WR-1

ホワイトシェル原子炉1号機（WR-1）は、カナダのマニトバ州にあるAECLのホワイトシェル研究所（WNRL）にあった研究用原子炉である。もともと有機冷却重水素原子炉実験（OCDRE）^{[1]として知られていたこの原子炉は、}重水冷却剤を油性物質に置き換えたCANDU型原子炉の概念をテストするために建設された。これには、コストと効率の面で多くの潜在的な利点があった。

60MWthの原子炉は、カナディアン・ゼネラル・エレクトリック社によって設計・建造され、費用は1450万カナダドルでした。建設は1962年11月1日に開始されました。^[2] 1965年11月1日に臨界に達し、 ^[2] 1965年12月にフルパワーに達しました。設計の商用化に向けた取り組みは1971年に始まりましたが、重水冷却ユニットが標準となった1973年に終了しました。それ以降、WR-1は照射実験とWNREサイトの暖房のために出力制限を下げて運転されました。

WR-1 は 1985 年 5 月 17 日に最後に停止され、燃料が抜かれ、2013 年現在、2023 年に完了する予定で 廃止作業^{[アップデート]}が行われています。

天然ウランは同位体の混合物で構成されており、そのほとんどは²³⁸ U で、ごく少量の²³⁵ U です。これらの同位体は両方とも、十分なエネルギーの中性子に当たると核分裂を起こし、このプロセスの一環として中エネルギー中性子を放出します。ただし、他のウラン原子からの中性子に当たると核分裂を起こし、連鎖反応を維持できるのは 235 U だけです^。238 Uは^これらの中性子に鈍感であるため、235 U のように核分裂しません。235 U は^これらの中性子に敏感ですが、中性子^を元の相対速度からはるかに低いエネルギー、いわゆる熱中性子速度に減速すると、反応速度が大幅に向上します。^[3]

純粋な天然ウランの塊では、自然崩壊によって放出される中性子の数とエネルギーが低すぎるため、存在する少数の^{235 U 原子で顕著な核分裂イベントを引き起こすことはできません。中性子捕獲率を}臨界と呼ばれる連鎖反応が発生するポイントまで高めるには、システムを変更する必要があります。ほとんどの場合、燃料塊は多数の小さな燃料ペレットに分割され、その後、中性子を減速させる何らかの形の中性子減速材に囲まれます。これにより、中性子が他のペレットの²³⁵ Uで核分裂を引き起こす可能性が高まります。最も簡単に使用できる減速材は通常の水であることが多いです。中性子が水分子と衝突すると、そのエネルギーの一部が水分子に伝達され、水の温度が上昇して中性子が減速します。^[3]

通常の水を減速材として使用する場合の主な問題は、水が中性子の一部を吸収してしまうことである。天然の同位体混合物における中性子バランスは非常に近いため、このようにして吸収される中性子の数が少量であっても、臨界を維持するには数が少なすぎることを意味する。ほとんどの原子炉設計では、この問題に対処するために、²³⁸ Uに対する^{235 Uの量をわずかに増やす、いわゆる}濃縮が行われている。その結果得られる燃料には、通常、天然値の1%弱から3～5%の^{235 Uが含まれる。残った物質には235} Uがほとんど含まれず、ほぼ純粋な^{238 Uのみとなり、}劣化ウランと呼ばれる。^[4]

CANDU の設計では、通常の水を重水に置き換えることで減速の問題に対処しています。重水にはすでに余分な中性子が含まれているため、減速中に核分裂中性子が吸収される可能性は大幅に排除されます。さらに、重水は他の反応を受け、運転中に放出される中性子の数をさらに増やします。中性子の経済性は、濃縮されていない天然ウランでも臨界を維持できるほど改善されており、原子炉の燃料補給の複雑さとコストが大幅に削減され、さらに反応性の低い元素を混合する代替燃料サイクルをいくつか使用することもできます。このアプローチの欠点は、燃料内の²³⁵ U 原子がより大きな燃料質量に分散されるため、特定の出力レベルに対して原子炉のコアが大きくなることです。これにより、原子炉コアの建設にかかる資本コストが高くなる可能性があります。^[2]

コストの問題に対処するため、CANDU は独自の炉心レイアウトを採用しています。従来の原子炉設計は、燃料と減速水を含む大きな金属シリンダーで構成され、水の沸点を上げて熱をより効率的に除去するために高圧下で稼働します。CANDU が設計されていた当時、カナダにはそのような大きな圧力容器、特に天然ウランで稼働できるほど大きな圧力容器を製造する設備がありませんでした。解決策は、加圧された重水を小さなチューブで囲み、それをカランドリアと呼ばれるはるかに大きな低圧容器に挿入することでした。このレイアウトの大きな利点の 1 つは、燃料を個々のチューブから取り外すことができるため、従来の設計では炉心全体をシャットダウンする必要があるのに対し、運転中に燃料を補給できることです。小さな欠点は、チューブが中性子を吸収することですが、重水設計の改善された中性子経済性を相殺するには十分ではありません。^[2]

冷却剤として水を使用する場合の大きな問題は、水が燃料やその他の成分を溶解する傾向があり、これらの物質が水中に沈着すると最終的に高放射性になるということです。この問題は、チューブに特定の合金を使用し、燃料をセラミック状に加工することで軽減されます。溶解速度を低下させるのに効果的ですが、燃料の処理コストが増加し、非腐食性で中性子脆化の影響を受けにくい材料も必要になります。さらに問題なのは、水の沸点が低いため、動作温度が制限されるという事実です。 ^[2]

これが有機原子炉設計の基本的な前提でした。CANDU レイアウトでは、減速材と冷却材の両方に重水が使用されていましたが、これは便宜上の理由以外に理由はありませんでした。減速の大部分はカランドリア塊で行われるため、燃料管内の少量の重水を他の冷却材に置き換えることは、他の減速材を追加する必要がある従来の軽水設計とは異なり、簡単でした。^[a]油を使用することで、腐食の問題が大幅に軽減され、より一般的な金属を使用できるようになりました。また、溶解した燃料の量を減らし、冷却システム内の放射線を減らしました。選択された有機液体 OS-84 は、水素で触媒処理して40 パーセントの飽和炭化水素を生成するテルフェニルの混合物です。テルフェニルは石油化学誘導体で、簡単に入手でき、熱伝達媒体としてすでに使用されていました。^[2]

さらに、沸点の高い材料を使用することで、原子炉を高温で運転できるようになりました。これにより、一定量のエネルギーを除去するために必要な冷却剤の量が減り、炉心の物理的サイズが縮小されただけでなく、このエネルギーを発電用に抽出するタービンの効率も向上しました。WR-1 は、^従来の CANDU の約 310 °C と比較して、出口温度が最大 425 °C で稼働しました。これはまた、冷却流体を必要な速度で冷却管に通すために必要な圧力以上に加圧する必要がないことを意味します。一方、水は、高温に達するように高圧に保つ必要があります。これにより、燃料管をより薄くすることができ、管との相互作用で失われる中性子の数を減らし、中性子の経済性をさらに高めました。^[2]

通常のCANDU炉では管が水平に配置されていたが、この原子炉では燃料チャンネルが垂直に設けられていた。この原子炉では従来の制御棒は使用されず、重水減速材のレベル制御によって出力が調整された。減速材を急速に放出することで原子炉を素早く停止（スクラム）することができた。 ^[2]

1971年、AECLはウラン炭化物燃料をベースにした500MWe CANDU-OCRの設計エンジニアリングを開始した。炭化物燃料は水中では腐食するが、油冷却材では腐食しない。炭化物燃料は、ほとんどの原子炉設計で使用されているより複雑なセラミックよりも製造がはるかに簡単だった。この設計作業は1973年に中止されたが、WR-1はとにかくその概念をテストした。別の可能性は金属燃料を使用することで、燃料の密度が高まり、燃焼度が上がる。金属燃料は熱伝導性が高いため、同じスペースでより高出力の炉心を使用できる。^[5]

WR-1 では、その全生涯を通じて3 回の冷却材喪失事故が発生しました。そのうち 2 回はウィニペグ川に達しました。最初の漏出は 1967 年に発生し、熱交換器のチューブの 1 つにピンホール漏れが発生した結果、約 300 リットルの冷却材が排水口 (液体廃棄物の排出ポイント) から川に流れ出ました。2 回目の漏出は 1977 年に発生しました。AECLの計算によると、排水口から下流 1 km までの川底に 900 kg から 1,100 kg の冷却材が堆積し、その後清掃および監視が行われました。3 回目の冷却材漏出は 1978 年に発生し、漏出した冷却材は清掃されて現地で保管されたため、川に冷却材が流出することはありませんでした。2006 年に AECL は、排水口からの堆積物が見つかった場所の下流の地域で川の堆積物のコアサンプルを分析しました。 AECLは、河川堆積物に生態系への影響や人体への健康被害をもたらすような汚染はないと結論付けた。^{[6] [7] [8]}

WR1 はAECLの大型研究用原子炉の中で最も新しい原子炉であったが、経済的な理由により 1985 年 5 月 17 日に最後に閉鎖された。原子炉は中間廃止措置段階にあり、燃料が取り出され、大部分が解体されている。廃止措置の終了時に、この場所はグリーンフィールド状態に戻る予定である。

• ジェンティリー原子力発電所、沸騰水冷却CANDU原子炉

• サンダース、クリス (2016)。ホワイトシェル研究所。ホワイトシェル歴史委員会。

• カナダ原子力に関するFAQ
• AECL - カナダ原子力公社
• カナダ原子力公社
• ホワイトシェル原子炉1号機
• 研究用原子炉の中でユニークなWR-1
• カナダ原子力協会