今回は令和4年度下期 電力科目 A問題4を解説します。軽水炉の燃料・軽水の役割・蒸気の作り方による2つの型、そして原子炉固有の安全性をもたらす効果を埋める空欄補充問題です。
軽水炉の2つの型は「蒸気をどこで作るか」で区別します。炉内で直接沸騰させるのが沸騰水型（BWR）、蒸気発生器を介すのが加圧水型（PWR）。そして燃料温度が上がるとU238の中性子吸収が増えて出力が抑えられる現象がドップラー効果です。
令和4年度下期 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「令和4年度下期 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】 令和4年度下期 A問題4
次の文章は、原子炉の型と特性に関する記述である。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、我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。
軽水炉では、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、燃料の温度上昇にともなってウラン238による中性子の吸収が増加する(オ)により、出力が抑制される。このような働きを原子炉の固有の安全性という。上記の記述中の空白箇所(ア)〜(オ)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) 低濃縮ウラン 減速材 沸騰水型 加圧水型 ドップラー効果 (2) 高濃縮ウラン 減速材 沸騰水型 加圧水型 ボイド効果 (3) プルトニウム 加速材 加圧水型 沸騰水型 ボイド効果 (4) 低濃縮ウラン 減速材 加圧水型 沸騰水型 ボイド効果 (5) 高濃縮ウラン 加速材 沸騰水型 加圧水型 ドップラー効果
出題のポイント：軽水炉の型と固有の安全性を対応させる
軽水炉は低濃縮ウランを燃料とし、軽水を冷却材と減速材に使います。BWRは炉内で蒸気を直接発生し、PWRは高圧の一次系から蒸気発生器を介して二次系の蒸気をつくります。燃料温度上昇時のU238共鳴吸収増加はドップラー効果です。
(オ) ドップラー効果とは
燃料の温度が上がると、ウラン238が中性子を吸いやすくなります——それが出力を抑えるのです。
| 段階 | 起きること |
| ① | ★何かの原因で熱出力が増える |
| ② | ★燃料の温度が上がる |
| ★③ | ★ウラン238の原子核が激しく振動する |
| ★④ | ★中性子を吸収できる速度の幅が広がる |
| ⑤ | ★中性子が吸われて核分裂が減り、出力が下がる |
なぜ温度が上がると吸収しやすくなるのでしょうか——原子核が動いているからです。
止まっている的なら、決まった速度の中性子しか吸えません——ところが的が動いていると、相対速度が変わるのです。
だから吸収できる中性子の速度に幅が出る——結果として吸収量が増えることになります。
音源が動くと音の高さが変わるドップラー効果と同じ理屈——だからこの名前が付いています。
固有の安全性を支える3つの効果
原子炉には、出力が上がりすぎると自動的に抑える性質があります。
| 効果 | きっかけ | 働く仕組み | 方式 |
| ★ドップラー効果 | ★燃料の温度が上がる | ★ウラン238が中性子を吸いやすくなる | ★両方式 |
| ★ボイド効果 | ★冷却材が沸騰して泡が増える | ★減速材が減り、熱中性子が減る | ★沸騰水型が主 |
| 減速材温度係数 | 冷却材の温度が上がる | 密度が下がり減速が効きにくくなる | 両方式 |
3つとも「出力が上がると抑える」方向に働きます——負のフィードバックです。
制御棒のような外からの操作を待たずに、物理的に効く——だから「固有の」安全性と呼ばれます。
ドップラー効果は最も速い——燃料の温度は瞬時に上がるからです。
ボイド効果や減速材温度係数は、冷却材の変化を経る——そのぶん少し遅れることになります。
平成19年度とほぼ同じ問題
(ア)〜(エ)がまったく同じ文で、(オ)だけが違います。
| ★平成19年度 A4 | ★令和4年度下期 A4（本問） | |
| (ア)〜(エ) | ★同一の文 | ★同一の文 |
| ★(オ)の説明 | ★冷却材沸騰の影響で熱中性子が減る | ★燃料の温度上昇でウラン238の吸収が増える |
| ★(オ)の答え | ★ボイド効果 | ★ドップラー効果 |
| 答え | ★(1) | ★(1) |
どちらも答えは(1)——けれども(オ)の中身は別の効果です。
見分け方は問題文の説明——「燃料の温度」ならドップラー、「冷却材の沸騰」ならボイド。
説明文をよく読めば、必ず区別できます——どちらの効果かを覚えるより、説明との対応を押さえるほうが確実でしょう。
⚠️ よくある間違い
(オ)を「ボイド効果」としてしまう——選択肢(2)(3)(4)がそれです。
問題文は「燃料の温度上昇にともなってウラン238による中性子の吸収が増加する」と書いています——これはドップラー効果。
ボイド効果なら「冷却材の沸騰」が出てくるはずです。
(ア)を「高濃縮ウラン」としてしまう——選択肢(2)(5)。軽水炉は3〜5 ％ の低濃縮ウランです。
(イ)を「加速材」としてしまう——選択肢(3)(5)。「加速材」という材料はありません。中性子は減速させるのです。
(ア)と(オ)の2欄で確定できます。
⏱️ 本番での進め方
①(オ)★「燃料の温度上昇」ならドップラー効果。
②「冷却材の沸騰」ならボイド効果。説明文で見分ける。
③(ア)★軽水炉は低濃縮ウラン。高濃縮は使わない。
④(イ)★「加速材」という材料はない。減速材。
💡 覚え方
「燃料が熱くなればドップラー、水が沸けばボイド」——きっかけが違います。どちらも出力を抑える方向——それが固有の安全性です。
ボイド効果を答えさせる問題が平成19年度 A問題4（原子力：固有の安定性とボイド効果）にあります。(ア)〜(エ)は同じ文です。
空欄の絞り込み手順
5つの空欄がありますが、2つで確定します。
| 確定させる欄 | 正しい語 | 残る選択肢 |
| (ア) | 低濃縮ウラン | ★(1)(4) |
| (ウ) | 沸騰水型 | ★(1)に確定 |
(ア)は軽水炉の燃料——3〜5 ％ の低濃縮ウランです。これで3つ落ちます。
(ウ)は「蒸気を原子炉の中で直接発生する」——沸騰水型。2手で確定します。
(オ)まで読まなくても答えは出せる——けれども(オ)が本問の主題ですから、確認しておきましょう。
「加速材」という材料はない
選択肢(3)(5)の「加速材」——原子炉にそのような材料はありません。
中性子は減速させるもの——遅いほうがウラン235に吸収されやすいからです。
加速させる必要はどこにもない——もっともらしい造語だと気づけば切り捨てられます。
ドップラー効果が最も速い
3つの効果には、効き始めるまでの時間差があります。
| 効果 | 速さ | 理由 |
| ★ドップラー効果 | ★即座 | ★燃料ペレットの温度が直接変わる |
| ボイド効果 | ★やや遅い | ★熱が冷却材に伝わってから |
| 減速材温度係数 | ★遅い | ★冷却材全体の温度が動くまで |
出力が急に増えたとき、まず効くのがドップラー効果——核分裂が起きた瞬間に燃料が熱くなるからです。
だから急激な出力上昇を抑える役目を担っています——制御棒が入るより速いのです。
この即応性が、原子炉の安全設計の土台になっています。
なぜウラン238なのか
ドップラー効果の主役はウラン238——核分裂するウラン235ではありません。
低濃縮ウランでは95 ％ 以上がウラン238——量が圧倒的に多いのです。
ウラン238は中性子を吸っても核分裂しません——だから吸収が増えれば、そのぶん反応が抑えられることになります。
燃えない物質が安全を支えている——低濃縮であることが安全につながっているのです。
要点をもう一度
(オ)は「燃料の温度上昇」と「ウラン238」の2語で判定できます。
| 問題文の言葉 | 対応する効果 |
| ★燃料の温度上昇 | ★ドップラー効果 |
| ★ウラン238による中性子の吸収 | ★ドップラー効果 |
| ★冷却材の沸騰 | ★ボイド効果 |
| ★熱中性子が減る | ★ボイド効果 |
説明文の中に、必ずどちらかの手がかりが入っています——効果の名前を暗記するより、対応を押さえるほうが確実です。
平成19年度と本問は、(オ)以外まったく同じ文——どちらも答えは(1)になります。
軽水炉の2方式
(ウ)(エ)は名前がそのまま説明——沸騰させるのが沸騰水型、加圧するのが加圧水型です。
加圧するのは沸騰させないため——約15 MPa をかけて、320 ℃ でも液体のまま保ちます。
まとめ
| (ア) | 軽水炉の燃料＝低濃縮ウラン |
| (イ) | 軽水は冷却材と減速材を兼ねる |
| (ウ) | 炉内で直接蒸気を発生＝沸騰水型（BWR） |
| (エ) | 蒸気発生器を介す＝加圧水型（PWR） |
| (オ) | 燃料温度↑→U238の吸収↑＝ドップラー効果→(1) |
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