原子力エネルギーの未来 | 甘粛コンクリート株式会社

2016 年 11 月 28 日

ダニエル・マクグリン著、カリフォルニア大学バークレー校

今年初め、レイチェル・スレイボーは技術革新に関するキャンパスミキサーに出席した。彼女が原子力工学の教授であると自己紹介すると、他の出席者は立ち止まって説明を求めました。「人々は『ちょっと待って、何？どこから来たの？』って感じでした」と彼女は思い出す。

「気づいたかどうかは分かりませんが、原子力産業はイノベーションという点で少し遅れています。」と彼女は答えた。

原子力エネルギー部門は、前世紀に終わった産業として認識されることがよくあります。しかし、それは変わりつつあります。ベンチャー支援を受けた新興企業の市場が成長していることは、私たちが核による再建の瀬戸際にあることを示しています。

激動の歴史にもかかわらず、排出量を最小限に抑えながら大規模な発電を行う原子力エネルギーの魅力は依然として魅力的です。排出率が低いため、国連気候変動国際パネルは2050年までに世界の原子力容量を倍増するよう勧告している。

気候変動と戦うための効果的な戦略としての原子力エネルギーは、核分裂の興味深い物理学とともに、スレイボーをこの分野に引き込んだきっかけとなった。「私は安全性と影響についての数値を常に見直しています」と彼女は言います。「気候変動を考慮しなくても、大気汚染が公衆衛生に及ぼす影響を考えてみてください。核以外の答えは見つかりません。」

しかし、米国で現在運転中の100基の原子炉の大部分は、国のエネルギーの約20パーセントを生産し続けているが、退職年齢に達しつつあり、エネルギー市場の力は必ずしも原子力を支持しているわけではない。

6月、カリフォルニア州のパシフィック・ガス・電力会社は、長年物議を醸してきたディアブロ・キャニオン原子炉を10年以内に閉鎖する計画を発表した。理由として挙げられたのは環境問題や安全性への懸念ではなく、経済的な理由だった。老朽化した原子炉は価格面で他のエネルギー源と競争できないからだ。「環境保護団体が原発推進派、あるいは少なくとも原発中立派に転じる中、既存の原子力発電所が閉鎖されつつあるのは皮肉なことだ。国民の反発が高まったからではなく、電力市場の歪みが原因だ」とスレイボー氏は言う。

「私は再生可能エネルギーに非常に賛成ですが、生産税額控除は大気汚染を排出しない一部の資源には支払われますが、他の資源には支払われません」と彼女は続けます。「それはあまり意味がありません。」

原子力エネルギー生産に将来性を持たせるためには、規制構造やエネルギー市場の構築方法、原子炉の設計、資金調達、建設の方法など、業界全体の見直しが必要であることを多くの人が認識しています。業界全体の近代化の必要性は、党派の濃いワシントンD.C.でも明らかであり、世界で最も規制の厳しい産業の一つである原子力部門はより柔軟になる必要があるという点で、両側の議員がほぼ同意している。新しい事業へ。

同様に、原子力関連の新しい労働力の訓練も徹底的に見直す必要がある。だからこそ、スレイボー氏は危機感と政治的な追い風を受けて、原子力イノベーションブートキャンプを立ち上げた。 8月に開催された2週間のブートキャンプには世界中から25人の大学生が集まり、「新しい核」がどのようなものかを想像するよう促した。スレイボー氏は、原子力イノベーション・アライアンス産業コンソーシアムとともに、核エネルギー関連問題に取り組むワシントンDCに本拠を置く中道シンクタンクであるサード・ウェイと協力して、2週間のコースのカリキュラムを開発した。

「バークレーでこのブートキャンプを開催するのが理にかなっている理由の一つは、イノベーションの文化があるからです」と原子力エネルギー専門家でサード・ウェイの上級客員研究員であるトッド・アレンは言う。サイクロトロンロードはバークレー研究所にあります。ベイエリアには、このようなことをサポートできるすべての要素があります。」

原子力の黄金時代は第二次世界大戦後すぐに始まり、連邦政府が商業用原子炉の設計に研究開発資金を注ぎ始めた。

1951 年、アイダホ州東部のセイジ低木低木地帯に佇むコンクリートの建物で、国立原子炉試験場 (現在はアイダホ国立研究所の一部) で働く科学者たちが、ウラン原子の分裂から生じる熱を変換するように設計された最初の原子炉のスイッチを入れました。電気に。原子炉は、原子炉の最初のちらつきの際に 4 つの 200 ワットの電球を点灯し、10 年間にわたる先駆的な研究とエンジニアリングの始まりとなりました。その後、40 年間にわたる論争と壊滅的な技術的失敗が続きました。

1950 年代後半までに、最初の大規模商業原子炉が全国で稼動しました。 1960年、原子力委員会は、2000年までにこの国は数千基の原子炉で電力を供給できるようになるだろうと推定した。

「当時の哲学は、商用展開はできるだけ早く行われなければならないというものでした」と原子力工学教授で同大学副学部長のパー・ピーターソン氏は言う。「私たちは潜水艦用の水冷原子炉の構築と運転に熟練しました。そして、その一種の技術に囚われてしまったのです。」

他の原子炉設計や燃料構成を使用した初期の開発にも関わらず、業界はその単一設計、つまり軽水炉としても知られる水冷原子炉に世界標準として落ち着きました。原子力規制の許可プロセスにかかる時間と費用により、承認された設計から逸脱すると法外な費用がかかりました。

軽水炉は蒸気を発生させてタービンを回転させることで電気を生み出します。固体燃料は通常ウランで棒状に配置されており、およそ 4 年ごとに交換する必要があり、加圧水によって冷却されます。軽水炉の事故では、放射性物質が微粒子として放出される可能性があります。高圧蒸気により、チェルノブイリや福島での注目を集めた事故のように、これらの粒子が原子炉建屋から漏れる可能性があります。

「このタイプの原子炉では、重大事故の影響範囲がかなり大きくなります」とピーターソン氏は言う。「したがって、冷却、低漏洩、高圧の格納構造を提供する極めて信頼性の高いアクティブシステムを開発するには多大な努力が必要であり、そのためこれらの原子炉はより高価になってしまいました。そのため、スケールメリットを達成するために原子炉はますます大型化して建設されました。」

「結局のところ、それはあまりうまくいかなかったようです」と彼は言う。

1979年、ペンシルベニア州スリーマイル島の原子炉は、バルブの故障と操作員のミスにより部分メルトダウンを起こし、14万人が避難した。事故後、反原発感情がこの国の芽生えた環境運動の基盤となり、原子力施設の安全性や増え続ける使用済み核燃料棒の山をどうするかについての疑問が生じた。

その後 30 年間にわたり、何千もの原子炉が排出のないエネルギーを送り出すという原子力の初期のビジョンは、経済と政治によって弱められました。

成長の見通しは厳しいにもかかわらず、スレイボー氏は 2000 年代初頭にペンシルベニア州立大学の学部生として原子力工学のキャリアに興味を持ち始めました。彼女が最初に物理学に興味を持ったのは、たまたま大学の研究用原子炉での作業研究の割り当てを受けたときでした。

ウィスコンシン大学の大学院で、彼女はボルツマン輸送方程式の研究を始めました。「すべての中性子が核システム内のどこにあるかを記述する単一の方程式」とスレイボー氏は説明します。「核システム内のあらゆるものは、すべての中性子がどこにあるかから始まるので、それによって他のすべてを把握できるようになります。」

方程式を扱うのは難しい場合があるため、スレイボー氏は、方程式をより迅速かつ効率的に解くためのアルゴリズムとソフトウェアを作成する専門知識を開発しました。これは、最終的には新しい原子力技術の設計とモデリングに適用できます。

「真の予測モデリングにより、新しい原子炉の設計シナリオで何が起こるかについて質問することが、より実現可能で、手頃な価格で、実用的なものになります」とスレイボー氏は言う。「ベストプラクティスと品質についても、私は深刻な懸念を持っています。原子力システムで使用しているコードが確実に機能することを確認したいのです。」

「基本的に、私は他の人が分析に使用するツールを作っています。ですから、他の人がより良い家を建てられるように、より良いハンマーを作ることに本当に興奮しています。」とスレイボー氏は言います。最近、エネルギー長官によって原子力エネルギー諮問委員会の委員に任命されたスレイボー氏は、エネルギー省が組織し、原子力エネルギー諮問委員会が直面する技術的、規制的、財政的問題について指導を提供するグループ「原子力イノベーション加速ゲートウェイ（GAIN）」とも協力している。新興の「先進原子力」産業。

先進的原子力とは、代替核燃料と冷却システムを組み込んだ小型原子炉設計に関する新しい研究を表すために使用される包括的な用語です。一部の先進的な設計では、既存の核廃棄物を燃料として再利用します。または濃縮を必要としない燃料を使用することで、原子力エネルギーに関連する安全上の懸念が軽減されます。

「重要なことは、政府がこれまでにない方法で国の研究所のリソースを民間企業が利用できるようにしていることです」とスレイボー氏は言う。「あなたが原子力関連の新興企業であれば、実験が必要になるまでにできることは限られており、核実験施設を建設するつもりはない。なぜなら、それは困難で費用がかかるからである。しかし今では、国立研究所と提携して、彼らの実験リソースを活用してください。私は、この種の研究のために大学からの道をどのように確立するかについて話してきました。」

スレイボーの原子力イノベーションブートキャンプの支援者であるサードウェイは、過去 1 年間にわたり、先進的な原子力産業を定義する多数の報告書や白書を発行しました。彼らは、米国とカナダ全土で、先進的な原子力エネルギー技術に取り組んでいる48のプロジェクトと新興企業、13億ドル以上の価値があることを発見した。

それらのプロジェクトの 1 つは、バークレーの Per Peterson の研究グループによって主導されています。博士号取得後バークレーで機械工学を研究していたピーターソンは、業界が当初採用していた能動的安全システムを置き換えて大幅に簡素化することを目的として、軽水炉用の受動的安全システムの設計を始めました。

「2002年に遡りますが、米国は第IV世代と呼ばれる先進的な原子力技術に関する国際的な取り組みを開始しました。これにより、私たちは単なる受動的安全性を超えて、先進的な原子力技術に何を期待したいのかを考えるようになりました。」と彼は言います。

これらの経験により、ピーターソンはまったく新しいデザインを構想するようになりました。「現在、私の研究の大部分は、溶融フッ化物塩によって冷却される先進的な原子炉に関するものです。1950年代後半に原子炉用途として溶融塩が初めて研究されて以来、この原子炉は大きな進歩を遂げています。」と彼は言います。

溶融塩反応器は、高温でも液化して安定したフッ化物塩によって冷却されます。軽水炉のように加圧する必要がないため、大規模な事故の可能性が低くなります。

「溶融塩は素晴らしい熱伝達流体です。溶融塩は膨大な体積熱容量を持っているため、非常にコンパクトです。これにより、耐用年数が限られ、耐用期間中に複数回交換されるように原子炉容器を設計することができます。」植物を植えます」とピーターソンは言います。「限られた耐用年数に焦点を当てると、イノベーションと古いコンポーネントのアップグレードという点で、まったく異なる領域に入ることができます。」

ピーターソンは、2010 年にアメリカの原子力の将来に関するエネルギー省のブルーリボン委員会に任命され、新しい原子力規制基準に関する全国的な議論にも貢献しています。「NASAがSpaceXのような新興企業に資金を提供する商用軌道輸送サービスプログラムを立ち上げてからちょうど10年が経ち、民間の新興企業はより機敏に、かつ高いレベルが要求される分野でも活動できるという考えのもと、大きな変化が起きている」技術的な洗練さ。」

ピーターソン氏は、規制の厳しい他の業界の成功からインスピレーションを得ていることが、楽観的な姿勢を保っていると語る。「急速なイノベーションが起こる可能性があり、原子力技術に大きな変化をもたらす可能性があります。これが今後10年間、私たちが取り組む必要があることです。」

カリフォルニア大学バークレー校提供

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