蒸気爆発

水蒸気爆発は、特に成層火山など特定の火山で自然に発生する現象であり、火山噴火における人的被害の主な原因の一つです。高温の溶岩が海水や氷に触れる場所でよく発生し、このような現象は沿岸爆発とも呼ばれます。また、液体の水や氷が高温の溶融金属に触れると、危険な水蒸気爆発が発生することもあります。水が蒸気となって爆発する際に、燃え盛る溶融金属も一緒に飛び散り、近くにいる人に重度の火傷を負わせる危険性が極めて高く、火災の危険性も高まります。

蒸気ボイラーの水側のような加圧容器が破裂すると、必ずある程度の蒸気爆発が発生します。船舶用ボイラーの一般的な運転温度と圧力は、過熱器出口で約950psi （6,600kPa ）と850 °F（454 °C）です。    

蒸気ボイラーでは、蒸気ドラム内に蒸気と水の界面があり、そこで熱（通常は石油燃焼バーナー）によって水が最終的に蒸発します。水管が様々な理由で破損すると、ボイラー内の水が開口部から膨張し、大気圧よりわずか数psi高いだけの炉内領域に流れ出します。これにより、火災はほぼ完全に消火され、ボイラー側面の広い表面積に水が広がります。

壊滅的な爆発の可能性を低減するため、ボイラーは、水中の管に高温ガスを通すことで熱を加える「火管式」から、管の中に水があり、炉が管の周囲にある「水管式」ボイラーへと進化しました。古い「火管式」ボイラーは、製造品質の悪さやメンテナンス不足（火管の腐食や、絶え間ない膨張と収縮によるボイラー本体の疲労など）が原因で故障することが多かったのです。

火管が破損すると、高圧・高温の蒸気が瞬時に火管を逆流し、ボイラー前面のバーナーを吹き飛ばしてしまうことが多い。一方、水を囲む圧力容器が破損すると、ボイラーの内容物がすべて噴出し、大規模な蒸気爆発を引き起こす。船舶用ボイラーの場合、これは間違いなく船の推進装置を破壊し、場合によっては船体後部も破壊してしまうだろう。

原油や、ディーゼル油や灯油などの特定の商業用油留分を含むタンクでは、ボイルオーバーが発生する可能性がある。ボイルオーバーとは、開放型タンクプール火災の下にある水層が沸騰し始め、火災の強度が著しく増加し、燃える液体が周囲に激しく噴出する極めて危険な状況である。多くの場合、下にある水層は過熱されており、その一部が爆発的に沸騰する。これが起こると、急激な膨張により、燃え盛る燃料の噴出がさらに促進される。^{[ 3 ] [ 4 ]}

沸騰の概要

沸騰オーバーの一般的な概念は知られていますが、適切な安全工学を確保するためには、関連する熱伝達の特殊性を理解することが不可欠です。BroeckmannとSchecker（1995）によると、この現象は単なる相変化ではありません。沸騰オーバーのプロセスでは、蒸留現象により、熱層が上から徐々に燃料層に浸透します。それが下の水層に接触すると、爆発的な閃光が発生する可能性があります。^{[ 5 ]}これは、蒸気泡の成長を妨げる油の粘性によって増幅されます。その結果、システム内の圧力が着実に上昇し、蓄積されたエネルギーが突然放出されます。^{[ 5 ]}著者らが提示するもう1つの発見は、この事象の爆発性が水層の「過熱」の度合いに正比例するということです。言い換えれば、水層の温度は通常の沸騰水の温度よりもはるかに高い温度まで上昇する可能性があり、その結果、従来の蒸気ボイラーの爆発よりもさらに壊滅的な結果をもたらす可能性があります。^{[ 5 ]}

水冷式原子炉の燃料および燃料要素が徐々に溶融する場合にも、このような事象が発生する可能性がある。溶融した炉心構造物と燃料の混合物は、しばしばコリウムと呼ばれる。

このようなコリウムが水と接触すると、溶融燃料（コリウム）と冷却材としての水との激しい相互作用により蒸気爆発が発生する可能性がある。このような爆発は燃料冷却材相互作用（FCI）であると考えられている。^{[ 6 ] [ 7 ]}

原子炉のメルトダウンは通常、燃料棒の爆発によって発生し、燃料棒の爆発には 2 つの方法があります。 1 つは、容器底部の水を蒸気爆発で吹き飛ばす方法、もう 1 つは、燃料の上にある水を吹き飛ばす方法です。 2 つ目の方法は「アルファ」モード故障と呼ばれ、原子炉容器底部が吹き飛ぶと、原子炉炉心だけでなく格納容器も破壊する可能性があります。 蒸気爆発は一般的に燃料冷却材相互作用に分類されます。^{[ 8 ]} Theofanous ら 1987 によると、彼らはこの特定のシナリオを研究して初期の確率的評価を開発しました。 この研究では、この種の事象は物理的には発生する可能性があるものの、溶融燃料と水がほぼ完全に混ざり合わなければならないため、発生する可能性はほぼゼロであることがわかりました。^{[ 8 ]}

さらに、1995 年に Theofanous と Yuen が行った最近の研究では、このプロセスを流体力学の結果とみなすさらなる研究が行われました。研究者らは、溶融燃料が周囲に蒸気の層を作り、それが障壁として機能し、溶融燃料の熱伝達速度を低下させるため、大規模な爆発は起こりにくいことを発見しました。別の研究^{[ 9 ] [ 10 ]}では、実験記録を調査した Magallon 2009 は、メルトダウン中に小規模な蒸気爆発が予想されるが、現代の格納容器構造を破壊する可能性のある大規模な爆発は現実的な状況では起こりにくいと判断しました。^{[ 11 ]}これらの研究の結果、現代の原子炉安全システムは圧力と冷却条件を管理するように設計されており、大規模な爆発を最悪のケースの爆発とはみなさなくなりました。^{[ 7 ]}

実験者たちが様々な努力を重ねたにもかかわらず、FAROで行われたコリウム実験において、水蒸気爆発を引き起こすことは決してできなかった。

密閉された水槽内で水が急速に加熱されて蒸気爆発が発生すると、圧力波と急速に膨張する蒸気によって深刻なウォーターハンマー現象が生じる可能性がある。1961年に米国アイダホ州でSL-1原子炉が臨界事故で破壊された際、原子炉容器が2.7メートル以上も空中に飛び上がったのは、まさにこのメカニズムによるものだった。SL-1の場合、燃料と燃料要素が瞬間的な過熱によって気化した。 

1961年1月、運転員のミスにより、SL-1原子炉は蒸気爆発を起こし、瞬時に自壊した。1986年にソ連で発生したチェルノブイリ原子力発電所事故では、溶岩のように溶けた核燃料が原子炉の地下を通って残留消火用水や地下水に接触し、大規模な蒸気爆発（およびそれに伴うヨーロッパ全域への放射性降下物）を引き起こす恐れがあった。この脅威は、原子炉の下にトンネルを掘って水を汲み出し、地盤をコンクリートで補強するという必死の作業によって回避された。

原子炉メルトダウンにおいて、蒸気爆発による最も深刻な結果は、格納容器の早期破損です。考えられる可能性としては、溶融燃料が高圧で格納容器内に噴出し、急速な加熱を引き起こす場合と、炉内蒸気爆発によってミサイル（例えば上部ヘッド）が格納容器内に噴出し、貫通する場合の2つがあります。それほど劇的ではありませんが、それでも重要な事態として、溶融した燃料と炉心塊が原子炉建屋の床を溶かして地下水に達する場合が挙げられます。この場合も蒸気爆発が発生する可能性はありますが、破片はおそらく格納容器内に留まり、実際には分散されるため、より容易に冷却されると考えられます。詳細はWASH-1400を参照してください。

蒸気爆発やそれに伴う危険のさらなる例は、産業現場や家庭環境でも発生する可能性があり、これらの環境では、水と高温の物質との間で相互作用が生じ、急速な相変化や物理的および化学的なエネルギーの放出が同時に起こる可能性がある。

特に溶融アルミニウムの使用に関する例が挙げられます。溶融アルミニウムは、特定の条件下で化学反応に関与する可能性があるため、特に危険です。2019年にMaguireとWoodcockが行った研究では、大規模な構造火災で遭遇するような高温でのアルミニウムと水の相互作用が調査されました。^{[ 12 ]}この研究では、溶融アルミニウムは水分子を還元することで水と反応し、この反応で酸化アルミニウムが生成され、水素ガスと追加の熱の形でエネルギーが放出されることがわかりました。結論として、溶融アルミニウムが関与する爆発は、純粋に蒸気によって引き起こされる事象ではなく、急速な蒸発とその後の水素ガス生成の複雑な組み合わせである可能性があり、着火条件が存在する場合は全体的な深刻度が増加する可能性があります。^{[ 12 ]}これは、スプリンクラーシステムなどから水を使用すると、大量の溶融アルミニウムが存在する場合、危険を取り除くどころか、場合によっては危険を悪化させる可能性があることを意味します。

家庭環境では、蒸気爆発は、燃えている油を水で消火しようとした際に発生することがあり、これを「スロップオーバー」と呼びます。鍋の中の油が燃えている場合、つい水で消火したくなるかもしれませんが、そうすると熱い油が水を過熱してしまいます。発生した蒸気は、燃えている油も含んだ状態で、勢いよく上方と外側に噴出します。このような火災を正しく消火するには、湿らせた布を使うか、鍋にしっかりと蓋をするのが良いでしょう。どちらの方法も火から酸素を遮断し、布は火を冷やす効果もあります。あるいは、揮発性のない専用の難燃剤や、防火ブランケットを使用することもできます。

蒸気爆薬バイオリファイナリーは、バイオマスを有効活用するための工業的応用技術です。この技術では、バイオマスを最大3MPa（30気圧）の蒸気で加圧し、瞬時に圧力を解放することで、バイオマスに所望の変化をもたらします。この概念の工業的応用例として、製紙繊維プロジェクトが挙げられます。

水蒸気爆発は、環境に有害な残留物を残さずに大量のガスを発生させます。この制御された水の爆発は、発電所や最新の蒸気タービンで蒸気を発生させるために利用されてきました。最新の蒸気機関は、加熱した油を使って水滴を爆発させ、制御されたチャンバー内で高圧を発生させます。そして、その圧力を使ってタービンや改造された燃焼機関を駆動します。高温の油と水の爆発は、外部エネルギーを必要とせずに閉ループ内で水を油から分離できるため、集光型太陽光発電で特に人気が高まっています。水の爆発は、熱源が再生可能な資源であれば、環境に優しいと考えられています。

フラッシュボイルと呼ばれる調理法は、少量の水を使って沸騰の速度を速めるものです。例えば、この方法はハンバーガーパティの上にチーズを溶かすのに使えます。チーズをフライパンなどの熱い表面に置いた肉の上に置き、パティの近くに少量の冷水をかけます。次に、鍋やフライパンの蓋などの容器を使って蒸気フラッシュ反応を素早く密閉し、蒸気化した水をチーズとパティ全体に拡散させます。これにより、蒸発した水が再び液体に戻る際に大量の熱が放出されます（この原理は冷蔵庫や冷凍庫の製造にも使われています）。

内燃機関では、燃料をエアロゾル化するために瞬間沸騰を利用することがある。^{[ 13 ]}