マグノックス

マグノックスは、減速材としてグラファイト、熱交換冷却材として二酸化炭素ガスを使用し、天然ウランで稼働するように設計された原子力発電/生産炉の一種です。広義のガス冷却炉に属します。名前は、原子炉内の燃料棒を被覆するために使用されるマグネシウム-アルミニウム合金（マグネシウムノキシドと呼ばれる）に由来しています。他のほとんどの第 1 世代原子炉と同様に、マグノックスは、英国の初期の核兵器計画のために電力とプルトニウム 239 を生成するという 2 つの目的を持って設計されました。この名前は特に英国の設計を指しますが、同様の原子炉全般を指す一般的な用語として使用されることもあります。

他のプルトニウム生産原子炉と同様に、中性子の保存は設計の重要な要素です。マグノックスでは、中性子は大きな黒鉛ブロックで減速されます。黒鉛の減速材としての効率性により、マグノックスは天然ウラン燃料を使用して稼働できます。これは、わずかに濃縮されたウランを必要とするより一般的な商用軽水炉とは対照的です。黒鉛は空気中で容易に酸化されるため、炉心は CO2 で冷却され_、次に熱交換器に送り込まれて蒸気を発生させ、発電用の従来の蒸気タービン装置を駆動します。炉心は一端が開いているため、原子炉の稼働中でも燃料要素を追加または削除できます。

マグノックス設計の二重用途能力により、英国はB205再処理施設の支援を得て、燃料級（原子炉級）プルトニウムを大量に備蓄することになった。原子炉設計の低～中間燃焼特性は、1960年代の米英原子炉級プルトニウム爆発試験後に米国の規制分類の変更の原因となった。発電が主な運用目的となった後、数十年にわたって設計が改良されたにもかかわらず、マグノックス原子炉は、加圧水型原子炉のより高い効率とより高い燃料燃焼度に匹敵することはできなかった。

このタイプの原子炉は合計で数十基しか建設されておらず、そのほとんどは1950年代から1970年代にかけて英国で建設され、他国に輸出されたのはごくわずかであった。最初に稼働したマグノックス原子炉は1956年のカルダーホール（セラフィールドサイト）で、世界初の商業用原子力発電所とよく言われているが、^[1]一方、英国で最後に閉鎖されたのは2015年のウィルファ（アングルシー島）の原子炉1号機である。2016年現在^{[アップデート]}、北朝鮮は寧辺核科学研究センターでマグノックス型原子炉を使用し続けている唯一の事業者であり続けている。マグノックス設計は、同様の冷却方式だが経済性を改善するための変更が加えられた 先進的なガス冷却原子炉に取って代わられた。

英国初の本格的な原子炉はセラフィールドのウィンズケール炉である。この炉は天然ウラン燃料で数週間にわたる反応で増殖するプルトニウム239を製造するために設計された。通常の状態では、天然ウランは連鎖反応を維持できるほど自身の中性子に敏感ではない。燃料の中性子に対する感度を高めるために、この場合は高純度グラファイトである中性子減速材が使用される。^{[2] [3]}

原子炉は、多数の小さなブロックでできたこの物質の巨大な立方体（「パイル」）で構成され、水平に穴が開けられ、多数の燃料チャネルが作られました。ウラン燃料はアルミニウム製の容器に入れられ、前面のチャネルに押し込まれ、以前の燃料容器はチャネルを通って原子炉の後ろから押し出され、水たまりに落ちました。このシステムは低温および低出力で動作するように設計されており、大型ファンの助けを借りて空冷されました。^{[2] [3]}

グラファイトは可燃性があり、重大な安全上のリスクを伴います。これは、現在2基ある原子炉施設の1号機が火災を起こした1957年10月10日に実証されました^{[疑わしい–議論の}余地あり]。原子炉は3日間燃え続け、大規模な汚染は、以前は不必要な「愚行」として嘲笑されていた濾過システムの追加によってのみ回避されました。^[4]

英国の原子力機関が原子力発電に注目し始めたが、兵器開発のためのプルトニウムのさらなる需要は依然として切実であった。このため、ウィンズケールの基本設計を、プルトニウムも生産する発電バージョンに改造する取り組みが行われた。経済的に有用であるためには、このプラントははるかに高い電力レベルで稼働する必要があり、その電力を効率的に電気に変換するには、より高い温度で稼働する必要がある。

これらの出力レベルでは、火災の危険性が増大し、空冷はもはや適切ではない。マグノックス設計の場合、これは二酸化炭素（CO ₂）を冷却剤として使用することにつながった。原子炉には、出力中に個々のチャネルを通るガス流量を調整する機能はないが、ダイアグリッド内にあるサポートストラットに取り付けられたフローギャグを使用してガス流量を調整した。これらのギャグは、炉心の中心の流量を増やし、周囲の流量を減らすために使用された。反応速度の主な制御は、垂直チャネルで必要に応じて上げ下げできる多数の（チャペルクロスとカルダーホールでは48）ボロン鋼制御棒によって行われた。

高温になるとアルミニウムは構造的に安定しなくなるため、マグノックス合金の燃料被覆材が開発されました。残念ながら、マグノックスは温度が上昇するにつれて反応性が高まり、この材料を使用すると、動作ガス温度が 360 °C (680 °F) に制限され、効率的な蒸気生成に望ましい温度よりはるかに低くなります。この制限により、所定の電力レベルを生成するには原子炉が非常に大きくならざるを得なくなり、冷却用のガスを使用することでさらに電力が増幅されました。流体の 熱容量が低いため、非常に高い流量が必要だったためです。

マグノックス燃料要素は、精製されたウランをゆるいマグノックスシェルに封入し、ヘリウムで加圧したものだった。シェルの外側には通常、 _CO2との熱交換を改善するためにフィンが取り付けられていた。マグノックス合金は水と反応するため、原子炉から取り出した後、冷却池に長期間放置することはできない。ウィンズケールレイアウトとは対照的に、マグノックス設計では垂直の燃料チャネルが使用されていた。このため、燃料シェルを端から端までロックするか、または一方をもう一方の上に重ねて配置し、チャネルから上から引き出せるようにする必要があった。

ウィンズケール設計と同様に、後のマグノックス原子炉は燃料チャンネルへのアクセスが可能で、運転中に燃料補給が可能であった。天然ウランの使用により燃焼率が低くなり、頻繁な燃料補給が必要となるため、これが設計の重要な基準であった。発電用途では燃料容器は可能な限り原子炉内に残されたが、プルトニウム生産の場合には早めに取り外された。複雑な燃料補給装置は原子炉システムよりも信頼性が低く、全体的には有利ではないことが判明した。^[6]

原子炉アセンブリ全体は、大きな圧力容器内に置かれました。パイルの大きさのため、原子炉コア自体のみが鋼鉄の圧力アセンブリ内に配置され、その周囲をコンクリート製の閉じ込め建屋 (または生物学的遮蔽物) が取り囲んでいました。コア内に水がなく、したがって水蒸気爆発の可能性がなかったため、建屋は圧力容器をしっかりと包むことができ、建設コストの削減に役立ちました。閉じ込め建屋のサイズを小さく抑えるために、初期のマグノックス設計では、CO2 ガスの熱交換器をドームの外側に配置し、配管で接続しました。この方法には_、メンテナンスとアクセスが一般的に簡単であるという利点がありましたが、主な弱点は、特に遮蔽されていない上部ダクトから放射される放射線の「輝き」でした。

マグノックスの設計は進化を遂げたものであり、完全には完成しなかったため、後期のユニットは初期のものとかなり異なっている。出力密度を向上させるために中性子束が増加すると、特に低温で中性子脆化の問題が発生した。オールドベリーとウィルファの後期ユニットでは、鋼鉄圧力容器をプレストレストコンクリート製のものに交換し、その中に熱交換器と蒸気プラントも含まれていた。作動圧力は、鋼鉄容器の場合は6.9～19.35バール、2つのコンクリート設計の場合は24.8バールと27バールである。^[7]  

当時のイギリスの建設会社にはすべての発電所を建設できるほどの規模がなかったため、さまざまな競合するコンソーシアムが関与し、発電所間の差異が増した。たとえば、ほぼすべての発電所が異なる設計のマグノックス燃料要素を使用していた。^[8]マグノックスの建設のほとんどは、時間超過とコストの増大に悩まされた。^[9]

原子炉の初期始動のために、中性子源は炉心内に設置され、核反応を開始するのに十分な中性子を供給しました。設計の他の側面には、炉心全体の中性子束密度を（ある程度）均一にするための、フラックス成形または平坦化バーまたは制御棒の使用が含まれていました。使用しないと、中心部のフラックスが外側の領域に比べて非常に高くなり、中心部の温度が過度に上昇し、中心部の温度によって制限される出力が低下します。各燃料チャネルには、ストリンガーを形成するために複数の要素が積み重ねられます。これには、スタックを引き出して取り扱うことができるようにラッチ機構が必要でした。使用されたナイモニックスプリングにはコバルトが含まれており、原子炉から取り外すと照射されて高いガンマレベルになるため、問題が発生しました。さらに、いくつかの要素には熱電対が取り付けられており、原子炉から燃料を排出するときに取り外す必要がありました。

マグノックス設計の二重用途の性質は、その経済的パフォーマンスを制限する設計上の妥協につながる。マグノックス設計が展開されていたとき、システムをより経済的にするという明確な意図を持って、先進ガス冷却炉(AGR) の作業がすでに進行中であった。変更点の中で最も重要なのは、原子炉をはるかに高い温度、約 650 °C (1,200 °F) で稼働させるという決定であり、これにより、動力抽出蒸気タービンを稼働させる際の効率が大幅に改善される。これはマグノックス合金には高温すぎたため、AGR は当初、新しいベリリウムベースの被覆管を使用する予定であったが、これは脆すぎることが判明した。これはステンレス鋼の被覆管に置き換えられたが、これは臨界に影響を与えるほどの中性子を吸収し、その結果、マグノックスの天然ウランではなくわずかに濃縮したウランで稼働する設計が必要になり、燃料コストが上昇した。最終的に、システムの経済性はマグノックスよりも少し優れていることが判明した。元財務省経済顧問のデイビッド・ヘンダーソンは、AGR計画をコンコルドと並んで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つと評した。^[10]

出典: ^[11]

カルダーホールの最初のマグノックス原子炉^[12]は、主に核兵器用のプルトニウムを生産するために設計された。^[13]ウランを照射してプルトニウムを生産すると、処分しなければならない大量の熱が発生するため、この熱から蒸気を発生させ、タービンで発電に使用したり、近くのウィンズケール工場でプロセス熱として使用したりすることは、重要なプロセスの一種の無料の副産物と見なされていた。

カルダーホール原子炉の効率は今日の基準からすると低く、わずか18.8%でした。^[14]

英国政府は1957年に原子力発電を推進し、1965年までに英国の発電需要の4分の1にあたる5,000～ 6,000MWeの発電能力を達成する建設計画を実施することを決定した。 ^[13]ジョン・コッククロフト卿は政府に対し、原子力発電は石炭火力発電よりも高価になると助言していたが、政府は石炭火力発電所の代替として原子力発電所を建設すれば炭鉱組合の交渉力を弱めるのに役立つと判断し、^[9]推進することに決めた。1960年の政府白書では建設計画を3,000MWeに縮小し、^[13]石炭発電の方が25%安価であることを認めた。^{[9] 1963年の}英国下院に対する政府の声明では、原子力発電は石炭の2倍以上高価であると述べられていた。^[9]生産されたプルトニウムに価値を付与するプルトニウムクレジットは経済性を改善するために使用されたが、 ^[15]発電所の運営者にこのクレジットが支払われることはなかった。   

原子炉から取り出された使用済み燃料要素は冷却池に保管される（二酸化炭素雰囲気の乾燥貯蔵庫を持つウィルファを除く）。ここで崩壊熱は冷却池の水に移され、その後冷却池の水循環、冷却、濾過システムによって除去される。燃料要素はマグノックス被覆が劣化する前に限られた期間しか水中に保管できないため、必然的に再処理する必要があるという事実は、マグノックス計画のコストに加算される。^[16]

その後のレビューでは、最も経済的な設計を標準化する代わりにプロジェクトごとに開発を継続したこと、そして輸出注文を2件しか獲得できなかった原子炉の開発に固執したことが批判された。^[17]

資本に対する5%の低い割引率を使用してコストを遡及的に評価すると、マグノックスの電力コストは石炭火力発電所が供給する電力コストより約50%高くなると推定されました。^[18]

マグノックス原子炉は、そのシンプルな設計、低い出力密度、ガス冷却のため、当時はかなりの固有の安全性を備えていると考えられていた。このため、二次封じ込め機能は備えられていなかった。当時の安全設計原則は「最大想定事故」であり、原子炉がそれに耐えられるように設計されていれば、他のより小さいが類似の事象はすべてカバーされるという仮定が立てられていた。冷却材喪失事故（少なくとも設計で考慮されていたもの）は、マグノックス被覆管が放射性物質の大部分を保持するため、大規模な燃料破損を引き起こすことはない。原子炉が急速に停止（スクラム）されると仮定すると、崩壊熱は空気の自然循環によって除去できるからである。冷却材はすでにガスであるため、チェルノブイリ事故での壊滅的な水蒸気爆発で起こったように、沸騰による爆発的な圧力上昇は危険ではない。原子炉を急速に停止するための原子炉停止システムの故障、または自然循環の故障は、設計では考慮されていなかった。 1967 年、チャペルクロスでは個別のチャネルでのガスの流れが制限されたために燃料が溶融しました。これは発電所の乗組員によって大きな事故なく対処されましたが、この事象は設計や計画されておらず、放出された放射能は発電所の設計時に予想されていた量を超えました。

マグノックス基地は本質的に安全な設計であると信じられていたが、人口密集地域には建設されないことが決定された。決定された配置制約は、10度セクターの1.5マイル（2.4 km）以内の人口が500人未満、5マイル（8.0 km）以内の人口が10,000人未満、10マイル（16 km）以内の人口が100,000人未満であることであった。さらに、敷地周辺の全方向の人口は10度制限の6倍未満となる。5マイル以内の人口の大幅な増加を防ぐため、計画許可制約が適用される。^[19]

旧式の鋼鉄製圧力容器の設計では、ボイラーとガスダクトはコンクリート製の生物学的遮蔽体の外側にあります。その結果、この設計では、原子炉から大量の直接ガンマ線と中性子線（ダイレクトシャイン）が放出されます。[ 20 ]たとえば、²⁰⁰²年にダンジネスマグノックス原子炉の近くに住む最も被ばくした人々は、直接シャインだけで0.56 mSvを浴びました。これは、国際放射線防護委員会が推奨する一般市民の最大放射線量限度の半分を超えています。 ^{[21]ガス回路全体を包み込むコンクリート製の圧力容器を持つ}オールドベリー原子炉とウィルファ原子炉からの線量は、はるかに低いです。  

設計の発祥の地である英国では、合計11基の発電所、計26基が建設された。さらに、1基は日本の東海村に輸出され^[22] 、もう1基はイタリアのラティーナに輸出された^{[19] 。北朝鮮も、}原子力平和利用会議で公表された英国の設計に基づいて、独自のマグノックス原子炉を開発した。

最初のマグノックス発電所であるカルダーホールは、産業規模で電力を生産した世界初の原子力発電所でした^[12]（ロシアのオブニンスクにある発電所は、1954年12月1日に非常に少量の非商業的な量を送電網に供給し始めました）。送電網への最初の接続は1956年8月27日であり、この発電所は1956年10月17日にエリザベス2世女王によって正式に開所されました。 ^[23]発電所が2003年3月31日に閉鎖されたとき、最初の原子炉はほぼ47年間使用されていました。^[24]

最初の2つの発電所（カルダーホールとチャペルクロス）はもともとUKAEAが所有しており、初期には主に兵器級 プルトニウムを生産するために使用され、年間2回の燃料供給が行われていました。^[25] 1964年からは主に商用燃料サイクルで使用され、1995年4月に英国政府は兵器目的のプルトニウム生産をすべて停止したと発表しました。^[26]

後期の大型ユニットはCEGBが所有し、商用燃料サイクルで稼働した。^[27]しかし、ヒンクリーポイントAと他の2つの発電所は、必要に応じて軍事目的で兵器級プルトニウムを抽出できるように改造された。 ^{[28] [29]}

運転開始当初、高温の二酸化炭素冷却材によって軟鋼部品が著しく酸化されることが判明し、運転温度と出力を下げる必要が生じました。^[30]例えば、ラティーナ原子炉は1969年に運転温度が390℃から360℃（734℉から680℉）に下げられたことで、出力が 210MWeから160MWeへと 24%低下しました。^[31]

原子力廃止措置機関（NDA）は2015年12月30日、世界で最後に稼働していたマグノックス原子炉であるウィルファ1号機の閉鎖を発表した。同原子炉は当初の計画より5年長く発電を続けていた。ウィルファの2基の原子炉は2012年末に閉鎖される予定だったが、NDAは製造中止となった燃料の在庫をフル活用するため、1号機の運転継続を可能にするため、2012年4月に2号機の閉鎖を決定した。^[32]

北朝鮮の寧辺にあるマグノックス設計に基づく5MWeの小型実験炉は、2016年現在も稼働を続けている。  ^{[アップデート]}

マグノックスは、主にマグネシウムと少量のアルミニウムおよびその他の金属からなる合金の名前でもあります。この合金は、核分裂生成物を封じ込めるために、非酸化性の被覆で未濃縮ウラン金属燃料を被覆するのに使用されます。マグノックスは、マグネシウム非酸化性の略語です。この材料は、中性子捕獲断面積 が低いという利点がありますが、2 つの大きな欠点があります。

• これにより、プラントの最高温度が制限され、熱効率も制限されます。
• 水と反応し、使用済み燃料を水中に長期保管することを防ぎます。

マグノックス燃料は、低い動作温度にもかかわらず最大限の熱伝達を実現するために冷却フィンを組み込んでおり、製造コストが高くなっています。酸化物ではなくウラン金属を使用することで再処理がより簡単になり、したがってコストも安くなりましたが、原子炉から取り出してすぐに燃料を再処理する必要があったため、核分裂生成物の危険性は深刻でした。この危険に対処するには、高価な遠隔処理施設が必要でした。

マグノックスという用語は、大まかに以下のことを指す場合もあります。

• 北朝鮮の原子炉3 基。いずれも機密解除されたカルダー ホール マグノックス原子炉の設計図に基づいています。
  • 寧辺にある5MWeの小型実験炉。1986年から1994年まで稼働し、2003年に再稼働した。この原子炉の使用済み燃料から得られたプルトニウムは、北朝鮮の核兵器計画に使用されている。
  • 寧辺にある50MWe原子炉は、1985年に建設が開始されたが、 1994年の米朝合意枠組みに従って完成することはなかった。
  • 泰川にある200MWeの原子炉の建設も1994年に中止された。
• フランスで建設された9 基のUNGG発電用原子炉は、現在はすべて停止しています。これらは、天然ウラン金属燃料を使用する二酸化炭素冷却式グラファイト原子炉で、燃料被覆がマグネシウム-ジルコニウム合金で、バーが水平に配置されている (マグノックスでは垂直) 点を除けば、設計と目的は英国のマグノックス原子炉と非常に似ています。

原子力廃止措置機関（NDA）は、推定126億ポンドの費用がかかる英国マグノックス発電所の廃止措置に責任を負っている 。25年または100年のどちらの廃止措置戦略を採用すべきかについて議論があった。80 年後には、燃料を抜いた炉心内の短寿命放射性物質は崩壊し、原子炉構造に人間がアクセスできるようになり、解体作業が容易になる。より短い廃止措置戦略には、ロボットによる炉心解体技術が必要になる。^[33]現在行われている約100年の廃止措置計画はセーフストアと呼ばれている。130年の延期セーフストア戦略も検討され、推定14億ポンドのコスト削減が見込まれたが、採用されなかった。^[34]

さらに、使用済みマグノックス燃料の再処理などの活動を行っているセラフィールド施設の廃止措置費用は、推定 315 億ポンドです。マグノックス燃料はプレストン近郊のスプリングフィールドで生産されており、廃止措置費用は推定 3 億 7,100 万ポンドです。マグノックス活動の廃止措置にかかる総費用は 200億ポンドを超え、稼働中の原子炉施設 1 か所あたり平均約 20 億 ポンドになる可能性があります。    

カルダーホールは1956年に世界初の商業用原子力発電所として開設され、英国の産業遺産の重要な一部となっている。NDAはカルダーホール原子炉1号機を博物館の敷地として保存するかどうかを検討している。

英国のすべてのマグノックス原子炉施設（カルダーホールを除く）は、NDAの子会社である マグノックス社によって運営されています。

NDAサイトライセンス会社（SLC）である原子炉サイト管理会社（RSMC）は、もともとNDAに代わってマグノックス社を管理する契約を結んでいました。2007年に、RSMCはアメリカの核燃料サイクルサービスプロバイダーであるエナジーソリューションズによってブリティッシュ・ニュークリア・フューエルズから買収されました。^[35]

2008年10月1日、マグノックス・エレクトリック社は、マグノックス・ノース社とマグノックス・サウス社の2つの原子力ライセンス会社に分割されました。^[36]

マグノックスノースサイト

• チャペルクロス
• ハンターストンA
• オールドベリー
• トラウスフィニッド
• ウィルファ

マグノックス サウス サイト

• バークレー
• ブラッドウェル
• ダンジネスA
• ヒンクリーポイントA

2011年1月、マグノックスノース社とマグノックスサウス社が合併してマグノックス社となった。^[37]契約の調達と管理の問題を受けて、マグノックス社は2019年9月にNDAの子会社となる予定である。^{[38] [39]}

ウィキメディア・コモンズには、マグノックス (原子炉)に関連するメディアがあります。

• 英国における原子力
• UNGG、フランスで建設された同様のクラスの原子炉
• 『エッジ・オブ・ダークネス』は、1985年に制作された原子力産業を題材にしたイギリスのテレビドラマで、仮題は「マグノックス」でした。

• エネルギーソリューション
• 原子力発電所の利害関係者情報 – 英国原子力グループが提供する各マグノックス発電所の概要
• マグノックス安全レビュー 2006年5月26日アーカイブ、Wayback Machine、2000年9月、HSE原子力施設検査局
• マグノックス・エレクトリック社の原子力施設の廃止戦略 2013年5月14日アーカイブ、Wayback Machine、2002年2月、HSE原子力施設検査局
• 英国における商用マグノックスガス冷却原子炉発電所の廃止措置、G. ホルト、マグノックス エレクトリック、IAEA 会議論文、1997 年 9 月 8 ～ 10 日
• ラティーナ・マグノックス原子炉の運転経験、1988年9月21～23日、Ente Nazionale per l'Energia Electrica
• ウィルファ原子力発電所の老朽化プロセスと安全性および性能への影響のレビュー、ジョン・ラージ、2001年3月14日 – 詳細な図表を含む
• マグノックス燃料要素の設計 – 原子力エネルギーの洞察
• セラフィールド・マグノックス冷却池の清掃作業開始 – Nuclear Engineering International
• 重大な危険 – 原子力工学国際協会
• British Nuclear Group の画像資産ライブラリ ( Wayback Machineに 2006 年 4 月 2 日にアーカイブ) – 英国にあるすべてのマグノックス発電所の内部と外部の写真の大規模なコレクション。
• SE Jensen および E. Nonbol (Riso 国立研究所) (1998 年 11 月)。マグノックス型ガス冷却炉 (MAGNOX) の説明( PDF) (レポート)。IAEA。ISBN 87-7893-050-2。 NKS/RAK-2(97)TR-C5 。2014 年4 月 17 日に取得。