藤林レポート - 福島原発事故の現状分析 (推測) (2011-04-01)2011/04/03 02:45

何度か本欄で紹介した藤林さんが, 原発事故に関して, その後の状況変化を踏まえ, 新たにレポートを発表したので, 以下に採録させて戴いた.

皆様の不安解消に少しでもお役に立てれば, 藤林さんの意図に少しでも貢献できるのではないかと思う次第である.

面白半分か如何かは知らぬが, 「被災地では, 性犯罪が横行している」 とか, 「救援物資を外国人留学生が横領している」 とか, 事実無根の, 野次馬風評がネットに流れている.

原発事故についても, 徒に不安を煽るだけのネット情報が出回っている.

言語道断である.

そんな似非情報に惑わされてはいけない, と憤りを感じているが故に, 是非読んで戴きたい.

(以下, 引用である.)

福島原発について多くの方々から, 放射能について問い合わせを戴いています. その多くは, 放射能の放出のニュースやその数値とともに, 飛び交う悲観的な情報に心が落ち着かないことから, 実際の状況を正確に知りたいというものです.

具体的には, 原発は今どのような状況にあってどのように進展するのか, そこから放出される放射能は今後増えるのか, 更に, その影響はどうなのか, と言ったことを, 正しく知りたいということです.

原子炉の事故という切り口で次のように回答させて戴きます.

前書きとして次のお願いをします。

不安は, 内容が分らないということで増長します. 内容が理解できれば, それに近づくことができて, 自分のものとして理解し判断することができます.

テレビで水素爆発の映像をみて, 私も皆様と同様に驚愕を覚えました. 放射能をばら撒く原発が悪魔のように思えるかもしれません.

でも問題は, 悪魔と考えてそこから逃げようとすると, ますます不安に駆られるということです.

そうなると, 理解しようとする気持ちが薄らいで, 不安が残り少しも安心に近付けません. どうか, 疑心暗鬼にならないで, 正しいことを理解しようと一歩進んで下さい.

また, 行政の説明やテレビなどのニュース情報は信用できない, 隠しているのではないかという方もおられます.

これについては, 次のように回答します.

行政や専門家の方は, 不安にさせてはいけないという多少の配慮はあると思いますが, 真実を隠し, 嘘を言うことは絶対にありません.

なぜ説明に歯切れが悪いかと言うと, 実態が解らないからです. だれも経験したことがない災害で, これに当て嵌まる文献がなければ資料もないからです.

計測機器は壊れて情報はないし, 放射能が高くて現場で確認することも出来ないからです.

私たちもそのような立場になれば, 無責任な説明は出来ないでしょう. どうか, このような状況を理解して, 行政や専門家の説明を自分で取捨選択出来る様にして下さい.

私も原子炉が今どのようになっているのか情報はありませんので, 正しく説明できませんが, 少しでも皆様が判断できるように推論で説明します.

このような場合, 前例を知って, それに照らして今回どうであったかと推察するのも一つ方法です.

最近, 福島原発事故はレベル 6 に引き上げられ, チェルノブイリのレベル 7 とスリーマイル (TMI) のレベル 5 の中間の事故とされました.

そのため, この後はこれらを参考にしながら説明します.

<事故発生直後の状況>

ここでは, 福島原発と類似の原子炉である TMI-2 号機を例にしてその事故を参考にしながら説明します.

チェルノブイリの事故は炉心自体が爆発して, 黒鉛が燃えて空高く放射性物質を巻き上げ放出した事故なので, 福島原発の事故と比較することは意味がありません.

TMI-2 号機は, 加圧水型原子炉といって, 福島原発の沸騰水型原子炉よりも原子炉の圧力が高く設計され, そのため圧力容器は小さめで原子炉はコンパクトに設計されています.

TMI-2 原子炉容器および炉心の最終状態は下の図のとおりです.

<原子炉の詳細模型図は省略. 知りたい方は, Google で report-fujibayashi を検索して戴きたい.>

原子炉の炉心は溶融し, そのウランの一部は圧力容器の底に溜まり, その上部にデブリと称する, 燃料や構造材の酸化物が混在したものが重なっています.

原子炉の中央部は熱出力が周囲や上下より高いため, 熱が篭り, 高熱になって溶けたものと考えられます.

その上部には, 固まっていないデブリが重なり, 下部と周囲の一部の燃料はその形状を保ち, さらに, その周囲の圧力容器に接する構造物も形状を留めています.

それではこの TMI-2 号炉と福島原発とを比較してみます.

福島原発の 1 号機, 2 号機, 3 号機は, 全出力で運転しているときは, 電気出力が, それぞれ 460 MW, 780 MW, 780 MW です.

地震発生後直ちに自動停止しましたが, その後の地震によって冷却ができなくなりました.

一方, 事故を起こした TM -2 号機は, 電気出力が 960 MW で, 運転中に冷却できなくなり, 8 秒後に停止しました.

即ち, 福島原発は停止後冷却不全に陥り, TMI は冷却不全になってから停止したので, 原子炉の停止と冷却不全が逆です.

どちらも冷却不全による炉心燃料の損傷が事故の源ですが, そこには違いがあります.

冷却しなければならない熱 (炉心の発熱量) は, 原子炉の運転中に燃料の中で生成して蓄積した核分裂生成物が発生する崩壊熱です.

この崩壊熱は時間とともに減少しますが, 全出力を 100% とした時のその量の時間変化は, ほぼ次の通りです.

10 秒後 :5%, 1 分後 : 4%, 10 分後 : 2.4%, 30 分後 : 2%, 1 時間後 : 1.7%, 1 日後 : 0.5%, 1 週間後 : 0.3%, 1 月後 : 0.2%.

即ち, TMI では, 冷却不全になった時の発生熱は, 1 時間あたり, 約 2800 MW で, 10 秒後の原子炉停止直後は 144 MW であり, 冷却が回復したのはさらに 2 時間 20 分後なので, それまで 1 時間あたり 140 MW 程度の熱が 2 時間 20 分続きました.

一方, 福島原発では, 3 号機を例にとると, 地震発生後 30 分で冷却不能になったと仮定すると, そのときの熱は 1 時間あたり 47 MW でした.

炉心注水が開始されるまでの約 30 時間, 1 時間あたり, 約 40 MW の発熱が続きました.

条件のもう一つの違いは, 体積 1 L あたりの発熱量 (出力密度) の違いです. 同じ発熱量でも, 密に発熱するか, 疎に発熱するか, によって, 熱の篭り方に違いがでてきます.

PWR が約 100kW に対して BWR は 50kW と半分です. 即ち, TMI は福島第一 3 号機に比べて, 熱が篭りやすい状態で発熱したことになります.

一方, 除熱側について考えてみると, 水のない状態では, 燃料の発熱は, 圧力容器の壁を通して外部に放熱されます.

放熱量は面積に比例するので, 両者を比べると, TMI の圧力容器は内径 4 m x 高さ 12 m 程度なので, 面積は略 140 平米ですが, 福島第一 3 号機のそれは, 内径 6 m x 高さ 22 m 程度なので, 面積は約 400 平米で, 略 3 倍, 熱除去の効率が同じとすると 3 倍放熱し易い事になります.

以上の特徴を纏めると次のとおりです.

1) TMI は冷却不全になったときの発生熱は, 1 時間あたり, 約 2800 MW で, 停止直後の発熱量は 144 MW と高いが, 福島原発は停止後冷却不全となったので, その直後の発熱量は, 1 時間あたり 47 MW と低い.

2) 福島原発の出力密度は TMI のそれの半分なので, 熱が篭りにくい.

3) 福島原発の圧力容器の表面積は TMI のそれに比べて 3 倍広いので放熱しやすい.

以上の事から, 福島原発の事故後の原子炉の中を推測すると, TMI に比べて冷却不全直後の発熱量は少なく, また放熱しやすいので, TMI の事故後の状態よりも損傷の程度は軽いと考えられる.

<燃料の溶融は軽微で, 酸化は進んでいる.>

前述の通り, TMI は冷却不全が生じた時の発熱量, 1 時間あたり 140 MW 程度の熱が 2 時間 20 分続きました.

一方, 福島原発は 1 時間あたり, 約 40 MW の熱が 30 時間続きました.

その結果, 短時間ですが高熱になった TMI では炉心のかなりの部分が溶融し, その後冷却ができたので, その状態が保持されました.

然しながら, 福島原発は, TMI ほど高熱になっていないため, 溶融部分はあっても僅かであると考えられます.

然しながら, その後, 30 時間という長い間, 冷却不全の状態が続いたので, 燃料と構造材の高温酸化が進行したと考えられます.

ジルカロイの溶融温度は 1850℃ です. この被覆管は直径約 1 cm, 長さ約 400 cm, 厚さ 0.7 mm の円筒形です.

その中に融点約2 750℃ のウランペレットが入っています.

燃料棒の運転中の出力を最大 12 Kw/ft とすると, 炉停止後の余熱はその直後で 2% 程度, 即ち, 長さ 30 cm あたり 240 ワットと家庭用のヒータ並みです.

原子炉の炉心内に水があるときは, 一部が水面上に露出しても, 被覆管の熱伝導, 蒸気や水滴による冷却で, 被覆管が溶融する温度に達するとは考えられません.

燃料棒の周りから完全に水がなくなった. 所謂, 空焚きの状態を想定しても, 高温になると, 輻射熱が放出されて, 溶融温度までには至りません.

また, その内側にあるペレットは, 発熱量が定常運転時の数 % であるため, 被覆管温度よりも精々数百 ℃ 程度高いだけなので, とても融点約 2750℃ にはなりません.

然しながら, 被覆管のジルカロイ合金とペレットの二酸化ウランは, 空気や水蒸気の環境では腐食 (酸化) します.

すなわち, ジルカロイ合金は酸化ジルコニウムに, 二酸化ウランは三酸化ウランなどになり, 結晶構造が変ります.

そのような反応は温度が高いほど進行しますが, それが進むと, 被覆管は穴があいて内部の放射性物質を保持できなくなり, またペレット内の放射性物質は外に放出し易くなります.

<放射性物質の放出挙動>

放射性物質は, 原子炉の運転中にペレット内で生成して自ら変化しながら, 固体状の放射性物質はペレット内に留まり, 希ガスは多くがペレットと被覆管との隙間に蓄積し, よう素や臭素の揮発性の放射性物質は一部が隙間に放出して蓄積します.

然しながら, 原子炉が停止した後は, 放射性物質は生成しないので, それまでに蓄積したものが, 自ら減衰しながら, 上記のように振舞います.

これらがどのように燃料棒から外部に放出されるか説明します.

被覆管の破損による放出 - 被覆管が破損した時は, まずペレットと被覆管との隙間に蓄積していた希ガスが放出します. 次に, そこに蓄積していた揮発性のよう素や臭素が放出します. 従って, 被覆管の腐食を抑えるために, 温度が高くならない様にすることが重要です.

破損燃料からの放出 - 破損した燃料棒の温度や圧力が変化すると, 破損燃料棒の隙間にある放射性物質が放出されます. 従って, 周囲をできるだけ安定させることが重要です.

ペレットの酸化による固体状の放射性物質の放出 - ペレットが水と反応して酸化すると, 結晶構造が変化して, そこに蓄積していたストロンチウムやプルトニウムなど, 固体状の放射性物質が放出される事があります. 従って, ペレットと水との反応 (腐食) を抑えるために温度を低く保つことが重要です.

<燃料と放射性物質の種類と振る舞い>

福島原発の事故により, 空気中の放射能や野菜, 牛乳, 水などに含まれる放射性物質が検出されています.

これらはキセノン, クリプトン, よう素, セシウムなどと呼ばれていますが, これらの害を知るにはその振る舞いを理解しておかねばなりません.

また, 3 号機ではプルトニウムを混ぜた MOX 燃料が使われているため, これが災害に影響を与えるのかと言った質問もあります.

<ウラン燃料と MOX 燃料>

天然ウランには, ウラン 235 とウラン 238 が 0.7% と 98% の割合で含まれています.

このうち, ウラン 235 を最大 5% (平均 3% 程度) まで濃縮して福島の原子炉で使います.

従って, 残る 97% はウラン 238 ですが, これはウラン 235 が核分裂して生成する中性子を吸収してプルトニウムに変化します.

即ち, ウラン 235 が核反応を起こしながらプルトニウムが生成するのです.

このプルトニウムを使用済燃料から取り出して, ウラン 235 の代りに使った燃料が MOX 燃料です.

従って, MOX 燃料の大半はウラン 238 のままで, 混ぜるプルトニウムの量も, ウラン 235 の量よりやや多いですが, ほぼ同じと考えて差し支えありません.

然も, 福島などの計画では, 全部の燃料を MOX にするのではなく, 精々 3 割程度です. この様なことから, MOX 燃料を使っても, 燃料や炉心の物理的な現象は殆ど同じです.

ウランとプルトニウムは違う物質なので, その特性は違いますが, その違いはほんの僅かで殆ど同じです.

3 号機の燃料が過熱しやすく, 溶融し易く, また放射性ガスを放出しやすい, などの情報は僅かな差を誇大に表現したものです.

また, 事故時の挙動ですが, ウラン燃料だけの炉心でも, 前述のとおりプルトニウムが生成しているので, 始めからプルトニウムを使う MOX 燃料を用いた炉心と同じです.

ウランから生成する放射性物質とプルトニウムから生成する放射性物質は同じで, その生成する割合もほぼ同じですから, 事故時に放出される放射性物質の種類も同じで, その割合にも有意な違いはありません.

<放射性物質の種類と振る舞い>

放射性物質とは, 天然にあるウランと核反応で生成する核分裂生成物やウラン, プルトニウムなどの総称です.

核分裂生成物の特性として, 時間とともに他の物質に変化し, いずれ放射能を出さない物質になりますが, この物理的な特性とともに, 化学的な特性を理解しておいてください.

放射性物質は, 不活性のもの, 揮発性のもの, それに常温で固体のものに大きく分かれます.

不活性放射性物質の代表的なものがキセノンやクリプトンで, これらはそのままのガス体として存在します.

従って, 何とも反応せず, 人体に留まることはないので, 外部からの被曝だけが問題になります. 一般人に厳しい影響は先ずありません.

揮発性の放射性物質の代表的なものがよう素やセシウムで, これらは揮発性で, 水に溶け易い物質です.

従って, これらは大気中に放出されて化合物の形態で雨滴に混ざり, 降雨で地上に降ってきます.

逆に, 野菜などに付着したものは水で洗うと除かれます.

固体の放射性物質の代表的なものがストロンチウムですが, それ以外にもネプチニウムやテクネチウムなどもあります.

核分裂生成物ではありませんが, ウランやプルトニウムも固体の放射性物質です.

これらは, 化学的には酸素などと化合して, 酸化物などの形態で存在するので, 揮発せずまた水に溶け難く, 放射能は出しますが, 化学的には安定しています.

従って, チェルノブイリの事故のように, 固体の放射性物質を含む炉心 (燃料) が爆発や火災で飛散する場合は遠くまで運ばれますが, 福島原発の事故の場合は, 事故現場に留まり, 遠くへ拡散することは先ずありません.

<放射能を押さえ込むこと>

放射性物質はすでに生成されていますが, 核反応はしていないので, これ以上増えることはありません.

今ある放射性物質を放出しないようにすることが現在の緊急課題です.

そのためには, 施設の破損がこれ以上進展しないようにすることが第一です.

また, 揮発性のよう素などが安定するように温度を下げることも重要です.

そのため, 原子炉や燃料プールに注水しまた放水する努力がなされていますが, これを長期間続けられるように, そのための設備を復旧させることが重要です.

あと二つだけ付け加えます.

臨界になる可能性はありません.

その根拠は, もともと核反応を起こすウラン 235 が低濃縮であり, それが燃焼したものは, さらに反応を起こしにくくなっています.

TMI-2 号機はウランの溶融物が圧力容器の底に溜まったとの報告ですが, 臨界が問題になっていません.

福島原発の炉心 (燃料) の損傷は, 前述のとおり酸化が主体で, その生成物は酸化物です.

酸化物は密度が低く, ウランやプルトニウムのような核分裂性物質は薄められます. 念のため, 中性子を吸収するホウ酸も注入されています.

臨界にならないので余談になりますが, 万一臨界になったと仮定しても, このような環境条件では, 局部的に臨界が起って水蒸気が発生し, その結果反応度が低くなって臨界以下の条件になります. そのような現象が, 局部的に繰り返されるだけです.

すなわち、臨界によって爆発するような事はありません.

もう一つは, 汚染された水, 牛乳, 野菜, 魚介類のことです.

これらの放射性物質の「暫定基準値」は, 国際放射線防護委員会 (ICRP) の勧告などを基に算出し, 例えば, 放射性ヨウ素は年間約 33 ミリシーベルト, 他の放射性物質は年間 5 ミリシーベルトまでなら, 摂取しても安全と判断し, その上で, 日本人の平均的な食生活のデータも取り入れて定めたものです.

水など 1 日の摂取量が多いものほど, 基準を厳しくする必要があり, 野菜類や肉類などに比べて, 飲料水の基準値が厳しく設定されています.

従って, この暫定基準を外れたものは, 行政がしっかり管理すれば, 市場に出回らないので安心です.

暫定基準以下なので, 市場で販売されているものを心配する必要はありませんし, 私たちは, 不安のあるものは先ず飲食しないでしょう.

<まとめ>

福島原発で事故を起こした原子炉は, 地震後直ちに停止して, その後, 冷却不全になったため, 発熱量は TMI-2 号炉よりも低く, また熱除去の条件はよいので, 炉心 (燃料) の損傷は溶融よりは酸化によるところが大きい.

原子炉は停止しているので, これまで燃料棒に蓄積した放射性物質の量以上に増えることはない.

燃料棒に蓄積した放射性物質は, 被覆管とウランの酸化により放出され, その主なものは希ガスと沃素, セシウムなどの揮発性物質である.

固体状の放射性物質は, 事故現場に留まり, 遠くへ拡散することは先ずない.

臨界になることはないし, 臨界を仮定したとしても爆発はしない.

国の放射能汚染管理を信用すること.

以上のとおり, 現在, 冷却設備などを復旧させるための努力が, 東京電力, 諸機関および関連会社により続けられています.

不安に苛まれながら, 使命感から寝るのも惜しんで努力しておられる関係者の無事と原子炉の安定を祈るばかりです.

また, 世界各国からの専門家が集結し, いろいろな知恵を出し合って作業を進める体制が整いつつあります.

この様に多数の国が協力して, 事故対策の措置をとる仕組みは, 福島モデルとして, 今後の模範になることと思います.

今後は, より多くの情報が私たちに伝わるでしょうし, 行政もより適切な判断をされると思います.

藤林 徹 (元東芝原子炉設計部長)

(以上, 引用終り.)

Have a wonderful weekend!
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