今回は平成30年度 電力科目 A問題4を解説します。原子力発電所の蒸気タービンについて、高圧タービン排気の処理・入口蒸気の性質・火力との比較・回転速度を埋める空欄補充問題です。
出発点は「原子力の蒸気は飽和蒸気」という一点。過熱器がないので蒸気は湿り気味→湿分分離器が要る→圧力・温度が低く熱効率も低い→同じ出力に蒸気量が多い→翼が長大になり回転速度を半分（1500/1800min⁻¹＝4極機）に落とす——全部が数珠つなぎです。
平成30年度 電力科目 A問題4：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成30年度 第三種電気主任技術者試験」電力科目 A問題4
電験3種 電力科目 【原子力】 平成30年度 A問題4
次の文章は、我が国の原子力発電所の蒸気タービンの特徴に関する記述である。原子力発電所の蒸気タービンは、高圧タービンと低圧タービンから構成され、くし形に配置されている。
原子力発電所においては、原子炉又は蒸気発生器によって発生した蒸気が高圧タービンに送られ、高圧タービンにて所定の仕事を行った排気は、(ア)分離器に送られて、排気に含まれる(ア)を除去した後に低圧タービンに送られる。
高圧タービンの入口蒸気は、(イ)であるため、火力発電所の高圧タービンの入口蒸気に比べて、圧力・温度ともに(ウ)、そのため、原子力発電所の熱効率は、火力発電所と比べて(ウ)なる。また、原子力発電所の高圧タービンに送られる蒸気量は、同じ出力に対する火力発電所と比べて(エ)。
低圧タービンの最終段翼は、35〜54インチ(約89cm〜137cm)の長大な翼を使用し、(ア)による翼の浸食を防ぐため翼先端周速度を減らさなければならないので、タービンの回転速度は(オ)としている。上記の記述中の空白箇所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) (オ) (1) 空気 過熱蒸気 高く 多い 1500min⁻¹又は1800min⁻¹ (2) 湿分 飽和蒸気 低く 多い 1500min⁻¹又は1800min⁻¹ (3) 空気 飽和蒸気 低く 多い 750min⁻¹又は900min⁻¹ (4) 湿分 飽和蒸気 高く 少ない 750min⁻¹又は900min⁻¹ (5) 空気 過熱蒸気 高く 少ない 750min⁻¹又は900min⁻¹
(イ)(ウ) 原子力の蒸気は飽和蒸気
原子力発電所のタービン入口蒸気は、火力より低温・低圧です。
| 項目 | 火力（超々臨界圧） | ★原子力（軽水炉） |
| ★蒸気の種類 | ★過熱蒸気 | ★飽和蒸気 |
| ★温度 | ★600 ℃ 以上 | ★280 ℃ 前後 |
| ★圧力 | ★24 MPa | ★7 MPa 前後 |
| ★熱効率 | ★43 ％ 前後 | ★33 ％ 前後 |
なぜ過熱できないのでしょうか——燃料被覆管の温度に上限があるからです。
ジルコニウム合金の被覆管は、350 ℃ 前後が限度——それ以上にすると water と反応して水素が発生します。
だから炉から出る蒸気は飽和状態にとどまる——過熱器を置く余地がないのです。
カルノー効率 1−T₂/T₁ で T₁ が低い——そのぶん熱効率も低くなります。
(ア) 湿分分離器が必要な理由
飽和蒸気を膨張させると、すぐに水滴が生じます。
| 火力（過熱蒸気） | ★原子力（飽和蒸気） | |
| 入口の状態 | 乾いている | ★すでに飽和 |
| 膨張後 | しばらく乾いたまま | ★すぐ水滴ができる |
| 湿り度 | 出口で12 ％ 程度 | ★放っておくと20 ％ 超 |
| 対策 | 再熱サイクル | ★湿分分離器（＋再熱器） |
水滴が高速で翼に当たると、表面が削られます——壊食（エロージョン）です。
だから高圧タービンと低圧タービンの間で水滴を取り除く——それが湿分分離器になります。
多くの場合、再熱器と一体にした湿分分離加熱器が使われます——水を取ってから温め直すのです。
「空気分離器」ではありません——取り除くのは空気ではなく水分です。
(エ)(オ) 蒸気量が多く、回転速度は低い
なぜ蒸気量が多いのか
蒸気1 kg あたりの熱落差が小さい——だから同じ出力を得るには量が要るのです。
★蒸気量は増える
火力の熱落差が1,250 kJ/kg 前後なのに対し、原子力は800 kJ/kg 前後——1.5倍以上の蒸気が必要になります。
なぜ回転速度が低いのか
蒸気量が多いので、最終段の翼が長くなります——35〜54インチ（約89〜137 cm）という長大な翼です。
先端が速すぎると、水滴の衝突が激しくなります——壊食が進むのです。
だから回転速度を半分に落とす——3,000／3,600 min-1 ではなく1,500／1,800 min-1。
★東日本
★西日本
火力のタービン発電機は2極、原子力は4極——回転速度が半分だから極数が倍になります。
⚠️ よくある間違い
(ア)を「空気」としてしまう——選択肢(1)(3)(5)がそれです。
問題文が「(ア)による翼の浸食を防ぐため」と書いている——翼を削るのは水滴です。
(イ)を「過熱蒸気」としてしまう——選択肢(1)(5)。原子力では過熱できません。
(ウ)を「高く」としてしまう——選択肢(1)(4)(5)。圧力も温度も熱効率も、すべて火力より低いのです。
(オ)を750／900 min-1 としてしまう——選択肢(3)(4)(5)。それでは8極で、遅すぎます。実機は4極です。
(ア)と(イ)の2欄で確定できます。
⏱️ 本番での進め方
①(ア)★翼を削るのは湿分（水滴）。空気ではない。
②(イ)(ウ)★飽和蒸気なので低温低圧、熱効率も低い。
③(エ)★熱落差が小さいので蒸気量は多い。
④(オ)★4極機で1,500／1,800 min-1。火力の半分。
💡 覚え方
「飽和蒸気だから湿る、湿るから翼が削れる」——だから湿分分離器と低回転です。火力2極・原子力4極——回転速度が半分だから極数が倍になります。
原子力と火力の原理の共通点は平成21年度 A問題4（原子力：原子力発電の原理）にあります。
くし形配置とは
問題文の「くし形に配置」——タービンの並べ方を表す言葉です。
| 配置 | 形 | 採用 |
| ★くし形（タンデム） | ★1本の軸に高圧・低圧タービンを直列に並べる | ★火力・原子力の標準 |
| 並列形（クロスコンパウンド） | 2本の軸に分けて配置する | 大容量機の一部 |
くしの歯のように、低圧タービンが何台も並ぶ——だから「くし形」と呼ばれます。
原子力では蒸気量が多いので、低圧タービンが3台前後必要——1台では蒸気を通しきれないのです。
火力なら低圧タービンは1〜2台——蒸気量の差が、そのまま台数の差になります。
最終段翼が長い理由
蒸気は膨張するほど体積が増えます——最終段では入口の数百倍です。
その大量の蒸気を通すには、大きな断面積が要ります——だから翼が長くなるのです。
35〜54インチ（約89〜137 cm）——人の背丈ほどの翼が高速で回っていることになります。
湿分分離加熱器の中身
実機では、湿分分離器と再熱器を1つの容器に納めます——湿分分離加熱器（MSR）と呼ばれます。
| 順 | 通る場所 | 蒸気の状態 |
| ① | 高圧タービンを出る | ★湿り度10 ％ 前後 |
| ② | ★湿分分離部（波形板） | ★水滴が板に当たって落ちる |
| ③ | ★再熱部（伝熱管） | ★主蒸気で温めて過熱状態にする |
| ④ | 低圧タービンへ | ★乾いた蒸気になっている |
波形板に蒸気を通すと、重い水滴だけが板に衝突します——慣性の差を使った分離です。
再熱の熱源は主蒸気の一部——火力のように炉へ戻して温め直すことはしません。
炉に戻すと配管が長くなり、放射線の管理範囲も広がる——だからタービン建屋の中で完結させるのです。
熱効率が低いことの意味
熱効率33 ％ ということは、67 ％ を海に捨てているということ——火力より温排水が多くなります。
同じ出力なら、復水器を通る冷却水も多く必要——だから原子力発電所は海沿いに立地するのです。
要点をもう一度
原子力のタービンは、飽和蒸気であることがすべての出発点です。
| 飽和蒸気だから | こうなる |
| ★温度・圧力が低い | ★熱効率が火力より低い |
| ★膨張すると水滴が出る | ★湿分分離器が必要 |
| ★熱落差が小さい | ★蒸気量が多い／翼が長い |
| ★翼が長い | ★回転速度を半分にする（4極機） |
1つの原因から、4つの特徴がすべて導かれます——個別に暗記する必要はありません。
「原子力は過熱できない」——ここだけ覚えておけば、残りは説明できます。
まとめ
| (イ)入口蒸気 | 過熱器がないので飽和蒸気 |
| (ウ)火力比 | 圧力・温度が低く熱効率も低い |
| (ア)排気処理 | 湿分分離器で湿分を除去して低圧タービンへ |
| (エ)蒸気量 | 同じ出力なら火力より多い |
| (オ)回転速度 | 1500又は1800min⁻¹（4極機）→(2) |
▼あわせて解きたい関連問題
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・この年度の問題を通しで解く：電験3種 平成30年度 問題一覧（全4科目）
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