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第1部   科学技術発展の展望
第5章  新分野の開拓と科学技術水準の向上
1  先導的技術分野の推進
(1)  原子力開発



(1) 技術発展の傾向

原子力平和利用の分野は,きわめて広範囲にわたつているが,大別すると,原子炉内で行なわれるウランの核分裂に伴つて発生するエネルギーを利用する分野と,原子炉等で生産されるラジオアイソトープ等の放射線を利用する分野との二つに分けることができる。

後者の放射線利用については,レントゲンによるエックス線の発見(1895年)以来すでに半世紀以上に及ぶ歴史をもつている。

その技術発展の傾向を跡づけてみると,当初は,基礎科学面における研究のほかは,放射線の物質に対する透過作用と感光作用に着目して,主として医学診断と工業面における非破壊検査等を目的とする技術の開発が進められてきた。その後,放射線の物質,とくに生物体に及ぼす影響に関する基礎的な知見が明らかになるにしたがつて,医学面においてラジウム-226等のがんの治療等への利用も一般に行なわれるようになつた。

しかし,たとえば,この生物体に及ぼす影響に関し,放射線利用が農業面にまで及ぶようになつたのは,戦後,原子炉によつて各種のラジオアイソトープが大量かつ安価に生産されるようになつてからであり,これにより,放射線利用の分野は飛躍的に拡大し,利用技術も多様化するとともに一層高度化するに至つた。

すなわち,放射線の照射による物質の改質を目的とする放射線化学,食品照射,品種改良(放射線育種)などの新たな分野が開拓され,また,ラジオアイソトープの同位体効果に着目する各種のトレーサー利用や放射線の遮蔽効果に基づくゲージング利用等も,医学,農業,工業等の各分野に広く普及するようになつた。

このようにして,放射線利用技術は,ラジオアイソトープを中心として,ここ十数年のうちに,医学,農業,工業等の広汎な分野に急速に浸透し,今日では,わが国においても不可欠の技術分野を形成するとともに,高い技術水準を維持するにいたつている。

一方,核分裂によるエネルギーの利用についてみると,オットー・ハーンによる核分裂現象の発見(1938年),エンリコ・フェルミによる連鎖反応実験の成功(1942年)以来,その巨大なエネルギーの解放について人類は大きな希望を託してきた。悲しむべきことに,このエネルギーが最初にわれわれの前に姿を現わしたのは原子爆弾としてであつたが,科学者や技術者のたゆまぬ研究開発への努力は,遂に核分裂エネルギーの制御に成功し,その後の技術的進展は,こうした動力炉の実現という形で核分裂エネルギーの平和利用を可能にしたのである。

現在,世界各国で実用化されている動力炉は,アメリカで開発された軽水炉,イギリス,フランスで開発されたガス冷却炉,カナダ,ドイツで開発されている重水炉の三つの炉型を主流としている。

すでに,多くの原子力発電所がこれらの炉型を採用して建設され,運転を開始しており,着々,この実績を重ねつつある。

軽水炉は,アメリカにおいて,本来,軍用舶用炉として開発されたものであり,加圧水型炉はまさしく舶用炉そのものである。沸騰水型炉は,冷却方式を加圧水型炉の二重サイクルから直接サイクルに変えたもので,炉心構成,燃料などに本質的な差異はなく,炉概念としては加圧水型炉開発の過程から生まれたものである。

最初は軍用舶用炉として,経済性を無視して生まれでた軽水炉が商業用発電炉としてその経済性を確立するに至つたのは,もとよりこの間に技術的な進歩が図られたことによる。

しかし,ジルカロイ被覆濃縮ウラン酸化物燃料,軽水減速,軽水冷却という基本的な炉の性格は,その軍用舶用炉として完成された当初から,すでに技術的に確立していたものである。

一方,マグノックス被覆天然金属ウラン燃料からステンレススチール被覆濃縮ウラン酸化物燃料へと進み,さらに熱分解炭素被覆炭化物燃料へと発展しつつあるガス冷却炉では,これらの発展段階に対応して,発電コストの低下,核燃料経済の向上およびエネルギー利用分野の拡大が実現されつつあり,技術発展の動向をみるための一つの明確な事例を提供しているといえる。

軽水炉についても,初期に建設されたものから現在に至るまで,さらには建設または計画中のものまでを時代を追つてみると,そこに一つの技術発展の過程を見出すことができる。もちろん軽水炉の歴史は,さきにも述べたように,一つの完成した技術体系内での経済性の向上であつて,本質的な技術革新がみられたわけではない。その発展の方向は,建設費は比較的高いが燃料費はきわめて安いという原子力発展の特色を生かして,スケールメリットを得るために大容量化をめざしたものであつた。これは,米国内の電力需要が,年々,急激に増大し,かつ,ベースロードが高く,負荷変動が緩やかであること,したがつて,大容量発電所の建設が必要とされたこと等と相まつて,軽水炉開発の技術的な主目標となつたのである。

大容量化は,炉自体を大型化すること,出力密度をあげることを意味する。炉の大型化にあたつては圧力容器の制作,炉心構成,安定燃焼のための燃料濃縮度やこの配置等各種の解決すべき問題があつた。そして,これらの技術的な問題が解決され,最終的に安全性を確保できると確認されたことが,初期の電気出力15〜20万キロワットから,この10年間に40〜50万キロワットと逐次増大し,今日では70〜80万キロワットとなり,さらには,100万キロワットをこえる大容量のものを可能とするに至つた最大の要因である。

燃料の出力密度をみると,初期の軽水炉では10KW/FT余りであり,米国原子力委員会の設計基準も最近まで15KW/FTが限度であるとされてきた。ところが最近においては,16KW/FT〜,17KW/FTを狙うのは常識となつており,計画中のものでは30KW/FTのものさえある。これは,これほどの出力密度になると,燃料中心は融解しているが,外側まで溶けなければ安全性は十分保てるという結論が技術経験の積み上げによつて得られたためである (第1-55図参照)

ガス冷却炉は,黒鉛減速炭酸ガス冷却マグノックス被覆天然ウラン金属燃料のいわゆるコールダーホール型が世界で初めての商業用発電炉としてイギリスで開発されて以来,イギリスを中心として,フランス,イタリア,日木で,現在32基が稼動している。

第1-55図 最大線出力密度の推移

しかし,金属ウランは,660°Cで急激な相変化を起すため,燃料温度を制限しなければならず,このため,冷却材の取出し温度も制限されてくる。また,天然ウランを使用するため,必然的に炉心が大きくなり,建設費が高くなつている。これらの欠点を補い,かつ軽水炉と経済的に競争できるように改良の努力を重ねられた結果,燃料ウランを耐熱性の高い酸化物とし,出力密度をあげるために濃縮ウランを用いることとなつた。このため,中性子吸収の点でマグノックスより劣るが高温に耐えうるステンレススチールが被覆管として用いられ,燃料温度も中心部で1,620°Cに引き上げることが可能となつた。

ガス冷却炉のもうひとつの大きな技術革新は,プレストレスト・コンクリート圧力容器(PCDV)の開発である。これによつて,冷却ガスの圧力が高められて熱伝達率が増し,さらに,安全性の一層の向上が図られると同時に,大幅な建設費の低下を可能としているのである (第1-30表 および 第1-56図参照)

このように,アメリカの軽水炉やイギリスのガス冷却炉は,著しい技術進歩をたどり,原子力発電の実用化を達成したが,これに加えて,カナダの重水炉も,その実用性が確立されつつある。さらに,わが国とほとんど同時に原子力開発に着手した西ドイツにおいても,軽水炉の100%国産化の達成や重水炉のアルゼンチンへの輸出成約などにより,今日では原子力開発の先進諸国に十分追いついたことを自負するに至つている。これらの諸国においては,原子力発電は,  一応その技術的基盤を確立したということができよう。これに加えて,これら先進諸国においては,新たな炉型である高温ガス炉や究極の目標とされる高速増殖炉の開発をめざして,すなわち,より一層の核燃料の有効利用と原子力発電の経済性の向上をめざして,国家的な規模でのたゆまぬ努力が続けられているのである。

第1-30表 ガス冷却炉の進歩 マグノックス炉およびその改良型(AGR)

わが国においては,戦後10年間の技術的空白があり,原子力開発の当初においては,試験研究用原子炉すら外国技術の導入をまたなければ建設し得なかつた。

第1-56図 イギリス,マグノックス炉の燃料出力密度とガス圧力の推移

しかし,原子力のエネルギー源としての優位性に対する強い認識が原子力基本法の制定,原子力委員会の発足等研究開発体制の整備をもたらし,遅ればせながら研究開発への努力が始められた。この結果日本原子力研究所の3号炉(JRR-3)からは,逐次,試験研究用原子炉の国産化が進められ,今日では熱出力5万キロワットの材料試験炉を国産技術により建設しうるに至つている。

しかしながら,動力用原子炉の建設については,現在のところその国産化がまだ十分な段階には至つていない。原子力委員会は,その発足当初,動力炉開発のための基本政策を策定するにあたり,わが国においても早急に動力炉の開発利用に着手し,その技術的基盤を作る必要があると認め,外国技術に基づいて発電炉の輸入建設を進めるとともに,長期的にはわが国のウラン資源等が少ない等の事情から,増殖型動力炉を自主開発していくという基本方針を確認した。

その後,わが国でも国情に適した動力炉開発を早期に実施する必要性を痛感するに至り,その検討が進められた。当時としては,世界的にみても動力炉の主流となるべき炉型は定かでなかつたので,原子力委員会としては,独創的な構想による半均質炉をプロジェクトとして指定した。

このほか,水均質炉,重水冷却炉,トリウム利用炉等の構想もあげられ,各種の炉型についても幅広く研究開発を進めることとした。

しかし,その後のイギリスおよびアメリカの先進技術の進展にめざましいものがあり,コールダーホール型炉や軽水炉は,完全に実用化の段階に達した。

わが国としても,エネルギー需給の観点からみて,早い時期に動力炉の建設を行ない,技術上の経験を重ねる必要があると判断されたので,最初に濃縮ウランに依存する必要のまつたくないイギリスのコールダーホール型炉の導入を行なつた。その後濃縮ウラン供給について明るい見通しが得られ,かつアメリカの軽水炉の経済的優位性が次第に明らかとなつてくるにしたがつて,軽水炉の導入が増加し,現在においては,わが国における軽水炉は,第一世代炉の主流を占めるに至つている。

わが国の当初の動力炉開発への努力は,新しい型の動力炉を開発するという形での成果をもたらさなかつたものの,この研究開発の途路で得られた技術的経験や成果は,軽水炉の導入にあたり,すみやかにこれを消化し,不十分ながらも軽水炉の国産化を可能とするのに大いに役立つたといえる。しかしながら,大容量,高出力密度という技術水準の高いものほど,その国産化率は一般に低いのが現状であり,技術水準向上への努力をさらに重ねていく必要がある。

以上のような動力炉開発の過程をふまえて,わが国では,将来における核燃料の有効利用を図り,国情に適した原子力発電体系形成のための自主的研究開発が始められた。

すなわち,国のプロジェクトとしての,新型転換炉,高速増殖炉の開発がそれである。これらの新しい開発分野には,多くの解決すべき技術的問題が残つているものの,高速増殖炉については,実験炉の建設がすでに決定されるとともに,新型転換炉についてはその原型炉の建設が始められることになつており,将来の発展が期待されている。

さらに,熱経済の観点からとくに注目される一つの技術発展の方向は,原子炉から取り出されるエネルギーを発電の目的に限らずきわめて多方面に利用することであり,その試みが世界各国においてなされている。

これには二つの方向があり,その二つは,実証型炉の熱経済を高めるために,発生する蒸気を発電とともに,地域暖房,海水淡水化等へ利用しようというものであり,もう一つは,原子炉のエネルギーを高温ヘリウムガス等の形で取り出し,発電に利用するのみならず,各種化学工業のプロセスヒート,製鉄等に用いようとするものである。とくに,西ドイツでは,高温出力による発電の熱効率の増大という点からも,高温ガス炉の開発には大きな力を注いでいる。また,アメリカで現在開発が進められている原子力ロケットも,高温ガス炉の変形とみることができよう。


(2) 期待される効果

原子力平和利用に関する研究は,今日,原子力発電をはじめ,原子力船,放射線利用等広汎な諸分野において著しい進展をみせ,基礎的な段階から,一歩進んで実用化へと大きく前進が図られようとしており,これに寄せられる期待もきわめて大きなものとなつてきた。

とくに動力利用については,わが国がエネルギー資源に乏しく,その大部分を輸入に頼つている現状にかんがみ,自主エネルギーの確保という面で原子力の開発利用は重大な意義をもつている。当面のエネルギー対策として,現在軽水型炉の発電所が多数建設されつつあるが,近い将来に備えて,わが国独自の動力炉としての新型転換炉の開発が強力に進められつつあり,これによつて一層安定したエネルギーの供給が確保されるものと期待されている。

すなわち,新型転換炉は,軽水炉と比較して,発電原価は同等もしくはそれ以下になる見通しがあるのみならず,濃縮ウランをまつたく必要としない天然ウラン型のものや,プルトニウム富化ウランを使用する型のものはもちろん,たとえ微濃縮ウランを初装荷燃料として用いる型のものであつても,ウラン消費量が少なくてすみ,多量の濃縮ウランを必要としない点,核燃料経済上きわめて有利である。将来の原子力発電体系では,核燃料の使用―再処理―再使用という,いわゆる核燃料サイクルを十分考慮に入れて,新しい炉の開発,炉型構成等を考えていくのは当然のことであり,とくに,わが国のようにウラン資源が少ない国では核燃料の有効利用を積極的に図らねばならない。

この意味で新型転換炉の開発実用化とこれに続く高速増殖炉の開発によつて,低廉な電力を大量に,しかも安定的に供給できるようになれば,国民経済に与える効果も,きわめて大きなものとなろう。

さらに,各国において開発されつつある海水淡水化,地域暖房等への原子炉の利用技術が確立すれば,熱経済の観点からみて,きわめて大きな利点をもつことになる。また,西ドイツを中心として進められている高温ガス炉を製鉄に利用するという開発研究は,原子炉によつて1,000゜C以上の高温ガスを得て,それによつて製鉄を行なうという画期的なものであるが,まだ,高温耐熱材料,熱交換器等に関連するむずかしい技術上の問題を解決していかなければならない。

しかし,将来この型の原子炉が実用化されることになれば,エネルギー利用の分野にさらに大きな変革がもたらされることになろう。このように,原子力エネルギーの利用状態もますます多様性を増し,人類社会の福祉に大きく貢献することになろう。

また,原子力の動力利用としての特徴を十分に生かす可能性をもつものとして,将来性の大きい原子力船については,わが国においてもその第1船の建造が,予定されているスケジュールに従つて着実に進みつつあり,将来の海運を考えるとき,この成果に大きな期待が寄せられている。

一方,技術革新の見地からすると,原子力開発は,原子力に直接関連するか否かを問わず多くの新技術の開発を包含し関連技術を有機的に駆使し,組み合わせている点で,一つの興味ある型を示しており,在来技術に対する刺激効果はきわめて大きい。

たとえば,圧力容器に使われる鋼材やセメント類,または制御用の電子機器などは,品質性能ともに普通の大型機器,建造物に使用されるものより精度の高いものが要求され,他の産業の技術向上に大きく貢献している。とくに新型転換炉,高速増殖炉は自主技術によつて開発されるものであり,わが国の技術水準の向上に大いに役立つものと期待される。

原子力開発の進展は,また,エネルギー利用面のみでなく,放射線利用の面においても,めざましいものがあり,各種の分野で広汎な研究が進められている。この結果,トレーサー利用やオートラジオグラフィーなどのまつたく新しい手法が開発され,これらの技術は,現在,公害調査や農業等の分野で重要な役割を果している。

また,医学利用の面においても積極的に技術開発が進められ,とくにがんの治療では,放射線治療はなくてはならないものとなつている。

さらに,最近においては,ラジオアイソトープの国産化が進み,放射線計測技術の改良による測定精度の向上と粒子加速器の技術進歩によつて,中性子線照射や放射化分析等の応用分野の拡大が図られつつある。とくに,速中性子や短寿命ラジオアイソトープの治療効果の優位性には大きな期待がもたれており,このために,新しい加速器の開発が行なわれることになつている。


(3) 技術的問題点

わが国では,放射線利用の一部の面を除いて原子力開発利用については,その着手が欧米先進諸国と比べてかなり立ち遅れた関係もあり,新しく開発していかねばならない技術はもとより,現在各国で実用化されている各種の技術についても種々な問題点が残されている場合が少なくない。現在,わが国で建設が進められている軽水炉については,まだ国産化されていない部分,とくに,絶対の信頼性を必要とする制御装置や高度の技術を必要とする燃料取換装置などについて解決すべき問題が残されている。こういう部品については,現在のところ長い運転経験と豊富な建設経験を有するアメリカに頼らざるを得ない状況であるが,建設の経験を積むに従つて,漸次国産化が可能となりつつある。

さらに,原子力発電に関する技術上の大きな問題として,タービン技術があげられる。飽和水蒸気を使用する軽水炉では,タービンの技術的進歩が大容量化による経済向上にとつて不可欠なものとなる。

また,ガス炉については,その特色を十分発揮させるために,出力温度の増大を図るとともに,熱効率の大幅な上昇を可能にするものとして,一次系に直接ガスタービンを用いることが検討されており,その開発に期待がかけられている。

しかし,効率的大型ガスタービンの開発については,研究が進められているとはいうものの,なお,多くの技術的難点が残されており,その実現はかなり先のこととなるであろう。

現在ナショナルプロジェクトとして,開発が推進されている新型転換炉は,わが国が初めて自主開発する動力炉であり,その成果に大きな期待が寄せられているが,それだけに技術的問題もまた少なくない。

新型転換炉の原型炉建設にあたつては,計画されているプルトニウムセルフサスティンニング方式 (注) の実証,設計データの精度向上および実験的確認,比較的経験が少ない圧力管,燃料集合体,燃料交換装置などの開発といつた大きな問題が残されている。

また,新型転換炉に続くものとして,高速増殖炉の開発を同じくナショナルプロジェクトの形で進めているが,これについては,ナトリウム技術の開発が最も大きな問題となつている。

これについて,各種試験ループを用いた研究が行なわれているが,未経験な分野が多く,第1段階としては,高速実験炉建設に対処するだけのデータの蓄積や技術の早急な確立が望まれるところである。

このほか,高温ガス炉の問題に附随して,高温熱交換器の研究等が問題となる。さらに,燃料関係では,新しい炉型の開発と関連して,プルトニウム燃料や,混合酸化物系燃料の技術開発および酸化物系燃料よりすぐれた炭化物系燃料の技術開発等が必要である。最近では,トリウム利用の必要性が議論されているが,これらの研究については,ようやく基礎研究の段階にはいつたばかりである。


注)取替燃料として,当該炉の使用済燃料から取り出した生成プルトニウムを富化することにより天然ウランの供給のみで運転するもの。

将来の原子力開発利用の発展にとつては,これらの山積する技術的課題を着実に解決していくことが必須の条件であり,従来のような外国技術の導入が徐々に困難となりつつある国際環境の現状にかんがみ,こういつた技術的課題を解決するために国家的規模でより大きな努力を払うことが強く要請されている。


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