基礎からの電験3種【電力-原子力発電(種類と特徴)】

電験3種の電力で出題される原子力発電について、初心者の方でも解りやすいように、基礎から解説しています。このe-ラーニング講座では原子力発電の種類と特徴を理解できるようになるのが目的です。また、電験3種の試験で、実際に出題された過去問題も解説しています。

原子炉の種類

日本の原子力発電所のほとんどは、軟水炉と呼ばれる形式です。軽水炉では水が冷却材と減速材を兼ねています。軽水炉には加圧形と沸騰水形の2種類があります。両形式とも低濃縮ウランを焼結加工した燃料を用いていいます。

沸騰水型軽水炉(BWR)

沸騰水形軽水炉
沸騰水型軽水炉(BWR)は、原子炉内で沪水を再循環させながら沸騰させ、発生した蒸気を湿分分離し、直接タービンに供給して発電を行う方式です。

出力の制御は制御棒と炉心流量により行います。原子炉の起動・停止等の大幅な出力調整は制御棒の抜き差しで行います。制御棒の引抜きよって出力は上昇し、挿入によって出力は下降します。また、通常運用中の出力調整は再循環ポンプの流量調整により行います。

沸騰水型軽水炉(BWR)の特徴

  • 加圧水型軽水炉に比べて原子炉圧力が低く、蒸気発生器がないので構成が簡単である。
  • 熱効率がPWRより高い。
  • 放射能を帯びた蒸気がタービンや復水器等に流入するので、放射能遮へい対策が必要である。
  • 加圧水型軽水炉に比べて出力密度が小さく、原子炉圧力容器設備等は大きくなる

加圧水形軽水炉(PWR)

加圧水形軽水炉

加圧水型軽水炉(PWR)とは、原子炉内で加熱された高温・高圧の水を蒸気発生器へ送り、熱交換して蒸気を作り、この蒸気で発電する方式である。加圧水形は炉水を加圧することにより沸騰させないで熱水に保ちつつ、一次冷却材ポンプにより冷却材を循環させて蒸気発生器に導き、熱交換により二次系の水を熱し、発生した蒸気を湿分分離してタービンに送り込みます。

通常運用中の出力調整は冷却材中のほう素濃度の調整で行います。原子炉の起動・停止等の大幅な出力調整は制御棒の抜き差しで行います。制御棒の引抜きよって出力は上昇し、挿入によって出力は下降します。

加圧水形軽水炉(PWR)の特徴

  • 蒸気発生器が必要であり、BWRより構造が複雑である。
  • 熱効率がBWRより低い。
  • 冷却系統(1次系)と主蒸気系統(2次系)が完全に分離されているので、炉心の冷却材がタービン側に直接入ることはないので、保守点検が容易である。

核燃料サイクル

天然ウラン中には核分裂を起こしやすい ウラン235はおよそ0.7%含まれているだけです。残りは比核分裂性の ウラン238やウラン234Uです。天然ウランを燃料と して使用する場合、濃縮度2~3%の低濃縮ウランが使用されています。 

核燃料サイクル

原子炉内で燃やされた使用済の核燃料の中には、核分裂生成物の他に、ウラン235、ウラン238や新しく生成されたプルトニウム239が多量に含まれています。これらは再処理工場で再処理され、回収されたウランとプルトニウムは、転換工場や燃料成形加工工場に運ばれ原子燃料として再び利用されます。

このように、核分裂生成物と燃料成分とを分離し、繰り返して利用する一連の流れを核燃料サイクルといいます。

使用済み核燃料から回収した、プルトニウムとウラン238を混ぜた、混合酸化物燃料(MOX燃料)を軽水炉の燃料として用いることをプルサーマルといいます。

原子力発電の特徴

原子力発電所と汽力発電所とを比較した場合の特徴は次の通りです。

  • 火力発電は超臨界蒸気が使用されているが、原子力発電では燃料棒の被覆保護等の理由から、蒸気条件が火力よりも低いものが使用されている。そのため熱効率が劣る。
  • 蒸気条件が火力より劣るため、同じ出力の場合は原子力タービンの方が大型となる。
  • 同じ出力の場合、原子力タービンの方が復水器の冷却水量が多い。
  • 原子力用タービンの回転数は1500rpmまたは1800rpmで極数は4極が一般的である。汽力用タービンの回転数は3000rpmまたは3600rpmで極数は2極が一般的である。
  • 原子力発電のほうが発電原価に占める燃料費の割合が小さい。

電験3種-電力(原子力発電)過去問題

1997年(平成9年)問3

わが国の商業発電用原子炉のほとんどは、軟水炉と呼ばれる形式であり、それには加圧形と沸騰水形の2種類がある。両形式とも( ア )を焼結加工した燃料を用いていること、並びに軟水を減速材及び( イ )として使用する点は共通しているが、両形式の違いは、加圧水形は炉水を加圧することにより沸騰させないで熱水に保ちつつ、ポンプにより循環させて( ウ )に導き、熱交換により二次系の水を熱し、発生した蒸気を湿分分離してタービンに送り込む。一方、沸騰水形は原子炉内で炉水を( エ )させながら沸騰させ、発生した蒸気を湿分分離して、直接タービンへ送り込む。
上記の記述中の空白の( ア )、( イ )、( ウ )及び( エ )に記入する記号又は字句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

 (ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)低濃縮ウラン冷却材蒸気発生器再循環
(2)高濃縮ウラン反射材加圧器減 圧
(3)高濃縮ウラン冷却材蒸気発生器減 圧
(4)低濃縮ウラン反射材加圧器再循環
(5)高濃縮ウラン反射材蒸気発生器減 圧

1997年(平成9年)問3 過去問解説

わが国の商業発電用原子炉のほとんどは、軟水炉と呼ばれる形式であり、それには加圧形と沸騰水形の2種類がある。両形式とも( 低濃縮ウラン )を焼結加工した燃料を用いていること、並びに軟水を減速材及び( 冷却材 )として使用する点は共通しているが、両形式の違いは、加圧水形は炉水を加圧することにより沸騰させないで熱水に保ちつつ、ポンプにより循環させて( 蒸気発生器 )に導き、熱交換により二次系の水を熱し、発生した蒸気を湿分分離してタービンに送り込む。一方、沸騰水形は原子炉内で炉水を( 再循環 )させながら沸騰させ、発生した蒸気を湿分分離して、直接タービンへ送り込む。

答え(1)

1998年(平成10年)問3

原子力発電所と最近の大形火力(汽力)発電所とを比較した場合、その特徴に関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。

(1)原子力発電のほうが発電原価に占める燃料費の割合が小さい。
(2)原子力発電用高圧タービンのほうが火力の高圧タービンより回転速度が遅い。
(3)同じ出力の場合、原子力のほうが復水器の冷却水量が多い。
(4)原子力発電では燃料の燃焼に空気を必要としない。
(5)原子力発電所の発生蒸気のほうが高温高圧である。

1998年(平成10年)問3 過去問解説

原子力発電所のタービン用の蒸気は、汽力発電所の蒸気に比べて、低温低圧です。

答え(5)

1999年(平成11年)問5

図はわが国の軟水形原子力発電における核燃料サイクルの概略を示したものである。
図中の空白箇所( ア )、( イ )、( ウ )及び( エ )に記入する字句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

1999年問5

 (ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)精錬工場濃縮工場再処理工場再転換・加工工場
(2)濃縮工場精錬工場再処理工場再転換・加工工場
(3)精錬工場再処理工場再転換・加工工場濃縮工場
(4)精錬工場濃縮工場再転換・加工工場再処理工場
(5)再転換・加工工場濃縮工場精錬工場再処理工場

1999年(平成11年)問5 過去問解説

(ア)はウラン鉱石からウランを析出する精錬工場です。
(イ)は六フッ化ウランを濃縮する濃縮工場です。
(ウ)は濃縮されたウランをペレット等に加工する再転換・加工工場です。
(エ)は使用済み燃料を再処理する再処理工場です。

答え(4)

2005年(平成17年)問4

沸騰水型軽水炉(BWR)に関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。

(1)燃料には低濃縮ウランを、冷却材及び減速材には軽水を使用する。
(2)加圧水型軽水炉(PWR)に比べて出力密度が大きいので、炉心及び原子炉圧力容器は小さくなる。
(3)出力調整は、制御棒の抜き差しと再循環ポンプの流量調整により行う。
(4)加圧水型軽水炉に比べて原子炉圧力が低く、蒸気発生器がないので構成が簡単である。
(5)タービン系に放射性物質が持ち込まれるため、タービン等に遮へい対策が必要である。

2005年(平成17年)問4 過去問解説

沸騰水型軽水炉は、加圧水型軽水炉に比べて出力密度が小さいので、原子炉圧力容器設備等は大きくなります。

答え(2)

2007年(平成19年)問4

軽水炉は、( ア )を原子燃料とし、冷却材と( イ )に軽水を用いた原子炉であり、わが国の商用原子力発電所に広く用いられている。この軽水炉には、蒸気を原子炉の中で直接発生する( ウ )原子炉と蒸気発生器を介して蒸気を作る( エ )原子炉とがある。
沸騰水型原子炉では、何らかの原因により原子炉の核分裂反応による熱出力が増加して、炉内温度が上昇した場合でも、それに伴う冷却材沸騰の影響でウラン235に吸収される熱中性子が自然に減り、原子炉の暴走が抑制される。これは、( オ )と呼ばれ、原子炉固有の安定性をもたらす現象の一つとして知られている。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

 (ア)(イ)(ウ)(エ)(オ)
(1)低濃縮ウラン減速材沸騰水型加圧水型ボイド効果
(2)高濃縮ウラン減速材沸騰水型加圧水型ノイマン効果
(3)プルトニウム加速材加圧水型沸騰水型キューリー効果
(4)低濃縮ウラン減速材加圧水型沸騰水型キューリー効果
(5)高濃縮ウラン加速材沸騰水型加圧水型ボイド効果

2007年(平成19年)問4 過去問解説

軽水炉は、( 低濃縮ウラン )を原子燃料とし、冷却材と( 減速材 )に軽水を用いた原子炉であり、わが国の商用原子力発電所に広く用いられている。この軽水炉には、蒸気を原子炉の中で直接発生する( 沸騰水型 )原子炉と蒸気発生器を介して蒸気を作る( 加圧水型 )原子炉とがある。
沸騰水型原子炉では、何らかの原因により原子炉の核分裂反応による熱出力が増加して、炉内温度が上昇した場合でも、それに伴う冷却材沸騰の影響でウラン235に吸収される熱中性子が自然に減り、原子炉の暴走が抑制される。これは、( ボイド効果 )と呼ばれ、原子炉固有の安定性をもたらす現象の一つとして知られている。

答え(1)

2008年(平成20年)問4

我が国の商業発電用原子炉のほとんどは、軽水炉と呼ばれる型式であり、それには加圧水型原子炉(PWR)と沸騰水型原子炉(BWR)の2種類がある。
PWRの熱出力調整は主として沪水中の( ア )の調整によって行われる。一方、BWRでは主として( イ )の調整によって行われる。なお、両型式とも起動又は停止時のような大幅な出力調整は制御棒の調整で行い、制御棒の( ウ )によって出力は上昇し、( エ )によって出力は下降する。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に当てはまる語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

 (ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)ほう素濃度再循環流量挿入引抜き
(2)再循環流量ほう素濃度引抜き挿入
(3)ほう素濃度再循環流量引抜き挿入
(4)ナトリウム濃度再循環流量挿入引抜き
(5)再循環流量ほう素濃度挿入引抜き

2008年(平成20年)問4 過去問解説

我が国の商業発電用原子炉のほとんどは、軽水炉と呼ばれる型式であり、それには加圧水型原子炉(PWR)と沸騰水型原子炉(BWR)の2種類がある。
PWRの熱出力調整は主として沪水中の( ほう素濃度 )の調整によって行われる。一方、BWRでは主として( 再循環流量 )の調整によって行われる。なお、両型式とも起動又は停止時のような大幅な出力調整は制御棒の調整で行い、制御棒の( 引抜き )によって出力は上昇し、( 挿入 )によって出力は下降する。

答え(3)

2010年(平成22年)問4

わが国における商業発電用の加圧水型原子炉(PWR)の記述として、正しいのは次のうちどれか。

(1)炉心内で水を蒸発させて、蒸気を発生する。
(2)再循環ポンプで炉心内の冷却水流量を変えることにより、蒸気泡の発生量を変えて出力を調整できる。
(3)高温・高圧の水を、炉心から蒸気発生器に送る。
(4)炉心と蒸気発生器で発生した蒸気を混合して、タービンに送る。
(5)炉心を通って放射線を受けた蒸気が、タービンを通過する。

2010年(平成22年)問4 過去問解説

加圧水型原子炉(PWR)は、炉心内にある蒸気発生器で蒸気を発生させ、その蒸気をタービンへ送ります。

答え(3)

2013年(平成25年)問4

原子力発電に用いられる軽水炉には、加圧水型(PWR)と沸騰水型(BWR)がある。この軽水炉に関する記述として、誤っているものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1)軽水炉では、低濃縮ウランを燃料として使用し、冷却材や減速材に軽水を使用する。
(2)加圧水型では、構造上、一次冷却材を沸騰させない。また、原子炉の反応速を調整するために、
 ホウ酸を冷却材に溶かして利用する。
(3)加圧水型では、高温高圧の一次冷却材を炉心から送り出し、蒸気発生器の二次側で蒸気を発生して
 タービンに導くので、原則的に炉心の冷却材がタービンに直接入ることはない。
(4)沸騰水型では、炉心で発生した蒸気と蒸気発生器で発生した蒸気を混合して、タービンに送る。
(5)沸騰水型では、冷却材の蒸気がタービンに入るので、タービンの放射線防護が必要である。

2013年(平成25年)問4 過去問解説

蒸気発生器は、加圧水型原子炉内で発生した熱水で間接的に蒸気を作るものです。沸騰水型原子炉には蒸気発生器はありません。

答え(4)

2015年(平成27年)問4

次の文章は、原子力発電の設備概要に関する記述である。
原子力発電で多く採用されている原子炉の型式は軽水炉であり、主に加圧水型と沸騰水型に分けられるが、
いずれも冷却材と( ア )に軽水を使用している。
加圧水型は、原子炉内で加熱された冷却材の沸騰を( イ )により防ぐとともに、一次冷却材ポンプで原子炉、( ウ )に冷却材を循環させる。( ウ )で熱交換を行い、タービンに送る二次系の蒸気を発生させる。
沸騰水型は、原子炉内で冷却材を加熱し、発生した蒸気を直接タービンに送るため、系統が単純になる。
それぞれに特有な設備には、加圧水型では( イ )、( ウ )、一次冷却材ポンプがあり、沸騰水型では( エ )がある。

上記の記述中の空白箇所( ア )、( イ )、( ウ )及び( エ )に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

 (ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)減速材加圧器蒸気発生器再循環ポンプ
(2)減速材蒸気発生器加圧器再循環ポンプ
(3)減速材加圧器蒸気発生器給水ポンプ
(4)遮へい材蒸気発生器加圧器再循環ポンプ
(5)遮へい材蒸気発生器加圧器給水ポンプ

2015年(平成27年)問4 過去問解説

原子力発電で多く採用されている原子炉の型式は軽水炉であり、主に加圧水型と沸騰水型に分けられるが、
いずれも冷却材と( 減速材 )に軽水を使用している。
加圧水型は、原子炉内で加熱された冷却材の沸騰を( 加圧器 )により防ぐとともに、一次冷却材ポンプで原子炉、( 蒸気発生器 )に冷却材を循環させる。( 蒸気発生器)で熱交換を行い、タービンに送る二次系の蒸気を発生させる。
沸騰水型は、原子炉内で冷却材を加熱し、発生した蒸気を直接タービンに送るため、系統が単純になる。
それぞれに特有な設備には、加圧水型では( 加圧器 )、( 蒸気発生器 )、一次冷却材ポンプがあり、沸騰水型では( 再循環ポンプ )がある。

答え(1)

2016年(平成28年)問4

次の文章は、原子力発電における核燃料サイクルに関する記述である。
天然ウランには主に質量数235と238の同位体があるが、原子力発電所の燃料として有用な核分裂性物質の
ウラン235の割合は、全体の0.7%程度にすぎない。そこで、採鉱されたウラン鉱石は製錬、転換されたのち、遠心分離法などによって、ウラン235の濃度が軽水炉での利用に適した値になるように濃縮される。その濃度は( ア )%程度である。さらに、その後、再転換、加工され、原子力発電所の燃料となる。
原子力発電所から取り出された使用済燃料からは、( イ )によってウラン、プルトニウムが分離抽出され、
これらは再び燃料として使用することができる。プルトニウムはウラン238から派生する核分裂性物質であり、ウランとプルトニウムとを混合した( ウ )を軽水炉の燃料として用いることをプルサーマルという。
また、軽水炉の転換比は0.6程度であるが、高速中性子によるウラン238のプルトニウムへの変換を利用した
( エ )では、消費される核分裂性物質よりも多くの量の新たな核分裂性物質を得ることができる。

上記の記述中の空白箇所( ア )、( イ )、( ウ )及び( エ )に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

 (ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)3~5再処理M0X燃料高速増殖炉
(2)3~5再処理イエローケーキ高速増殖炉
(3)3~5再加工イエローケーキ新型転換炉
(4)10~20再処理イエローケーキ高速増殖炉
(5)10~20再加工M0X燃料新型転換炉

2016年(平成28年)問4 過去問解説

天然ウランには主に質量数235と238の同位体があるが、原子力発電所の燃料として有用な核分裂性物質の
ウラン235の割合は、全体の0.7%程度にすぎない。そこで、採鉱されたウラン鉱石は製錬、転換されたのち、遠心分離法などによって、ウラン235の濃度が軽水炉での利用に適した値になるように濃縮される。その濃度は( 3~5 )%程度である。さらに、その後、再転換、加工され、原子力発電所の燃料となる。
原子力発電所から取り出された使用済燃料からは、( 再処理 )によってウラン、プルトニウムが分離抽出され、
これらは再び燃料として使用することができる。プルトニウムはウラン238から派生する核分裂性物質であり、ウランとプルトニウムとを混合した( M0X燃料 )を軽水炉の燃料として用いることをプルサーマルという。
また、軽水炉の転換比は0.6程度であるが、高速中性子によるウラン238のプルトニウムへの変換を利用した
( 高速増殖炉 )では、消費される核分裂性物質よりも多くの量の新たな核分裂性物質を得ることができる。

高速増殖炉は、燃料としてMOX燃料を用います。使用した燃料よりもさらに多くの燃料を生み出す原子炉です。

答え(1)

電力電験3種
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