福島原発事故での水素爆発について

もう一日で、平成27年を迎えます。今になり、疑問点が出てきて、
知っておきたい事が有り、投稿いたしました。
専門家の方々にとって、簡単な質問ですが、是非教えて頂きたく思
います。
三年前の福島原発事故を特集したテレビ番組を最近見しました。
録画しておいたものでした。
私が住んでいる地域は、原発事故が起きた福島と言う事もあり、
関心が大きいですし、大掃除が終わって、時間に余裕が出来たので
、先ほど見て見ました。また番組から、色々な意外な事も今回知り得
えました。

3月11日の大地震後、その翌日から二日後にかけて、一号機、
三号機で続けて、水素爆発が起こり、大量の放射性物質が放出
された訳ですね。
今回、特にこの際の水素爆発、水素発生のメカニズムについて、お聞
きしたく思います。
テレビ番組では、圧力容器内の炉心の温度上昇に伴い、給水を行
ったが、皮肉にも、所々で、水が漏れていていて、結果的に、炉心
への十分な給水が行われなかっため、急激な水素ガスの発生、爆発
を招いたのではないだろうかと言った見解を調査専門委員会の方々
が述べていました。
また水素ガスが発生したメカニズムとしては、固形化して加工化さ
れた二酸化ウランを包んでいたジルコニウムの管が、高温の水蒸気
と化学反応し、水素ガスを発生させたとも解説していました。

この水素ガスを発生させた化学反応について、今回お聞きします。
大昔の高校時代に使っていた化学の教科書を引っ張り出して、見て
います。詳しく教わってはいないので、すみません。
とんちんかんな事をお尋ねするかも知れませんが。

まずお聞きします。水とジルコニウムが化学反応した言う事は、
「金属のイオン化傾向」の現象を意味しているのでしょうか?

K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Cr>Fe>Ni>Sn>Pb>Cu>Hg>Ag>Pt>Au

と言ったように、左側から右に行くほど、イオン化傾向は小さく
なっていくように書かれています。


金属ナトリウムですと、常温で、水と反応して水素ガスを発生させる
事は良く知られています。
水とジルコニウムが化学反応し、水素ガスを発生させた現象は、
格納容器内の温度が通常運転時の温度では起こり得る現象でなく、
事故等により、格納容器内の温度が、1000℃以上に達したために
起きた現象と判断でよろしいでしょうか?
また「金属のイオン化傾向」も、軽金属元素の方が大きく、貴金属元素
は小さいと聞きます。いわゆる金属でも、軽金属元素の方が水と
反応しやすく、一方、貴金属元素は水と反応しにくいと言う事だと
思います。
このように、水とジルコニウムの化学反応も、「金属のイオン化傾向」
の一種で、しかも水がかなり高温に熱しられた状態にならないと起き
ない現象と言えるのでしょうか?
またHg(水銀)、Pt(白金)、Au(金)と言った軽金属元素の場合も、どちらか
と言うと、カリウム、カルシウム、ナトリウム、そしてマグネシウムと言った
貴金属元素より、ウランのようなアクチノイド系の金属に近いから、水が
有る程度の温度に達しないと、水と化学反応を起こしにくいと言うと言う
事なのでしょうか?。

No.3 ベストアンサー 回答者： nekonynan 回答日時： 2014/12/31 17:41

水とジルコニウムが化学反応し、水素ガスを発生させた現象は、

格納容器内の温度が通常運転時の温度では起こり得る現象でなく、
事故等により、格納容器内の温度が、1000℃以上に達したために
起きた現象と判断でよろしいでしょうか?


通常の原発運転時での圧力容器内に水の沸点は、約２３０度　気圧にして約７０気圧にたしっます。では、水の役割はなんのか？　水の役割は、冷却材と減速材と成ります。


　これが制御を入れた状態でも崩壊熱が出てきます。通常は、崩壊熱は制御棒を入れて時間が立つほど減ります。ここで冷却がされない状態になれば、崩壊熱でどんどん水が沸騰して最後には水が完全に無くなり蒸気に成ります。

　ただし、蒸気に成ればなるほど圧力容器内の圧力が上がるので沸点が上がって来ます。圧力容器の安全率は約３と言われていますので多少あがっても圧力容器は壊れません。

　水が無くなり、燃料棒がむき出しになるので、冷却がされません。さらに減速材が無くなるので崩壊熱が減っていくカーブが小さく成ります。

　その結果、温度がどんどん上がって行きます。ある温度まで上がるとおかきの用に。ジルコニアと反応して水素が出てきます。


　水素が出ても酸素の割合がある範囲でないと爆発しません。圧力容器内には、酸素が無いのですから圧力容器が壊れない限り爆発することは有りません。

　水素爆発を起こした原子炉はBWR　１型　欠陥炉でこの発生した水素を貯めこむだけの容量が圧力容器にはありません。

　メルトスルーをしなくても圧力容器が発生した水素により圧力で圧力容器が破損することが判っています。指摘されているが、改善作をしてなかったのです。

　今回は、メルトスルーで圧力容器からが抜けだした、その結果、酸素の混じって何かの引火により爆発したものです。




　　テレビ番組では、圧力容器内の炉心の温度上昇に伴い、給水を行
ったが、皮肉にも、所々で、水が漏れていていて、結果的に、炉心
への十分な給水が行われなかっため、急激な水素ガスの発生、爆発
を招いたのではないだろうかと言った見解を調査専門委員会の方々
が述べていました。


　この指摘は間違っています。

　急激に水素ガスが発生したのは、圧力が下がったからです。圧力が下がれば水の沸点が下がるのです。気圧が下がれば一気に水が水蒸気に変わったのです。

　圧力容器からパージしたら、素早く水を入れ込まないと原子炉持ちません。パージしたのは良いのだが、水を入れれ込めなかったのが原因です。

　その結果、冷却水が無くなったのですな・・・・


　最大の原因は、欠陥炉であるBWR1型の欠陥を放置した、人災なのですな・・・


　アメリカの国会からBWM１型は欠陥だからと通知されていたに対策しないのが全ての原因ですは

この回答へのお礼

nekonynanさん、有難うございます。
通常の原発運転時での圧力容器内に水の沸点や気圧など、具体的な
事柄についても知る事が出来ました。
また急激な水素ガスの発生の原因が、圧力が下がった事により、
沸点も下がり、一気に水が水蒸気に変わったためと言う事で、専門家
の方のお話を聞けて、大変満足しております。

マーク1の原子炉は、欠陥炉である事は、テレビで、当時設計、製作
に当たったGE社の技術者の方が述べていた事を記憶しています。
圧力容器と格納容器の隙間が狭く、水素爆発を起こしやすいと言った
事も言っていた事を記憶しています。

お礼日時：2014/12/31 21:24

No.2 回答者： paulrachel 回答日時： 2014/12/31 11:55

http://www2.qe.eng.hokudai.ac.jp/nuclear-acciden …
にあるようにジルコニウムは900度位で水と反応します。発熱反応なのでさらに高温になります。

ジルコニウムはチタン系の金属で一般的には非常に安定です。

この回答への補足

paulrachelさん、有難うございます。
周期表を見て見ますと、回答を頂いて、調べてみましたら、
ジルコニウムは、チタン族の金属である事を確認しました。
よく確認せず、問い合わせをしまして、すみませんでした。
またお陰さまで、掲載して下さったURLを拝見すると、
事故により、燃料被膜管の抗生物質、ジルコニウムが水と
反応して、二酸化ジルコニウム、ZrO2と水素ガスを発生さ
せる反応だと理解できました。

確認のために、お聞きします。
ジルコニウムと高温の水との反応も、大小の差こそあれ、
反応のしやすさこそあれ、「金属のイオン化傾向」の現象
と解釈してよろしいのでしょうか?
金属、ナトリウムと水の反応の場合、塩化ナトリウムと水素
が発生し、NaCl、塩化ナトリウムは、水の中で、ナトリウム
イオン、塩素イオンとして存在し、イオンの状態で、水に溶
けている状態だと理解しています。
一方ジルコニウムが水と反応して、生成される二酸化ジルコ
ニウム、ZrO2は、私個人としては、水に溶けにくい物質と
思っているのですが、この反応も、やはり「金属のイオン化
傾向」の一現象と捉えてよろしいのでしようか?
あるいは、別な反応と区別されている反応なのでしょうか?

お手数をおかけします。

補足日時：2014/12/31 13:32

No.1 回答者： lv4u 回答日時： 2014/12/31 11:46

完全な回答にはならないかもしれませんが・・・

私は、化学には詳しくありませんが、約４０年近い前、反原発の活動を行っていました。
そのとき、原子力発電関係の書籍（１，２万円くらいの定価だったかな？）を読んで、原子力発電所を仕組みを勉強しました。
書籍には、

ウランなどの入った燃料棒が加熱すると、水と反応して水素が発生する。これが大量に発生すると水素爆発が起こる可能性がある。
だから「炉心溶解を防ぐため、何重にも対策があり、最後の砦として緊急炉心冷却装置がある。」と書かれていました。

ですので、ＴＶの報道で「緊急炉心冷却装置が働かない」というニュースを聞いた瞬間に、背筋が寒くなり、「しばらくしたら、炉心が爆発するぞ！」と推理しましたが、案の定、そのとおりの結果になりましたね。

つまりは、水とジルコニウムの化学反応は、高温になって起こるのであり、通常運転の状況では問題にならない反応であるということでしょう。
ただ、この燃料棒のジルコニウム被覆は矛盾の産物なんです。

加熱を防ぐには、被覆は薄いほうがウラン燃料からの熱を外の水に伝えやすい、つまりは、ジルコニウムが加熱しずらいわけです。
でも、薄いと穴が空いてしまい、内部に溜まった放射性ガスなどが外に漏れ出しやすくなる。

ここは、なかなか難しい部分だと書かれていました。

この回答へのお礼

lv4uさん、反原発の活動をしておられたとの事で、今回、ジルコニウム被覆管と
ウラン燃料との関係についても、具体的なお話を聞かせて頂き、大変勉強になり
ました。有難うございます。
福島原発が計画され、作られる頃、私は中学生だったので、原子力に対する知識
もほとんど持っていおらず、反対運動に参加したくとも、十分判断も出来ず、
いつの間にか完成し、稼働していたと言う感があります。
実は、原発問題に慎重な佐藤栄作久知事から、推進派の佐藤雄平知事に変わった
時に、ふと、何か起きないかと嫌な予感を覚えた思いを隠しきれませんでした。
ただ佐藤雄平知事が、あれほど東電の傀儡的人物、存在だったとは、分かりませ
んでしたが。後で、分かった事ですが。

最後に、lv4uさん、良いお年をお迎えください。

お礼日時：2014/12/31 13:50