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2011/03/17

MIT原子力理工学部による1、3号炉の水素爆発に関する解説

本記事は2つ目の翻訳記事で、元記事は日本時間3月16日1:51に公開されたものです。Google Docsを使って複数人で協力して和訳・校正しています。今回僕は直接翻訳していません。下訳を作ってくださった @tyamadajp さん、校正してくださった @shun_no_suke さんと @hoshimi_etoile さんに感謝します。翻訳の様子はGoogle Docs上の記事をご覧ください。

注意: この記事は福島第一原発の最新の状態を解説したものではありません。福島第一原発事故関連で日本語の良質な記事・ニュースソースをご覧ください。また、この記事のほかにも様々な記事が翻訳済みです。翻訳記事の一覧はMIT原子力理工学部による原子力発電の解説(翻訳)にあります。

目次

福島第一原発1号炉および3号炉の水素爆発に関する解説

両者の爆発原因は同じと見られます。原発で冷却系の損失や電源喪失が発生した場合、まず最初に試みることは原子炉の減圧です。これは圧力容器の安全弁を開放することで行います。すると水と水蒸気の混合物が圧力抑制プールに流れ込みます。この型の原子炉では圧力抑制プールは円環状(いわゆるドーナッツ型の技術的表現)に炉を取り巻いています。圧力抑制プールに吹き込まれることで熱い蒸気は液体に凝縮され、容器内の圧力を低いまま維持することができます。

圧力容器内の圧力は水と水蒸気の混合物を放出することで下がりますが、圧力容器内の圧力が低い時のほうが容器内により水を送り込みやすく、こうすることで燃料を容易に冷やし続けることができます。この手順は地震直後はうまく遂行されていました。不幸なことに、地震がとてつもない規模であったため、大規模な津波が同時に発生しました。この津波により設置されていたディーゼル発電機だけでなく電源設備までが停止してしまいました。そして、ポンプを稼動させ熱を除去するための電源がなくなり、圧力容器内の水の温度が上昇を始めたのです。

炉心(訳注:圧力容器内の燃料集合体群。燃料集合体については前の記事をご覧ください。)の水温が上昇し、一部の水が蒸発し始めた結果、ついには燃料棒が水面上に露出しました。燃料棒はジルコニウム合金の層で覆われています。ジルコニウムが高温になり、さらに酸素が存在していると(水蒸気から酸素が生じます)、反応を起こして水素を生成する事があります。水素は濃度が4%を超えた状態で酸素と混合すると極めて発火しやすくなりますが、水蒸気が過剰のときは発火しません。

時間が経過すると、格納容器内の圧力は通常値をはるかに超えてしまいます。格納容器は放射性物質の拡散を止める最大の防壁なので、この破損は何があっても絶対に許されません。このような場合、圧力を制御下に置くため、蒸気の一部を大気に放出することが対応計画で決められています。

この後に何が起こったのかの確証はありませんが、以下の経過で爆発に至ったというのが有力な説明です。まず、蒸気の放出経路として、格納容器の上側、ただし建屋内の空間に通じるパイプが選ばれました。この時点で水素ガスと蒸気は建屋上部において空気と混合しました。この段階では水素と(空中の)酸素は大量の蒸気と混合しているため、まだ爆発しません。しかし、建屋の上部は外部の天候の影響で格納容器内よりもかなり低い温度になっています。蒸気は水へと凝縮し、水素と空気の混合物の濃度が増していきました。これがある程度の時間続いた後、何らかの発火要因(稼働している設備のスパークなど)で爆発が起きた。これが1号、3号炉で起きたのではないかと思われます。これで建屋の上部は著しく破損しました。しかし、格納容器自体には損傷は見られませんでした。

爆発の直後には放射線レベルの一時的な急上昇がありましたが、これは蒸気中の放射性物質によるものです。ジルコニウム合金の被覆管が反応して水素を生成した際、若干の核分裂生成物が放出されました。燃料中の放射性物質の大半はそのまま燃料中に留まるのですが、核分裂生成物の一部に希ガス(キセノン/Xeとクリプトン/Kr)があり、これらは合金層が侵食されるとただちに燃料棒から漏出します。(訳注:段落が長かったのでここで切りました。)

幸いなことに、キセノン・クリプトンともに深刻な放射性物質ではありません。両者とも化学的に安定で、人体や植物と反応しないからです。しかし、この他に若干のヨウ素(I)とセシウム(Cs)が蒸気に混入していた可能性があります。蒸気が建屋内に放出された際、Xe/Krだけでなく、若干のI/Csも漏れていたのでしょう。この結果、建屋の屋根が破損したとき、建屋内にあったこれらの放射性核種も放出されました。これが放射線レベルを急激な上昇させた原因です。高くなった放射線レベルは、その後急速に低下しました。なぜなら、格納容器そのものには損傷がないので放射性核種の放出量が増えず、そして放出された放射性核種が急速に崩壊・拡散したためです。

2号炉の爆発

その後の情報によると、2号炉の格納容器は破損している可能性があります。圧力開放バルブの不調から2号炉の圧力開放が正常に行えず、これが海水の注入および蒸気と水素の排気に問題を起こしました。燃料棒が2度、完全に露出したと報道されていますが、詳報を待っています。

4号炉の火災

地震と津波の発生時点では点検のため停止中だった4号炉で火災が起きたと報道されています。その後消火されたとされていますが、これも詳報を待っています。

moomingmooming 2011/03/19 07:07 報道でも水素の発生源がジルコニウムによるものと言われていますが、納得できません。ジルコニウムの表面は酸化皮膜に覆われていて安定しているのでは?冷却水には溶存酸素を減らすために水素注入が行われていました。冷却水温が上がって水素が沸き出たと考えていますがいかがでしょうか。

boobingboobing 2011/03/22 02:04 ここにコメントした奴はMITの奴が見て返事くれると思っちゃってるのか?

T_OhtaguroT_Ohtaguro 2011/03/23 10:36 >>圧力容器内の圧力は水と水蒸気の混合物を放出することで下がりますが、
>圧力容器内の圧力が低い時のほうが容器内により水を送り込みやすく、
>こうすることで燃料を容易に冷やし続けることができます。

注水と圧力との関係
http://messages.yahoo.co.jp/bbs?.mm=GN&action=m&board=1143582&tid=a1hjbfoba5dca51a1ia4na4aait20&sid=1143582&mid=16916

 密閉された気体について、体積と圧力は反比例する。

 圧力容器の容積は一定であり、これを水と水蒸気で満たされているものと仮定する(注)と、

 圧力容器の容積=液体が占める体積+気体が占める体積

 気体が占める体積について、
 注水することにより、
 注水前の体積の1/2の体積になった場合、圧力は2倍になる。
 1/3→3
 1/4→4
 1/n→n

 つまり、気体を抜かずに注水することについては、
 当然、注水するポンプの圧力の上限が限界となる。

 よって、解決方法は、気体が占める体積を増やすこと。
 つまり、注水するためには、圧力容器から高圧になった気体を放出することは必須である。

>この手順は地震直後はうまく遂行されていました。
>不幸なことに、地震がとてつもない規模であったため、大規模な津波が同時に発生しました。
>この津波により設置されていたディーゼル発電機だけでなく電源設備までが停止してしまいました。
>そして、ポンプを稼動させ熱を除去するための電源がなくなり、圧力容器内の水の温度が上昇を始めたのです。

 原子力発電は、発電機を回すことにより、
 発電機を回すことは、タービンを回すことにより、
 タービンを回すことは、水蒸気により、
 水蒸気は、水の沸騰により、
 水の沸騰は、崩壊熱による。

 崩壊熱を水の循環に必要なエネルギーに変換することにより、冷却システムを作動させる動力源とすることができる。

ponpon 2011/03/30 20:30 >>mooming
燃料棒を覆うジルコニウム皮膜は溶融したの。
溶融→酸化皮膜下から還元層進出→酸化→酸素を奪われて水素発生
ね、簡単でしょ?

山中 雅和山中 雅和 2011/05/15 18:02  気体の(水素)と、気体の(酸素)が化合すると水(水蒸気)となる。
水素爆発というが、果たして体積は.増えるのであろうか?・・
 
 化学式を示せば、2H2+O2=2H2O・・気体の1分子が同じ容積
を占めるとすれば、左辺は3で、右辺は2。水素分子は小さい?・・
だが、それほど体積が増える話なのか?[H2O]以外の水素源って? 
 
 それよりも、液体の水から水素や酸素が発生するプロセスの方が
劇的に体積が増える筈。けれども、多少圧力が高かったとしても
百数十度で水は、水蒸気になる。これは蒸気機関原理。ガソリンや
軽油のエンジンだって液体が気化して急膨張する事で出力を得る。
 圧力容器は、ディーゼルエンジンと基本的に同じこと。核分裂は
希薄化された分裂で熱を得る。核分裂頻度がほぼ1倍余程度に抑え
られるよう核分裂物質の分布が希薄化されているのが燃料棒。・・

 崩壊した燃料、濃縮される可能性もない事はないが、間隙物質も
崩壊宰の中に含有されている。多少水乃至、霧の蒸気化やH2,O2化
が速められるとしても爆発はせず、タービンのピストンの往復頻度
が早まるだけ?・・タービンは、送電停止の為、空回り?・・

 圧力容器内の燃料棒崩壊は考え難いし、崩壊したとしても残滓は
圧力容器内に留まる。圧力容器の穴や罅(ひび)が圧力容器の底部に
存在するとは限らない。圧力容器隔壁をするりと抜け出て格納容器
の底に溜まるというメカニズムが想像し難い。・・
 やはり、格納容器底部に溜まっている燃料棒崩壊残滓はプールの
使用済乃至点検保管中の燃料棒由来。変な報道に集中し過ぎでは?
 
 因みに蒸気機関の水が水蒸気になるのは熱の為、冷却にはベント
済みの建屋乃至格納容器に固体CO2であるドライアイス.液体または
固体の窒素を投入すれば良い。建屋ベントは、難しい話ではない筈。
 
 冷却水の循環リサイクルも、かなり簡単な話。アオコの浄化等に
使われる技術が日本で熊本県の主婦の設立した企業や大阪の企業に
よって商品化され、福島空港の副社長のブログでも、紹介された。
仙台の困っていた地域社会にも役立っている。・・
 
 東電は、3/8にサンプルを照会.入手しているらしい。・・納豆菌
やヨウ素・磁石を使う技術。液体薬剤やコンクリートブロックにし
販売している。・・放射能を恐れるのなら、鉛管や鉛球に活性炭や
大鋸屑と共にこうした納豆菌ネバネバ物質他封入し放射能汚染水に
沈めれば忽ち汚染物質は、沈殿濃縮され、水は透明・無害になる。
多分飲める位綺麗.小魚も棲める筈.放射能汚染はプロパガンダ?
 
 照会入手した東電は、その後その企業に連絡せず仏・アレバ社に
汚染水浄化を要請している・・そして、あってはならない汚染水の
海洋放出を繰り返している事になっている。・・  
 無害の水にする事が簡単なのなら浄化後、海へ放出する事に問題
は皆無。冷却水として浄化リサイクル活用すれば、大量の汚染水を
作り出す弊害も無しで済む。・・メディア・スクラム?・・
 
 本気で即、取り組めば3月半ばには出来ていた。日立.オラクル。
東レ、日揮、東洋エンジニアリング、・・マスコミは知ってる筈!
 
 これは、人災というよりも・・”情報公害”だと信じる。・・

山中 雅和山中 雅和 2011/06/13 02:54  最近、一部の新聞が圧力容器各素材の融点等を掲載し出した。
注目されるのは、4号機では休止点検中の為、炉心圧力容器内に
燃料棒が無かったことだ。・・それにも関らず4号機でも原子炉
建屋が1&3号機と共に吹っ飛んでいる。・・恐らく1.2.3号機も
炉心のメルトダウンや爆発は発生していないのではないか?
 
 社民党の福島党首はメルトスルーが発生しているという。
東電側の発表を鵜呑みにすれば、そういう事になる。・・
 
 でも私は信じる気にはならない。間違っていたら御免。
私は、普通と逆の方向に疑っている。自作自演かテロ?

山中 雅和山中 雅和 2011/06/13 03:03  放射能の斑目状態の分布もかなり不自然。無人爆撃機か
観測機より、核の灰か汚染水を散布したのでは?
 
 隣の家とも汚染度が全然違ったり。ホットスポット?

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