原子炉圧力容器の水位が下がるのはなぜ？

質問

燃料を冷却する水ですから外部に漏れる事は基本的に無いと思います。
圧力容器内の温度が高くなっても、水が圧縮されるとは思えず、そうなると
どうして水位が下がるのでしょうか。
燃料の周囲が沸騰して見た目上水位が下がるのでしょうか？

それから海水を注入とありますが、これは水を入れることでとにかく
圧力を増して沸点を上げるということで行われているのでしょうか？

回答No.3

Chicago243 · ベストアンサー

原子炉ないの水から発生した水素が外に漏れています。それが建家の水素爆発につながっています。なので気体(水蒸気あるいは水が分解した水素など)はある程度出ていくような仕組みになっているのではないかと勝手にスペキュレーションしています。

>圧力を増して沸点を上げるということで行われているのでしょうか？
そうでないと思います。目的は温度を下げ、圧力を下げることです。温度が一緒であれば水であっても水蒸気であっても反応は進むと思います。

お礼

どうもありがとうございます。

なるほど、水素という形で水が抜けるんですね！　あれだけの爆発という事は相当量の水素が出ている
でしょうから、それだけ冷却水が無くなっていると。
また、圧力容器の圧力を逃がすため（海水を入れるため）、水蒸気を逃がしますがこの２つが主な水位低下の
原因なんですね。

わたし、単純に一次冷却水の逃げ場がそもそも無いと思ってしまったので、水を入れ続けるという行為は
水の出口があるわけがないので、圧力もどんどん上げているようなイメージがありました。

しかし入れた水が水素という形で抜けていっているとすれば全て理解できます。

ありがとうございました。

回答No.2

parts

Ｑ／燃料の周囲が沸騰して見た目上水位が下がるのでしょうか？

Ａ／小学生でも習うレベルで簡単に言えば、フラスコにお湯を入れて、完全に密閉し、お湯を沸かすとどうなるかということです。徐々に蒸気となりお湯は減っていきます。最後に、フラスコはその蒸気の内圧に耐えられず最も弱い部分を中心に破損、または爆発します。それを考えれば分かるかと思います。これは、蒸発した蒸気がフラスコの内圧を高めるためです。もっと、身近な例で言えば、ヘアスプレーなどを、ストーブの前に置くと爆発することがあるのと似ています。

その前提で回答します。
まず、原子炉の格納容器は4Khpa（4気圧相当）を超える気圧に耐えられるように設計されており、現実にはそれ以上の（某原発1号機は最高8気圧相当まで気圧が上昇しています）気圧に耐えられます。一般に沸騰軽水炉は、4気圧以上の設計基準に対応する用設計されていますが、4気圧を超えると警戒域となるようです。

沸騰軽水炉は、軽水（真水）を使い直接原子炉でお湯を沸かします。そのお湯をタービン室に送り発電します。核燃料を燃料に使うことを除けば、ほとんど火力発電と同じ原理で発電をするのです。発電が完了した蒸気は、海水を循環させている二次冷却水のパイプと接し、温度が下がり再び結露し水に戻ります。それを再び、炉に戻します。

この循環を繰り返すのです。
もしも、この循環の中で冷却の過程が停止したら・・・。
二次冷却水が何らかの影響で加熱されたり、一次/二次冷却水のポンプ故障で水が回らなくなった場合、内部が加熱され、蒸気が大量に発生するようになります。一次冷却水をためるプールも発熱し、高圧高温となります。

そして、炉内に蒸気が充満し始めるのです。蒸気の充満が始まると、徐々に内気圧が上がります。そうすると、今度は一次水の温度が100度を超えるようになりますが、それを越える発熱で蒸発も続くようになります。さらに加熱され、蒸気圧は3気圧、４気圧、5気圧と増えていくのです。このまま放置すれば、格納容器が破損し、燃料棒が外気に露出してしまう恐れがあります。これが発生すれば、高レベルの放射能漏れになります。

それを防ぐために、圧力容器からタービン室に抜ける蒸気をなど余剰蒸気の一部を外部に逃がす作業が行われます。これが、いわゆるベントです。すると、蒸気が逃げますが今度は、冷却水が減ります。

減ると今度は、燃料棒（放射線）が徐々に露出するのです。これが、質問の答えです。

その先まで書くと、燃料棒が露出すると、放射性物質との反応によって気化している蒸気の一部が、水素に変わります。それが、ベントに使うパイプなどの、どこかから徐々に抜けてしまい、建屋に充満するようです。ちょっとした振動などから、発火すれば建屋が崩壊する爆発が発生します。その際圧力容器内部が爆発しないのは、圧力容器内には酸素がないことと、容器は外部からの衝撃に強い仕組みとなっているためと思われます。（ここは詳しくは分かりませんが）

Ｑ／それから海水を注入とありますが、これは水を入れることでとにかく圧力を増して沸点を上げるということで行われているのでしょうか？

Ａ／圧力の問題ではありません。

単純に原子炉を冷やすためです。燃料棒は運転を停止しても核反応を続け熱を発するという特徴があります。そのため、安定停止をするには冷却を継続して行う必要があるのです。これが行われなければ、安定停止が出来ないのです。即ち、火を消してもしばらくは火がくすぶり続けるのです。そして、放置すると徐々に温度が上がり、燃料棒が自らで自らを溶かすようになります。（これが溶融です）
そのため、冷却のために、水を加えるのです。水を入れて炉心を冷やし続けることで、温度が安定し、炉心溶融を避けることができます。尚、水にホウ酸を加えてというのは、ホウ酸は中性子を吸収し、核反応を抑える効果があるためです。これは、燃料棒や制御棒にも含まれていますが、水にも加えることで、発熱（出力）をさらに抑えることが可能になります。

さらに、燃料棒より水位を高く保つ理由も、同じ理由と、先に述べたように水素の発生を抑えるという理由もあります。尚、炉心が溶融してそれを全く抑えられない空だきの状態になると、燃料棒は溶けてしまいます。ウランなどを含む燃料棒は、加工された高濃度の放射性物質であり、放置するととても高温になるため、それを放置すると金属なども溶かしてしまうのです。放置すると、炉に穴が空き大惨事となります。

ということだと思われます。あくまで、知識範囲の回答で、正確なものではないかもしれません。化学式などは、原子力関連の書籍やwikipediaなどを探し調べて下さい。そして、あくまで参考として下さい。

お礼

どうもありがとうございます。参考になりました。

>徐々に蒸気となりお湯は減っていきます。最後に、フラスコはその蒸気の内圧に耐えられず最も弱い部分を中心に破損、または爆発します。

この、徐々に蒸気となりお湯が減っていくというのが実はよくわからないのです。
閉じたフラスコ中に水蒸気が出て行く過程でお湯の量は少なくなりますが、
それを加熱すればするほどさらに水蒸気になりお湯が減るのでしょうか？
今回は高圧高温下で、定常的に水蒸気とお湯がある状態が既にあって、
水蒸気は既に飽和状態だと思う訳です。
そこから何らかの原因で、水面が２メートルも４メートルも下がったという事なんですね。
圧力容器はかなり巨大なので、これほどの量のお湯がさらに
水蒸気になったとすれば、それはそれは密度の濃い水蒸気でしょうから
タービン等のところで一気にお湯に戻ると思う訳です。
すると、見た目上、燃料の周囲で沸騰状態になり水蒸気が多量、そして
タービンとか他の部分ではお湯が多量になるのではないかなぁと。
だからトータルのお湯の量は大して変わらなくて、お湯と水蒸気の分布が
変わるんじゃないかなぁと思った訳です。

それから相図をみて定積変化を追うと、温度を上げていけばガスと液体の比率はだんだんと
ガスが優位になるのですが、あまりにも微量にしか見えないんですね。

それともう一つの質問ですが、確かに原子炉を冷やすためというのは分かります。
しかし原子炉が高温高圧状態なので、そもそもポンプの圧力では水を注入できず、
上記の状態が続くのでやばいと。
で、一旦圧力容器の水蒸気を抜くのは、高すぎる炉内の圧力を下げて水をポンプで入れるため
なのはわかります。で、新たに入れた水が沸騰するまでにどんどん
水を入れ、水圧を高める事で沸点を上げてしまえば燃料の周囲で沸騰が
起きないのではないかな？と。だから延々と水を注入し続ける
作業をしているのではないかと思った次第です。

どうもご回答くださりありがとうございました。

回答No.1

oo14

物理の法則を無視している現象がどこかで起こっているのは明らか。
質量不変の法則です。
これを、だれも指摘しないのは、とっても言い出せないような状況なのでは。
これは誰もが思っていることです。
とにかくいろんなところに矛盾が多すぎます。
外国のメディアは次は我が身、正直に話してとは、問いかけているようですが。
マスコミも突っ込まないところが、なんか変です。