特集

カーボンニュートラルに貢献する高温ガス炉の開発（2022.03.31掲載）

地球温暖化対策が叫ばれるなか、あらためて高温ガス炉が注目されています。これは、高温ガス炉技術が、その優れた安全性と、水素製造をはじめとする950℃を超える高温熱の活用により、カーボンニュートラルに貢献することを期待されているからです。

この特集では、高温ガス炉の安全性と、水素製造などの熱利用に焦点をあてて、私たち日本原子力研究開発機構が進めている取組を紹介します。

１．高温ガス炉の特長　―なぜいま高温ガス炉なのかー

＜高温熱の供給＞

高温ガス炉は950℃の高温熱を供給できる原子炉です。この熱は発電のみならず、水素製造等、化学プラントの熱源として利用することができます。

＜優れた安全性＞

セラミックスで被覆した燃料と黒鉛製構造物で構成される炉心は耐熱性に優れています。冷却材であるヘリウムガスにより炉心の冷却が出来ない状況になっても、原子炉出力は自然に低下し、間接的に炉心を除熱することができ、炉心溶融を起さないという非常に優れた安全性も持っています。この安全上の特長を確保するため、高温ガス炉は軽水炉に比べて出力を低くしています。

＜関連政策文書＞

こうした特長を生かして、カーボンニュートラルに貢献すべく研究開発を進めることが、「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略（2021年6月）」、「第6次エネルギー基本計画（2021年10月）」といった政府の政策文書でも位置付けられています。

２．HTTR（高温工学試験研究炉）について　―2021年7月に運転を再開―

＜東日本大震災前まで＞

原子力機構大洗研究所にあるHTTRは日本で唯一の高温ガス炉です。

原子炉出力は30MW、原子炉出口冷却材温度は最高950℃で、世界で唯一950℃の熱を取り出すことができる原子炉です。

初臨界は1998年、世界初の950℃運転は2004年に達成しています。

東日本大震災発生前の2010年には、HTTRで安定的に高温熱を熱利用設備に供給できることを確認するための連続50日950℃運転と、原子炉冷却材の循環を強制的に停止して冷却機能の喪失と制御棒による原子炉停止操作を行わない停止機能の喪失を重ね合わせた条件でも、原子炉出力が自然に低下し、安定な状態に静定することを確認するための安全性実証試験（炉心流量喪失試験）を実施しました。

2011年3月に東日本大震災が発生し、さらに原子力規制庁により新たな安全基準が制定されたことを受け、HTTRは新規制基準への適合性の確認のため、長期間、運転を停止することとなりました。

HTTR　規制庁審査及び運転再開　経緯

＜震災後、再稼働まで＞

2013年に施行された試験研究用原子炉に関する新規制基準の適合性確認の審査を受けるため、HTTRでは要求事項を満足していることを示した設置変更許可申請書を作成し、2014年11月に原子力規制庁に提出しました。審査期間は約5年半かかりましたが、原子力規制委員会での審査が終了して2020年6月に許可を取得しました。

また、設計及び工事の計画の認可（設工認）を2017年から2019年（にかけて4分割で申請し、設置許可の審査と並行して設工認の審査も進め、2020年9月から2021年4月にかけて順次認可を取得しました。認可取得後に必要な工事を約1年間かけて行い、2021年7月にすべての工事が完了し、使用前事業者検査に合格した後、HTTRの運転を2021年7月30日に再開しました。

運転再開後の最初の運転は10年半ぶりの運転であることから、安全を最優先とし、約2か月間かけて、プラントの挙動に異常が生じないかを詳細に確認しながら、原子炉出口冷却材温度850℃で原子炉の性能を確認する定期事業者検査を実施し、これをもって新規制基準対応を完了しました。

上記の一連の安全審査等を通じて、HTTRは、全電源喪失のような過酷な条件下においても、炉心溶融のような深刻な事故には至らない性質を有することがあらためて確認されました。

３．固有の安全性の実証　―HTTRを用いた実証試験―

＜実証試験の位置づけ＞

１.でも述べたように、高温ガス炉は、全電源喪失などで冷却設備が停止するような過酷な条件下でも、原子炉全体の熱容量が大きいこと、燃料の耐熱温度が高いことなどにより、特段の操作なしに原子炉は安全な状態に維持され、炉心溶融には至らない性質（「固有の安全性」）を持っています。この特長を実証することを目的として、私たちは、HTTRを用いて、炉心の強制冷却の喪失を模擬した試験（LOFC：Loss of Forced Cooling）を、OECD/NEA（経済協力開発機構/原子力機関）の国際共同試験として進めています。

＜実証試験の概略＞

LOFC試験はHTTRの冷却材であるヘリウムガスを循環させているガス循環機を全て強制停止し、さらに制御棒挿入による原子炉停止操作も行わない試験です。すなわち、原子炉の安全確保の観点で最も重要な止める機能と冷やす機能の2つが喪失したことを模擬した試験です。

このような状況においても、高温ガス炉は負の反応度フィードバック特性により自然に出力が低下し、圧力容器表面からの放熱により炉心の異常な温度上昇が無く、安全な状態に静定し、燃料破損に至らないことが解析で確認されています。LOFC試験は実際の原子炉を使ってこの特性を確認するものです。

最初の試験は出力30％で東日本大震災の発生前に実施しました。その時の結果は図に示すように冷却材の流量がゼロになると同時に原子炉出力もゼロ近傍まで自然に低下しました。この時の燃料温度を解析すると、流量低下に伴い、わずかに上昇した後、出力低下に伴い温度も低下するという結果になりました。

HTTRの運転再開に伴い、2022年1月からLOFC試験を再開しました。原子炉出力30％において、前回実施した試験条件に加え、間接的に原子炉を冷却する炉容器冷却設備の運転も停止しました。これにより原子炉内の残留熱は原子炉圧力容器からコンクリート遮へい体へ伝わることになります。そのような状況下において、炉内構造物、原子炉圧力容器、遮へい体コンクリートの温度変化が緩慢で急激な変化が起きないことを確認しました。今後、原子炉出力100%での試験を実施する計画です。

４．水素製造実証に向けて　―HTTR熱利用試験計画―

＜計画の位置づけ＞

日本政府は2020年10月に2050年カーボンニュートラルを目指すことを宣言しています。これを達成するための具体的な施策として「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」が2021年6月に策定されました。この戦略では、成長が期待される14の重要分野が選択され、原子力分野において「2030年までに高温ガス炉における水素製造に係る要素技術を確立する」という実行計画が示されています。

グリーン成長戦略に応えるため、原子力機構ではHTTRに水素製造施設を接続して、熱利用施設の接続に必要な技術開発を進めるHTTR-熱利用試験計画を立案しました。