レニングラード原発とチェルノブイリ原発での部分的なメルトダウン

レニングラード原発とチェルノブイリ原発での部分的なメルトダウン（レニングラードげんぱつとチェルノブイリげんぱつでのぶぶんてきなメルトダウン）では、レニングラード原子力発電所1号機およびチェルノブイリ原子力発電所1号機で発生した部分的な炉心溶融事故について述べる。

1975年11月30日、レニングラード原子力発電所1号機で燃料溶融事象が発生した。同発電所1号機のRBMK原子炉の1本のチャンネルで冷却材が不足し、その結果、過熱・破損して一部が溶融し、黒鉛炉心を劣化させるとともに放射性物質を大気中に放出したSoviets Tell Finns of '75 Nuclear Accident at Leningrad Plant - Los Angeles Times https://www.latimes.com/archives/la-xpm-1990-06-17-mn-167-story.htmlHigginbotham, A. (2019). : The Untold Story of the World's Greatest Nuclear Disaster. London: Bantam Press.。 thumb|チャンネルカバーが並ぶRBMK原子炉 thumb|リトアニアのイグナリナ原子力発電所にあるRBMK-1500の原子炉建屋。上部生体遮蔽（UBS）は原子炉建屋の床面から数メートル下にある。この原子炉の燃料チャンネルにはチャンネルカバーがなく、色付きのカバーの下に制御棒駆動装置がある。 thumb|upright=1.2|チェルノブイリRBMK原子炉4号機の炉心配置の模式平面図（括弧内は各種の棒の本数）： 中性子検出器（12） 制御棒（167） 原子炉下部から挿入する短尺制御棒（32） 自動制御棒（12） 燃料棒を収めた圧力管（1661〜1691）（RBMKの第1・第2世代炉心）図中の数字は、原子炉が爆発する78秒前の1時22分30秒時点における各制御棒の位置（挿入深さ、単位センチメートル）を示すhttps://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/Pub913e_web.pdf page 119。 1982年9月9日にはチェルノブイリ原子力発電所1号機で同様の事故が発生し、1975年のレニングラードの事故よりも深刻なものとなった。

ソビエト連邦の方針 ソビエト連邦において独立性のきわめて高い省であったは、KGBとともにこれらの事故を徹底して隠蔽し、事故は一般市民だけでなく他の発電所に対しても秘密にされた。1982年にはチェルノブイリ原子力発電所1号機で事実上同じ事故が発生しているV. A. Melnikov, N. B. Malevannaya, Radiological Safety During the Operation of Nuclear Complex in Sosnovy Bor. - presentation at the international conference ENERGY. ECOLOGY. SAFETY, 25–27 May 1999, Sosnovy Bor.。

大事故の後になって、ソビエト連邦全土および国外の科学者が提言していた設計変更がようやく実施され、RBMK原子炉と、2025年12月に運転を終了したビリビノ原子力発電所の小型炉EGP-6の安全性が改善された。

レニングラードの事故 thumb|レニングラード第1原子力発電所の1号機と2号機 1975年11月30日、1号機が定格出力に達してから1年後に、RBMK原子炉が関わる初めての重大事故が発生した。原子炉は定期保守の後、運転再開の過程にあった。AZ-5保護キーが作動した後に部分的な炉心溶融が起こり、32体の燃料集合体が損傷し、フィンランド湾上に放射性物質が放出された。は事故原因を調査するための委員会を設置した。のちに、製造上の欠陥によって1本の燃料チャンネルが破壊されたというのが公式の結論となった。しかし調査委員会は、この事故が原子炉に内在する設計上の欠陥によるものであり、蒸気ボイド係数の制御不能な上昇によって引き起こされたことを知らされていた。委員会は全てのRBMK-1000原子炉に適用すべき重要な勧告をいくつか行った。すなわち「冷却材喪失時に原子炉を守るための新たな安全規則を策定すること、炉心内の蒸気が急増した場合に何が起こるかを解析すること、より動作の速い緊急保護系を考案すること」である。この事故の翌日には、チェルノブイリにさらに2基の原子炉を建設することが承認されたHigginbotham, A. (2019). Midnight in Chernobyl: The Untold Story of the World's Greatest Nuclear Disaster. London: Bantam Press.。

チェルノブイリの事故 thumb|upright=1.4|事故前の4基すべてを北西から見たコンピュータ合成図 1982年9月9日、保守作業の後に不具合のある冷却弁が閉じたままになっていたため、チェルノブイリ原子力発電所1号機の原子炉で部分的な炉心溶融が発生した。チェルノブイリ1号機は、非常に困難で複雑な保守期間をようやく終えようとしているところであった。原子炉が運転を再開すると、燃料チャンネルが過熱して破損し、その中の燃料が部分的に溶融した。これは運転員によるいわゆる弁操作ミスによって起こったものとされるが、一方で、発電所が独自に現場でチャンネルを製作しており、それがクルチャトフ研究所およびNIKIETのRBMK設計者が定めた設計要件を満たしていなかったことが原因であるとする報告もある。損傷の程度は1986年の4号機の大事故に比べれば比較的軽微であり、この事故による死者はいなかった。しかし、運転員の怠慢と制御系機器の不具合のため、事故は数時間後まで気付かれず、その結果、酸化ウランの破片をはじめとする数種類の放射性同位体が蒸気とともに原子炉から排気筒を経由して放出され、その他のものは気水分離器ドラムに蓄積するという、相当量の放射性物質の放出につながった。この事故は1975年のレニングラード1号機の事故にある程度似たものであった。発電所内外やプリピャチで除染作業が行われたにもかかわらず、ソビエト政府とソビエト連邦共産党中央委員会の方針により、事故は数年後まで公表されなかった。プリピャチの道路はタールで舗装し直された。この事故は1975年のレニングラードの事故より深刻で、原子炉炉心に恒久的な損傷を与えた。原子炉は修理され、8か月後に運転を再開したが、炉心の損傷部分と黒鉛は二度と燃料チャンネルとして使用できなかったため、出力は20%低下して800MWeとなったNuclear Encyclopedia, chief editor A. A. Yaroshinskaya. - Moscow: the Charity Fund of Yaroshinskaya, 1996. - 656p.V. M. Kuznetsov, Russian Nuclear Power Engineering Yesterday, Today, Tomorrow. Opinion of independent expert. - Moscow: National press institute, 2000. - 288 p.。

その他の既知の事故 RBMK発電所は、設計上の欠陥、安全文化の問題、政治的な問題、機器の不具合などにより最も危険な発電所の一つであり、このことはソビエト政府も把握していた。1973年のレニングラード原子力発電所1号機の運転開始以来、のちに運転を開始した他の発電所を含む多くの号機で、さまざまなトラブルや事故が時折発生したが、それらは無視され、運転はそのまま続けられた。クルチャトフ研究所やNIKIETの多くの科学者は、根本的な危険性についてすでに警告し、設計変更を提案していたが、聞き入れられなかった。設計上の欠陥に対処する代わりに、マニュアルが改訂された。以下は既知の事故の一部である。 1975年1月、レニングラード原子力発電所1号機で放射性ガスを貯留するタンクが爆発 レニングラード1号機の部分炉心溶融 1980年、クルスク原子力発電所で停電 チェルノブイリ1号機の部分炉心溶融 1983年、イグナリナ原子力発電所1号機およびチェルノブイリ原子力発電所4号機で正のスクラム効果が発見される 1984年、チェルノブイリ原子力発電所3号機および4号機でコンクリート製の横梁がずれる 1986年、チェルノブイリ原子力発電所事故 1991年、チェルノブイリ2号機でタービン火災が発生し、同機は恒久的に運転を停止 1990年12月28日、レニングラード1号機の改修中に、燃料チャンネルと（1975年の事故で汚染された）黒鉛ブロックとの間の隙間が広がっていることが判明した。汚染された黒鉛がこぼれ出し、原子炉下部空間の放射線量が上昇した。同号機から6キロメートル離れた地点でも放射線が検出されたが、報道はされなかった。 1991年12月3日、レニングラード原子力発電所で、機器の不具合と安全規則の不遵守により新燃料棒10本が落下して損傷した。職員は事故を発電所の管理部門に隠そうとした。 1991年、チェルノブイリ1号機で、保守のための停止中に電離箱の試験を行っていた際にケーブルが溶融した。AZ-MM信号の発信時に自動制御棒が応答せず、低出力保護系が機能しなかった 1992年、チェルノブイリ1号機の主循環ポンプの1台でシールプラグが故障し、放射性の水が放出された 1993年3月、気水分離器ドラムの水位上昇によりチェルノブイリ3号機がスクラム 1994年、短絡によって非常用炉心冷却装置（ECCS）の水がECCSタンクからECCS蓄圧器を経由して気水分離器ドラムに注入され、チェルノブイリ3号機がスクラム 1981年、組立時の溶接不良により燃料チャンネルの1本で蒸気漏れが検出され、チェルノブイリ3号機がスクラム 1995年、燃料交換機がチャンネルの1本に引っかかったため、AZ-5スイッチによってチェルノブイリ1号機がスクラム 2009年8月27日、ポンプの吐出ヘッダーに穴が見つかったため、レニングラード原子力発電所3号機が停止されたThe third unit of Leningrad NPP has been stopped, Rosenergoatom, 28 August 2009。自動放射線監視システムによれば、発電所および半径30キロメートルの監視区域の放射線の状況は正常であった。発電所の管理部門は事故の噂を否定し、3号機は「短期間の計画外保守」のために停止したもので、2009年8月31日に運転を再開する予定であると発表したLeningrad NPP refutes rumors about accident, Rosenergoatom, 28 August 2009。

事故の原因と対策 thumb|upright=1.5|RBMKの系統図 thumb|upright=1.5|RBMK原子炉炉心の配置を示す模式側面図 thumb|upright=1.5|RBMK原子炉の原子炉建屋と配管系統 事故の原因となった要因は数多くある。欠陥のある設計、低い安全文化、ソビエト原子力産業内部の意思疎通の欠如、無責任な方針などが、RBMK発電所の安全性の低さにつながった。 RBMK原子炉の設計には多くの欠点があった。 1950年代のソビエトの技術に基づく初期の第2世代原子炉であるRBMKの設計は、製造の速さを重視して最適化された一方で、冗長性を犠牲にしていた。その設計上の特性のいくつかは、設計仕様の範囲外で運転された場合に危険なほど不安定になることが明らかとなる。天然ウラン燃料と黒鉛炉心を用いるという選択により、保守の手間が大きく、起動時に高価な重水を大量に必要とする重水炉のわずか4分の1の費用で大規模な発電が可能となった。しかし、その意図しない結果は1986年のチェルノブイリ原子力発電所事故まで完全には表面化しなかった。事故の一部は原子炉の設計上の欠陥によって起こったが、一部は不健全な安全文化と、訓練不足で無責任な職員および管理者によって引き起こされた。

大きな正のボイド係数 正のボイド係数は、RBMKの設計における最も危険な欠陥の一つであった。軽水（通常のH2O）は中性子減速材であると同時に中性子吸収体でもある。つまり軽水は、中性子を周囲の分子と平衡する速度まで減速させる（中性子を「熱化」し、熱中性子と呼ばれる低エネルギーの中性子にする。熱中性子は、核分裂によって最初に生じる高速中性子に比べて、ウラン235の原子核とはるかに相互作用しやすい）だけでなく、中性子の一部を吸収もする。 RBMK原子炉では、軽水は冷却材として機能し、減速は主に黒鉛が担う。黒鉛がすでに中性子を減速しているため、軽水が中性子を減速させる効果は小さいが、中性子を吸収することは依然としてある。このため、原子炉の反応度（適切な中性子吸収棒によって調整可能）は、軽水に吸収される中性子を考慮に入れなければならない。

水が蒸気に気化した場合、水が占めていた場所は水蒸気が占めることになるが、水蒸気の密度は液体の水よりもはるかに低い（正確な値は圧力と温度に依存し、標準状態では水蒸気の密度は液体の水の約である）。この密度の低さ（質量の密度、したがって中性子を吸収しうる原子核の密度の低さ）のため、軽水が沸騰すると、その中性子吸収能力は事実上失われる。これにより、より多くの中性子がより多くのU-235原子核を核分裂させられるようになり、原子炉出力が上昇する。出力上昇は温度上昇をもたらしてさらに多くの水を沸騰させ、熱的なフィードバックループを生み出す。これがレニングラード1号機とチェルノブイリ1号機の事故の一因となった。 RBMK原子炉では、冷却水中で蒸気が発生すると、実際にはボイド、すなわち中性子を吸収しない気泡が生じる。軽水による減速の低下は、黒鉛が引き続き中性子を減速させるため問題とならない。しかし吸収が失われることで中性子生成のバランスが大きく変わり、中性子がどんどん生成されてその密度が指数関数的に増大する暴走状態を引き起こす。このような状態は「正のボイド係数」と呼ばれ、RBMK原子炉はこれまでに設計されたあらゆる商用炉の中で最も大きな正のボイド係数を持つ。 ボイド係数が大きいことは、必ずしも原子炉を本質的に危険なものにするわけではない。核分裂中性子の一部は数秒から数分の遅れをもって放出される（娘核からの核分裂後の中性子放出）ため、核分裂率が過大になる前にそれを下げる措置を講じることができるからである。しかしこの状況は、特に低出力時において、原子炉の制御を著しく困難にする。したがって、制御系は非常に高い信頼性を備えていなければならず、制御室の要員はその系統の特性と限界について厳格に訓練されていなければならない。ところが、RBMK発電所のほとんどではこのどちらの要件も満たされていなかった。原子炉の実際の設計はクルチャトフ研究所の承認を受けたものであり、国家機密とみなされていたため、原子炉の欠陥について議論することは、発電所を実際に運転する職員の間でさえ禁じられていた。後期のRBMK設計の一部では、電磁式の把持機構に制御棒を取り付けることで、反応速度を制御し、必要な場合には反応を完全に停止できるようにしていた。 チェルノブイリ原子力発電所事故の後、全てのRBMK原子炉に大幅な改修が施された。正のボイド係数は+4.5 から+0.7 βに低減され、ウラン燃料により高い濃縮度が必要になるという代償と引き換えに、反応度事故が再び起こる可能性が低下した。

関連項目 ロシアの原子力発電 ソビエト連邦の原子力発電 RBMK

脚注