今回は令和3年度 電力科目 A問題5を解説します。原子力発電について、発電の原理・軽水炉の構成・濃縮度・熱中性子炉・BWRとPWRの出力調整の5つの記述から誤っているものを選ぶ問題です。
「軽水炉」という名前は減速材と冷却材の両方に軽水を使うことに由来します。減速材だけ黒鉛にすり替えられていたら、それは黒鉛炉（高温ガス炉など）の話——名前と中身の不一致を見抜きましょう。
令和3年度 電力科目 A問題5：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「令和3年度 第三種電気主任技術者試験」電力科目 A問題5
電験3種 電力科目 【原子力】 令和3年度 A問題5
原子力発電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。
原子力発電は、原子燃料の核分裂により発生する熱エネルギーで水を蒸気に変え、その蒸気で蒸気タービンを回し、タービンに連結された発電機で発電する。
軽水炉は、減速材に黒鉛、冷却材に軽水を使用する原子炉であり、原子炉圧力容器の中で直接蒸気を発生させる沸騰水型と、別置の蒸気発生器で蒸気を発生させる加圧水型がある。
軽水炉は、天然ウラン中のウラン235の濃度を3〜5%程度に濃縮した低濃縮ウランを原子燃料として用いる。
核分裂反応を起こさせるために熱中性子を用いる原子炉を熱中性子炉といい、軽水炉は熱中性子炉である。
沸騰水型原子炉の出力調整は、再循環ポンプによる冷却材再循環流量の調節と制御棒の挿入及び引き抜き操作により行われ、加圧水型原子炉の出力調整は、一次冷却材中のほう素濃度の調節と制御棒の挿入及び引き抜き操作により行われる。
出題のポイント：軽水炉の減速材は軽水
軽水炉は、軽水を減速材と冷却材の両方に使います。黒鉛を減速材に使うのは黒鉛炉なので、（2）の前半が誤りです。核分裂熱による発電、ウラン235を3〜5％程度に濃縮した低濃縮ウラン、熱中性子炉という分類、BWRとPWRの出力調整はいずれも正しく、正解は（2）です。
誤りは(2)：軽水炉の減速材は軽水
「減速材に黒鉛」——それでは軽水炉ではありません。
| 炉型 | ★減速材 | ★冷却材 | 燃料 |
| ★軽水炉 | ★軽水 | ★軽水 | ★低濃縮ウラン（3〜5 ％） |
| 重水炉 | ★重水 | 重水 | ★天然ウランでよい |
| ★黒鉛炉 | ★黒鉛 | ★炭酸ガスなど | ★天然ウランでよい |
| 高速増殖炉 | ★なし | ★ナトリウム | MOX燃料 |
軽水炉という名前そのものが答え——軽水を減速材にも冷却材にも使うから軽水炉なのです。
黒鉛を減速材に使うのは黒鉛炉——英国のマグノックス炉や、旧ソ連の RBMK が知られています。
問題文の後半「沸騰水型と加圧水型がある」は正しい——誤りは減速材の1語だけです。
減速材に何を使うかで炉型が決まる
減速材の選び方には、2つの条件があります。
| 条件 | 望ましい性質 | 理由 |
| ★よく減速する | ★中性子と質量が近い（軽い原子） | ★1回の衝突で大きくエネルギーを奪える |
| ★中性子を吸わない | ★吸収断面積が小さい | ★吸われると連鎖反応が続かない |
| 材料 | 減速能力 | 中性子の吸収 | 燃料 |
| ★軽水（H₂O） | ★最も高い | ★やや吸う | ★濃縮が必要 |
| ★重水（D₂O） | ★高い | ★ほとんど吸わない | ★天然ウランでよい |
| ★黒鉛（C） | ★やや低い | ★ほとんど吸わない | ★天然ウランでよい |
軽水は減速能力が最も高い——水素の質量が中性子とほぼ同じだからです。
ところが水素は中性子を吸って重水素になってしまいます——その分を補うために燃料を濃縮することになります。
重水は最初から重水素なので、もう吸いません——だから天然ウランで足りるのです。
黒鉛は炭素で重いので減速能力は劣ります——そのぶん炉が大きくなることになります。
(4) 熱中性子炉と高速中性子炉
| ★熱中性子炉 | ★高速中性子炉 | |
| 使う中性子 | ★減速させた遅い中性子 | ★減速させない速い中性子 |
| 減速材 | ★必要 | ★不要 |
| 代表 | ★軽水炉・重水炉・黒鉛炉 | ★高速増殖炉 |
「熱中性子」とは、周囲の物質と熱平衡になった中性子——速度が遅くなった状態を指します。
遅い中性子のほうがウラン235に吸収されやすい——だから減速させるのです。
軽水炉は減速材を持つので熱中性子炉——(4)の記述は正しいことになります。
⚠️ よくある間違い
(2)の後半を読んで正しいと判断する——「沸騰水型と加圧水型がある」は正しいのです。
誤りは前半の「減速材に黒鉛」——1語だけが違います。
「冷却材に軽水」の部分は正しい——だから読み流すと気づけません。
(3)の濃縮度3〜5 ％ を疑ってしまう——正しい値です。
(5)の出力調整も正しい——沸騰水型は再循環流量、加圧水型はほう素濃度。どちらも制御棒を併用します。
(1)は原子力発電の原理そのもの——疑う余地がありません。
⏱️ 本番での進め方
①★軽水炉の減速材も冷却材も軽水。黒鉛は黒鉛炉。
②減速材の条件は「よく減速し、中性子を吸わない」。
③★軽水は減速能力が高いが中性子を吸うので濃縮が必要。
④(4) 軽水炉は減速材を持つので熱中性子炉。
💡 覚え方
「軽水炉の軽水は減速材と冷却材の両方」——名前がそのまま答えです。黒鉛が出てきたら黒鉛炉、重水なら重水炉——減速材が炉型の名前になっています。
減速材としての軽水は平成27年度 A問題4（原子力：原子力発電の設備概要）、濃縮の必要性は令和2年度 A問題4（原子力：原子燃料）にあります。
黒鉛炉という炉型
(2)に出てくる黒鉛は、別の炉型の減速材です。
| 炉型 | 減速材 | 冷却材 | 採用例 |
| ★黒鉛減速ガス冷却炉 | ★黒鉛 | ★炭酸ガス | ★英国のマグノックス炉 |
| ★黒鉛減速軽水冷却炉 | ★黒鉛 | ★軽水 | ★旧ソ連の RBMK |
| 重水炉 | 重水 | 重水 | カナダの CANDU 炉 |
黒鉛炉も重水炉も、天然ウランをそのまま使えます——減速材が中性子をほとんど吸わないからです。
濃縮の技術がなくても運転できる——だから原子力の初期に採用されたのです。
そのかわり炉が大きくなり、出力密度が低い——建設費がかさむことになります。
我が国の商業炉はすべて軽水炉——問題文が「軽水炉は」と限定しているのですから、減速材は軽水でなければなりません。
なぜ日本は軽水炉なのか
| 観点 | 軽水炉の利点 |
| ★炉の大きさ | ★減速能力が高いので小型にできる |
| ★出力密度 | ★高いので同じ出力でも設備が小さい |
| ★安全性 | ★冷却材が失われると減速材も失われ、反応が止まる |
軽水は冷却材と減速材を兼ねています——だから水が失われれば、反応も自然に止まるのです。
黒鉛炉では減速材が残るので、そうはいきません——安全上の考え方が違うことになります。
残る4つの記述を確かめる
(2)以外はすべて正しい記述です。
| 記述 | 内容 | 要点 |
| (1) | 核分裂の熱で蒸気を作りタービンを回す | ★汽力発電と同じ原理 |
| (3) | 濃縮度3〜5 ％ の低濃縮ウラン | ★軽水炉の標準 |
| (4) | 熱中性子を使うので熱中性子炉 | ★減速材があるから |
| (5) | BWRは再循環流量、PWRはほう素濃度 | ★どちらも制御棒を併用 |
4つとも他の年度で繰り返し出てきた内容——見慣れた記述です。
だから見慣れない「減速材に黒鉛」が浮いて見える——そこに目を留めれば絞れます。
(5) の出力調整をもう一度
| 方式 | 日常の調整 | 大幅な調整 |
| ★沸騰水型 | ★再循環流量 | ★制御棒 |
| ★加圧水型 | ★ほう素濃度 | ★制御棒 |
制御棒はどちらの方式でも使います——起動停止のような大きな調整のときです。
日常の細かい調整だけが方式で分かれる——(5)の記述は、その両方を正しく述べています。
要点をもう一度
軽水炉の減速材は軽水——「黒鉛」は別の炉型（黒鉛炉）の減速材です。
軽水炉という名前そのものが答え——軽水を減速材にも冷却材にも使うから軽水炉なのです。
問題文の「冷却材に軽水」は正しい——誤りは減速材の1語だけになります。
減速材が炉型の名前になる
| 減速材 | 炉型の呼び名 | 燃料 |
| ★軽水 | ★軽水炉 | ★低濃縮ウラン |
| ★重水 | ★重水炉 | ★天然ウランでよい |
| ★黒鉛 | ★黒鉛炉 | ★天然ウランでよい |
減速材の名前が、そのまま炉型の名前になっています——覚えやすい対応です。
軽水だけが濃縮を必要とする——中性子を吸ってしまうからです。
その代わり減速能力が高く、炉を小型にできる——だから世界の商業炉の多くが軽水炉になっています。
原子力発電の基本を確認する
(1)の記述は、原子力発電の定義そのものです。
| 段階 | 起きること | 火力との違い |
| ① | 核分裂で熱が発生 | ★燃焼ではない |
| ② | 水を蒸気に変える | 同じ |
| ③ | 蒸気タービンを回す | 同じ |
| ④ | 発電機で発電する | 同じ |
違うのは①だけ——②から先は火力とまったく同じです。
だから原子力発電も汽力発電の一種——熱源が核分裂か燃焼かの違いにすぎません。
まとめ
| (1)原理 | 核分裂の熱→蒸気→タービン→発電機→正しい |
| (2)減速材 | 軽水炉は軽水（黒鉛は黒鉛炉）→誤り |
| (3)濃縮度 | 低濃縮ウラン3〜5%→正しい |
| (4)熱中性子炉 | 軽水炉は熱中性子炉→正しい |
| (5)出力調整 | BWR=再循環流量／PWR=ほう素濃度→正しい。答えは(2) |
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