水素爆発で有名になったジルコニウム合金ですが、

Question

福島原発で加熱された燃料被覆管のジルコニウム合金から
水素が発生して問題になっていますが、

これって、どういう反応なのですか？
水中にある部分での反応ですか？

テレビで加圧されているから水でも沸点は250℃くらいに上がっていると。

それでも水中ならば、水の沸点の250℃程度の温度でしょう？
そんな低温で反応が起こっちゃうの？

それとも水から外に出ている部分で起こっているの？

Wikiを見たら、ジルコニウム合金を使うのは熱中性子をよく通すからとありますが、
通常使うような条件（水中という意味）で水素が発生するような危険なものを
なんで原子炉に使うの？

水素発生の危険性は認識されていなかったの？

kagakusuki · Accepted Answer

原子炉が通常の運転状態で到達する温度程度では、ジルコニウムと真水は反応しません。
　ジルコニウムは空気中においては、空気中の酸素と結合して、アルミニウムやチタン、ステンレス鋼等と同様に、表面に酸化被膜が自然に生じて、内部が保護されています。
　原子炉の中には酸素は殆どありませんが、燃料被覆管は製造された時に、空気に曝されますから、その時に酸化被膜が生じています。
　今回の福島原子力発電所で爆発の原因となった水素は、冷却水の循環が停止して、冷却水の水面が低下し、燃料棒の一部（或いは全部）が水面より上に露出し、露出部分が冷却されないために、通常使用される温度よりも遥かに高温（2000℃以上）となり、その高温部分のジルコニウム合金に、（液体の水ではなく）冷却水の蒸発によって生じた水蒸気が触れた際に、水蒸気が高温のジルコニウム合金に酸素を奪われたために発生したものです。

　尚、水は高温では、意外と安定ではなく、昔、NHK教育の高校化学の番組で、ガスバーナーで加熱した銅管に水蒸気を通し、水蒸気を銅で還元して、水素を生成する実験が行われていました。（常温では水素の方が酸素と結合する力が強いが、高温では異なる）

　余談ですが、放射線によって水が分解されると、水素だけではなく、酸素も発生します。
実用されている原子炉では、この酸素と水素を、触媒を使って化学反応させて水に戻す、排ガス再結合器が組み込まれていますから、放射線によって発生する水素は速やかに水に戻るため、水素爆発の原因になる事はまずありません。
　今回は、水蒸気がジルコニウム合金に酸素奪われた事によって水素が発生したため、原子炉内部には、水素と再結合させるための酸素が存在しなかったため、排ガス再結合も役には立たなかった訳です。

【参考URL】
　　中国電力株式会社> エネルギーのはなし > 原子力発電 > 原子力発電所の運転情報 > 報道資料 > 平成22年度 > 島根原子力発電所2号機の発電開始について（平成22年12月7日） 
　http://www.energia.co.jp/atom/press10/p101207-2.html

harou72 · Answer

水素と酸素の濃度比が異なると、再結合器で回収できない水素が残るので、
結果的に、水素がたまっていくということですね。勉強になりました。
ありがとうございました。

可燃性ガス発生の形態については、

http://www.nsc.go.jp/senmon/shidai/kakunou_ken/kakunou_ken01/siryo6.pdf

にも情報がありました。質問者の方に役立てば幸いです。

参考URL：http://www.nsc.go.jp/senmon/shidai/kakunou_ken/kakunou_ken01/siryo6.pdf

harou72 · Answer

水の放射線分解によって発生する水素・酸素量評価

というキーワード検索で見つかった、たとえば、京都大学の下記HPも
参考になるかと思います。

http://www.rri.kyoto-u.ac.jp/NSRG/seminar/No87/ohigashi0430.htm

参考URL：http://www.rri.kyoto-u.ac.jp/NSRG/seminar/No87/ohigashi0430.htm

harou72 · Answer

昨日の考察について、

国の機関である原子力安全委員の下記HP

http://www.nsc.go.jp/senmon/shidai/kakunou/5/siryo2.pdf

に、水の放射線による分解に関する資料がありましたので、お知らせいたします。

この資料内には、

水の放射線分解による水素・酸素は、
事故時のみならず、通常運転中にも大量に発生

と明記されていました。
定量評価でないのが残念です・・・

参考URL：http://www.nsc.go.jp/senmon/shidai/kakunou/5/siryo2.pdf

harou72 · Answer

ニュースを見ないで、自分の中で考えていたことなので、
定量的に判断しかねるので、この書き込みをみて分かる方が
いましたら教えて頂きたいと思います。

まず、使用済みの燃料を含めて、放射性物質は、
アルファー線、β線、ガンマー線を出し続けています。

強烈なガンマー線（＝Ｘ線）や、
アルファー線やβ線（反応するまでになくなるかもしれないけれど、
当たったら、与えるエネルギーの大きい粒子）

これらの高エネルギー粒子や光子が水に当たって
解離して水素ができる反応はどの程度なのでしょうか。

反応速度（レート）、原子核が崩壊する反応速度、使用済み燃料棒の中の
放射性物質の総量（単位時間当たりに自然に壊れて出てくるアルファー線やβ線、
ガンマー線の線量やエネルギー）が分からないので無視できる量なのかよく分かりません。

ご専門の方、教えて下さい。

ちなみに、下記の原子力安全委員会のＨＰにおいても、
放射線による水素発生は検討事項として挙がっています。
http://www.nsc.go.jp/senmon/shidai/kakunou/5/ssiryo2.pdf

個人的には高温で水素が発生する量はどの程度？
Zrで水素？ホントにそれだけなのか？という気持ちです。

下記で挙げられていた過去の事故からでも、
「定常的」な水素発生を予期できた事象だったのではないでしょうか。
http://www.asyura2.com/0306/health5/msg/464.html

ホントにZrの反応だけ？という疑問があります。

停電で換気扇のファンが回せなかった、

もしくは

何らかの方法で回せることは分かっていたけれど、
水素発生⇒自然爆発の重要性に気がつかず、
何もしなくてよいと考えていた

または、

水素の発生はあること分かっていてそれを無視して
放射線漏れだけ心配して回さなかった

という人為的な判断ミスも想定してもよいのかなと考えています。

起こってしまったことは仕方がないけれども、
今ある原発への対応として、早急に対策をとるべきだと思います。

doc_sunday · Answer

>水から外に出ている部分で起こっている
ちょうど水と触れるか触れないか程度の辺りで水蒸気と反応しています。
温度は数百度まで上がっているでしょう。
鋼鉄の圧延時に水をかけて冷やしながら行いますが、高温の鉄表面で水が水素と酸素に分解し、少し離れた場所で再結合して爆発音を出しています。
高温での水素爆発は毎日起きているありふれた現象です。

水素爆発で有名になったジルコニウム合金ですが、

原子炉が通常の運転状態で到達する温度程度では、ジルコニウムと真水は反応しません。

水素と酸素の濃度比が異なると、再結合器で回収できない水素が残るので、

水の放射線分解によって発生する水素・酸素量評価

昨日の考察について、

ニュースを見ないで、自分の中で考えていたことなので、

>水から外に出ている部分で起こっている

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