を巻き起こした。この計画は法律により非軍事用途への販売のみを対象としていたが、輸出によって米国の核兵器計画のために米国産の三重水素が解放された可能性があると推測する者もいた。将来の需要、特にITERのような次世代の実験用核融合炉の需要は生産を上回っているようで、核融合炉を始動させるには最大10kgの三重水素が必要であり、艦隊には数十キログラムが必要となる。 2003年までにダーリントン分離施設で年間1.5～2.1キログラム（3.3～4.6ポンド）のトリチウムが回収され、その少量が販売されました。^{[25] : 10}その結果、カナダ原子力研究所は2024年に、既存のCANDUプラントを改修し、トリチウム増殖施設を装備するという数十年にわたるプログラムを発表しました。^[26]

1998年にインドで行われたシャクティ作戦の一連の実験には、TNT換算で約45キロトン（190 TJ）の威力を持つ爆弾が1つ含まれていたが、インドはこれを水素爆弾​​であると公式に主張している。BARCの出版物「重水 - 特性、生産、分析」の何気ないコメントによると、商業運転中のCANDU原子炉とPHWR原子炉の重水からトリチウムが抽出されたようだ。ジェーンズ・インテリジェンス・レビューは、インド原子力委員会の委員長がトリチウム抽出プラントの存在を認めたものの、その使用についてはコメントを拒んだと伝えている。^[27]インドは原子炉でリチウム6を照射することで、より効率的にトリチウムを生成することもできる。

トリチウム（^{3H ）は}水素の放射性同位体で、半減期は12.3年です。自然界では上層大気での宇宙線との相互作用により少量（全世界で年間約4kg）生成されます。トリチウムは放射性放出エネルギーが低い（ベータ粒子エネルギーは最大18.6keV）ため、弱い放射性核種と考えられています。 ^[28] ベータ粒子は空気中を6mm移動し、皮膚を6マイクロメートルまでしか透過しません。吸入、摂取、または吸収されたトリチウムの生物学的半減期は10～12日です。^[29]

トリチウムはすべての原子炉の燃料で生成されます。CANDU 原子炉は、重水素の中性子捕獲により、冷却材と減速材でもトリチウムを生成します。このトリチウムの一部は格納容器に漏れ出し、通常は回収されます。わずかな割合 (約 1%) が格納容器から漏れ出し、通常の放射性放出とみなされます (これも同等サイズの LWR よりも高い)。したがって、CANDU プラントの責任ある運用には、周辺環境のトリチウムの監視 (および結果の公開) が含まれます。

一部のCANDU原子炉では、トリチウムが定期的に抽出される。カナダのCANDUプラントからの典型的な排出量は、国際放射線防護委員会（ICRP）のガイドラインに基づく国の規制限度の1％未満である^[30]（例えば、カナダの飲料水中のトリチウムの最大許容濃度は^[31] 7,000  Bq / Lで、これはICRPの一般市民に対する線量限度の1/10に相当する）。他のCANDUプラントからのトリチウム排出量も同様に低い。^{[28] [32]}

一般的に、原子力発電所からの放射能放出については大きな論争があり、CANDU発電所の場合、主な懸念事項の1つはトリチウムです。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に関する批判を発表しました^[28]。^[33]この報告書はリチャード・オズボーンによって批判されました^[34]。^[35]

CANDU開発は、時間の経過とともに4つの主要な段階を経てきました。最初のシステムは、限られた出力の実験的およびプロトタイプのマシンでした。これらは、500〜600MW _eの第2世代マシン（CANDU 6）、900MW _eの一連のより大型のマシンに置き換えられ、最終的にCANDU 9とACR-1000の取り組みに発展しました。^{[36] [37]}

カナダで最初の重水減速炉の設計はZEEPで、第二次世界大戦の終結直後に運転を開始した。ZEEPには、1947年のNRX 、1957年のNRUなど、いくつかの実験機が加わった。これらの努力により、オンタリオ州ロルフトンで最初のCANDU型原子炉である原子力実証炉（NPD）が完成した。これは概念実証を目的としており、定格出力はわずか22MW eで 、_商用発電炉としては非常に低い出力だった。NPDはカナダで最初の原子力発電を生産し、1962年から1987年まで正常に稼働した。^{[38] [39]}

2番目のCANDUはダグラスポイント原子炉で、定格出力が約200MW _eのより強力なバージョンで、オンタリオ州キンカーディンの近くにありました。1968年に稼働し、1984年まで稼働しました。CANDU発電所の中では珍しく、ダグラスポイントには原子炉が稼働しているときでも原子炉の東面が見える油で満たされた窓がありました。ダグラスポイントは当初2ユニットの発電所として計画されていましたが、ピカリングのより大きな515MW _e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ました。^{[40] [41]}

ケベック州トロワリヴィエール近郊のベカンクールにあるジャンティイ1号炉も、沸騰軽水冷却材と垂直圧力管を使用したCANDUの実験版であったが、成功とはみなされず、7年間の断続的な運転の後に閉鎖された。^{[42] CANDU-6原子炉であるジャンティイ2号炉は1983年に運転を開始した。2012年9月に}ケベック党新政権がジャンティイを閉鎖すると発表したことを受けて、運営会社のハイドロ・ケベックは、経済的な理由から、以前に発表されていた発電所の改修をキャンセルし、2012年末に閉鎖すると発表した。同社は、 18億ドルの費用がかかると見積もられている50年間の廃止措置プロセスを開始した。 ^[43]

古典的なCANDU設計と並行して、実験的な変種が開発されていた。マニトバ州ピナワにあるAECLのホワイトシェル研究所にあるWR-1は、垂直圧力管と有機油を主な冷却材として使用した。使用された油は水よりも沸点が高いため、従来の原子炉よりも高温低圧で原子炉を稼働させることができる。WR-1の出口温度はCANDU 6の公称310℃と比較して約490℃であった。高温とそれに伴う熱力学的効率は、油の熱容量が水の約半分であるという事実をある程度相殺する。高温により、蒸気、そして最終的には電気への変換効率も向上する。WR-1は長年にわたって正常に稼働し、水冷バージョンよりも大幅に高い効率が約束されていた。^{[44] [45]}

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発電所を建設することが決定されました。ユニット 1 から 4 で構成されるピカリング A は、1971 年に運用を開始しました。ユニット 5 から 8 で構成されるピカリング B は、1983 年にオンラインになり、フル ステーションの容量は 4,120 MW _{eになりました。この発電所は、}送電コストを削減するために、トロント市のすぐ近くにあります。

ピカリングの基本設計に一連の改良が加えられ、1980年代初頭に初めて稼働したCANDU 6設計が生まれました。CANDU 6は、基本的にピカリング発電所のバージョンであり、単炉ユニットで建設できるように再設計されました。CANDU 6は、ケベック州のジェンティリー2やニューブランズウィック州のポイント・レプロー原子力発電所など、オンタリオ州以外のいくつかの施設で使用されました。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め、外国のCANDUシステムの大部分を占めています。インドのみが、CANDU 6設計に基づいていないCANDUシステムを運用しています。

原子力発電所の経済性は、一般的に規模に応じて向上します。規模が大きくなると経済性が向上しますが、その分、電力網に大量の電力が突然流れ込むため、需要と供給の影響で電気料金が下がります。1960 年代後半の予測では、電力需要の増加がこうした価格低下圧力を上回り、ほとんどの設計者が 1000 MW _eクラスの発電所を導入すると予想されていました。

ピカリングAのすぐ後に、ブルース原子力発電所でも同様の規模拡大の取り組みが行われ、1970年から1987年にかけて段階的に建設された。同発電所は北米最大、世界第2位の規模（日本の柏崎刈羽に次ぐ）の原子力施設で、原子炉8基の発電出力はそれぞれ約800MW _e、合計で6,232MW（正味）、7,276MW（総出力）となっている。もう1つの小規模な規模拡大により、ダーリントン原子力発電所の設計が生まれた。ブルース発電所に似ているが、原子炉4基の発電所で原子炉1基当たり 約880MW _{eを出力している。}

ピカリング設計がCANDU 6に発展したのと同様に、ブルース設計も同様のCANDU 9に発展した。^[46] CANDU 6と同様に、CANDU 9は基本的にブルース設計を再パッケージ化したものなので、単一原子炉ユニットとして建設できる。CANDU 9原子炉は建設されていない。

1980年代から1990年代にかけて原子力市場は大きな崩壊に見舞われ、北米やヨーロッパでは新しい原子力発電所はほとんど建設されなかった。その間も設計作業は続けられ、安全性、資本コスト、経済性、全体的な性能を劇的に改善する新しい設計コンセプトが導入された。これらの第3世代+および第4世代の原子力発電所は、2000年代初頭に原子力復興が進行中であり、今後10年間で多数の新しい原子炉が建設されるだろうと見られ、大きな関心を集めた。 ^[47]

_{AECLは、CANDU 6とCANDU 9の最新バージョンの要素を使用して、設計出力700MW e}のACR-700と呼ばれる設計に取り組んでいました。^[37]原子力ルネッサンスの期間中、初期のアップスケール化が再び現れ、ACR-700は1200MW _eのACR-1000に開発されました。ACR-1000は次世代（正式には「第3世代+」）CANDU技術であり、既存のCANDU設計にいくつかの重要な変更を加えています。^[48]

CANDU世代の中で最大の、そして最も根本的な変更点は、冷却材として加圧軽水を使用することです。これにより、高価な重水で満たす必要がなくなり、一次冷却ループの実装コストが大幅に削減されます。ACR-1000は、以前の世代の設計で必要な重水の約3分の1を使用します。また、運用中のCANDU設計でトリチウム漏れの主な原因である冷却ループでのトリチウム生成を排除します。再設計により、すべてのGen III+マシンの主要な設計目標であるわずかに負のボイド反応度も可能になりました。^[48]

この設計では、約1～2%濃縮された低濃縮ウランも使用する必要がある。その主な理由は、燃焼率を高めて燃料束を原子炉内に長く留まらせ、使用済み燃料が3分の1しか生成されないようにするためである。また、燃料交換頻度が減るため、運用コストとスケジュールにも影響がある。以前のCANDU設計と同様に、ACR-1000でもオンライン燃料交換が可能である。^[48]

原子炉の外では、ACR-1000には、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いくつかの設計変更があります。これらの変更の主なものは、60年の設計寿命であり、これにより、発電所の寿命中に生成される電力の価格が大幅に下がります。この設計では、90％の稼働率が期待されています。高圧蒸気発生器とタービンにより、原子炉下流の効率が向上します。^[48]

運用設計の変更の多くは、既存のCANDU 6にも適用され、強化CANDU 6が製造されました。CANDU 6eまたはEC 6としても知られるこの原子炉は、ユニットあたり740MW _eの総出力を備えたCANDU 6設計の進化型アップグレードでした。原子炉は50年以上の耐用年数を想定して設計されており、燃料チャネルなどの主要コンポーネントの一部を交換する中間寿命プログラムがあります。予測される平均年間稼働率は90％以上です。建設技術の改善（モジュール式、オープントップアセンブリを含む）により、建設コストが削減されています。CANDU 6eは、50％という低い出力設定で動作するように設計されており、以前の設計よりもはるかに優れた負荷需要への調整が可能です。^[49]

ほとんどの基準からすると、CANDU は「オンタリオの原子炉」である。このシステムはほぼ完全にオンタリオで開発され、他の州で建設されたのは 2 つの実験設計のみである。建設された 29 基の商用 CANDU 原子炉のうち、22 基はオンタリオにある。この 22 基のうち、いくつかの原子炉は運用を停止している。カナダ政府の資金援助を受けて、ダーリントンに 2 基の新しい CANDU 原子炉が提案されているが^[50]、これらの計画はコストの高さから 2009 年に終了した。^[51]

AECL はカナダ国内で CANDU を積極的に宣伝しているが、反応は限られている。現在までに、他の州では非実験用原子炉が 2 基建設されたのみで、ケベック州とニューブランズウィック州にそれぞれ 1 基ずつ建設されている。他の州では水力発電所と石炭火力発電所に力を入れている。カナダのいくつかの州では、大量の水力発電が開発されている。アルバータ州とサスカチュワン州には水力資源があまりなく、発電には主に化石燃料を使用している。

西カナダでも関心が表明されており、そこではCANDU原子炉が、現在天然ガスを使用しているエネルギー集約型のオイルサンド抽出プロセスの熱源および電力源として検討されている。エナジー・アルバータ・コーポレーションは2007年8月27日、ラック・カーディナル（アルバータ州ピース・リバーの町の西30km ）に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。2基のACR-1000原子炉は2017年に稼働を開始し、2.2ギガワット（電力）を生産する予定である。^[52] 2007年の議会の検討では、開発努力を保留することが提案された。^[53]その後、同社はブルース・パワーに買収され、^[54]合計4.4ギガワットのユニット4基への拡張を提案した。^[55]これらの計画は混乱し、ブルースは後にラック・カーディナルへの申請を取り下げ、代わりに約60km離れた新しい場所を提案した。^[56]国民との広範な協議の結果、国民の約5分の1が原子炉に前向きである一方、 4分の1が反対していることが判明したため、計画は現在頓挫している。^{[57] [58]}

1970 年代、国際原子力販売市場は熾烈な競争が繰り広げられ、多くの国営原子力企業が自国の外国大使館の支援を受けていた。さらに、米国では建設が順調に進んでいたため、コスト超過や完成の遅れはほぼ解消されており、その後の原子炉はより安価になるはずだった。国際市場では比較的新しい存在だったカナダは、こうした取り組みにおいて多くの不利な点を抱えていた。CANDU は、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ており、大きな産業基盤を持たない国でも建設できるようになっている。販売活動は、他の企業の設計を現地で製造できない国で最も成功を収めた。

1970年代後半、AECLは、原子炉の販売ごとに3,600人のカナダ人が雇用され、3億ドルの国際収支収入が得られると指摘した。^[59]これらの販売活動は主に独裁政権またはそれに類似する国をターゲットにしており、議会で深刻な懸念を引き起こした。^[60]これらの活動はまた、何百万ドルものお金が外国の販売代理店に渡されたが、彼らが誰であるか、また彼らがそのお金をどうやって稼いだのかについての記録がほとんどまたは全くなかったことが発覚し、スキャンダルを招いた。 ^{[61]アルゼンチンでの販売活動に疑問が提起された後、}カナダ騎馬警察による捜査が行われ、将来の販売に関する手数料の完全開示に関する新しい規制が制定された。^[62]

CANDUの最初の成功は、初期のCANDU設計をインドに販売したことだった。1963年、ダグラスポイント原子炉をベースにした200MWeの発電炉の輸出契約が締結された。この取引の成功により、1966年に同じ設計の2番目の原子炉が販売された。最初の原子炉は当時「ラジャスタン原子力発電プロジェクト」の略称でRAPP-1と呼ばれ、1972年に運転を開始した。原子炉のエンドシールドに亀裂が生じるという深刻な問題により、原子炉は長期間停止し、最終的に出力は100MWにダウンレートされた。^{[63]インドが1974年に最初の}原子爆弾を爆発させたとき、RAPP-2原子炉の建設はまだ進行中であり、カナダはインドとの核取引を終了した。販売契約の一部には技術移転プロセスが含まれていた。カナダが開発から撤退した後も、インドは国中でCANDUのようなプラントの建設を続けた。^[64] 2010年までに、CANDUベースの原子炉は、カイガ（3基）、カクラパル（2基）、マドラス（2基）、ナロラ（2基）、ラジャスタン（6基）、タラプル（2基）で稼働していました。

パキスタンでは、総出力137MWのカラチ原子力発電所_が1966年から1971年にかけて建設されました。

1972年、AECLはイタリアの企業イタリンピアンティと提携し、ピカリング発電所を基にした設計をアルゼンチンの原子力エネルギー委員会に提出した。建設中の高インフレにより巨額の損失が発生し、契約再交渉の努力は1976年3月のビデラ将軍率いるクーデターによって中断された。エンバルセ原子力発電所は1984年1月に商業運転を開始した。 ^[65]カナダ、中国、アルゼンチン間の2007年の契約を含め、国内でさらに多くのCANDU 6原子炉を開設するための交渉が進行中であるが、現在まで確定した計画は発表されていない。^[66]

ルーマニアとのライセンス契約は1977年に締結され、最初の4基については1基あたり500万ドル、次の12基については1基あたり200万ドルでCANDU 6の設計を販売した。さらに、カナダの企業は原子炉にさまざまな量の機器を供給することになり、最初の原子炉の8億ドルの価格のうち約1億ドルが供給され、その後は時間の経過とともに減少した。1980年、ニコラエ・チャウシェスクは現金ではなく物品を提供するように変更を求め、その代わりにカナダのコンテンツの量を増やし、2基目の原子炉をカナダの支援で建設することを要求した。建設段階を通じて国の経済問題は悪化した。チェルナヴォダ原子力発電所の最初の原子炉は、1985年12月に予測された稼働開始から10年後の1996年4月にようやく稼働を開始した。^[67] 2基目の原子炉の完成のためにさらなる融資が手配され、2007年11月に稼働を開始した。^[68]

1975年1月、韓国にCANDU -6原子炉1基を建設する契約が発表された。これは現在ウォルソン1号原子炉として知られている。建設は1977年に始まり、1983年4月に商業運転が開始された。1990年12月には、同じ場所にさらに3基の原子炉を建設する契約が発表され、1997年から1999年にかけて運転が開始された。^[69]韓国はまた、ウェスティングハウス社と先進的なシステム80原子炉設計の開発および技術移転契約を交渉しており、今後の開発はすべてこの原子炉の国内製造バージョンに基づいている。^[70]

1998年6月、秦山原子力発電所でCANDU-6原子炉の建設が開始された。これは計画されていた11基の施設の第3フェーズ（4号機と5号機）である。商業運転はそれぞれ2002年12月と2003年7月に開始された。これらは中国初の重水炉である。秦山は、オープントップ原子炉建屋建設を採用した最初のCANDU-6プロジェクトであり、商業運転が予定日より早く開始された最初のプロジェクトである。^[71]

CANDUエナジーは中国での販売活動を続けている。^[72]さらに、中国とアルゼンチンは700MWeのCANDU-6派生型原子炉を建設する契約に合意した。建設は2018年にアトゥチャで開始される予定である。^{[73] [74]}

どの発電所の電気のコストも、ほぼ同じ要素で計算できる。建設にかかる資本コスト、またはその資本を確保するためのローンの支払い、ワット時あたりの燃料コスト、固定および変動のメンテナンス料金である。原子力の場合、通常、永久廃棄物処理コストと耐用年数が経過した発電所の廃止コストという2つの追加コストが含まれる。一般的に、原子力発電の価格は資本コストによって大きく左右される。これは、発電量が非常に大きいため、燃料とメンテナンスのコストを圧倒するためである。^[75]世界原子力協会は、すべての処理を含む燃料コストは、1kWhあたり1セント（0.01米ドル）未満であると計算している。^[76]

CANDU の経済的パフォーマンスに関する情報は、いくぶん偏っている。原子炉の大半はオンタリオ州にあり、主要な CANDU 事業者の中でも「最も公に」されている。オンタリオクリーンエアアライアンス (OCAA) やペンビナなどの反核団体は、オンタリオ州のすべての CANDU 設計が少なくとも 25% 予算を超過し、平均すると推定より 150% 以上も高かったと主張している。^[77]しかし、これはインフレ調整されていない「その日のドル」の数字を使用することを前提としている。インフレを考慮すると、ダーリントンを除くすべての発電所は予算内または予算内だった。^[要出典]インフレを考慮しても、ダーリントンは当初の見積もりの​​ほぼ 2 倍と大幅に予算を超過したが、このプロジェクトは進行中に中止されたため、高金利の時期に追加の利息が発生し、これは繰り返されるとは予想されていなかった特別な状況であった。^[要出典]

1980年代、ピカリングA原子炉の圧力管は、水素脆化による予期せぬ劣化のため、設計寿命よりも早く交換されました。その後の原子炉では、徹底した検査とメンテナンスにより、この問題は回避されました。

ピカリング A およびブルース A 原子炉はすべて、ピカリング、ブルース、ダーリントンの後継機の運転性能の回復に重点を置くため、1999 年に停止されました。ピカリング A 原子炉を再稼働する前に、OPG は限定的な改修プログラムを実施しました。プロジェクト範囲の不適切な策定に基づく当初の費用と時間の見積もりは、実際の時間と費用を大幅に下回っていたため、商業上の理由からピカリング 2 号機と 3 号機の再稼働は行われないことが決定されました。

こうした超過はブルースでも繰り返され、3号機と4号機は予算を90%超過した。^[77]同様の超過はポイント・レプローでも発生し、^[78]ジェンティリー2号機は2012年12月28日に閉鎖された。^[79]

予測される資本コスト、燃料費と稼働中のメンテナンス費の低さに基づいて、1994年にはCANDUからの電力は5セント/kWhを大きく下回ると予測されました。^[80]

1999 年、オンタリオ ハイドロは解体され、その発電施設はオンタリオ電力公社(OPG) に再編されました。後継会社を民間投資家にとってより魅力的なものにするため、194 億ドルの「座礁債務」がオンタリオ電力金融公社の管理下に置かれました。この債務は、すべての電力に対する 0.7 セント/kWh の料金、すべての運営会社が支払うすべての所得税、OPG とハイドロ ワンが支払うすべての配当金など、さまざまな手段を通じて徐々に返済されています。

2022年10月現在、ダーリントンは4基すべてのユニットの設計寿命の中間期に達し、10年間の大規模改修プロジェクトの後半に入っている。予算は125億ドルに設定されており、6〜8セント/kWhで発電する予定である。プロジェクトは現在、予定通り予算内で進んでいる。^[81]

ダーリントン1号機、3号機、4号機は、平均生涯年間設備利用率が85%で、2号機は78%で稼働している。^[82] 2010年現在、ピカリングとブルースの改修済みユニットの生涯設備利用率は59～69%であった。^[83]これには、ユニットが再配管と改修のために停止していた数年間の期間も含まれる。改修後の設備利用率ははるかに高く、ブルースA1は90.78%、ブルースA2は90.38%（2013年以降）、^[17]ピカリングA1は71.18%、ピカリングA4は70.38%である。^[84] 2009年には、ブルースAユニット3と4の設備利用率は、バキュームビルで大規模な停止が発生した年で、それぞれ80.5%と76.7%であった。^[85]

現在、世界中で 31 基の CANDU 原子炉が使用されており、インドには CANDU 設計から開発された 13 基の「CANDU 派生型」があります。1974 年にインドが核爆弾を爆発させた後、カナダはインドとの核取引を停止しました。内訳は次のとおりです。

• カナダ: 19機と5機が退役。
• 韓国：3、1がシャットダウン。
• 中国: 2
• インド: 2、稼働中のCANDU派生型原子炉17基、建設中のCANDU派生型原子炉3基。
• アルゼンチン:1
• ルーマニア: 2、3 は休止状態で部分的に建設中。
• パキスタン：1回のシャットダウン。^[86]

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