出力調整

Question

火力や水力発電所では問題のない出力調整が原発では困難（とされている）のはなぜなのでしょうか？
温度がひんぱんに変化して燃料棒の鞘が劣化するとか、
あまりに原発が巨大なのでコントロールがむづかしく、中途半端では不安定になるからという記事が見られるのですが、それならそれに耐えられるように、またちいさ目につくればいいだけです。
巨大すぎるジャンボジェットを作った結果墜落を怖れるようなものです。
日本でもその実験を以前したようですが、うまくいったと聞いています。でも反対が多いせいかその後は実施されていません。これもおかしいと思います。
そのために電力側に夜間電力を捨てるための本来不要な巨大ダムを作らせたり、エコキュートなどを強引に売り込む口実を作らせることになったのだと思います。

フランスなどでは実際にやっていると聞きますし、その技術を日本も導入するべきではないかと思うのですが、この是非を質問します。

これは技術的なことを聞いていますので、イデオロギーだけの不確かな意見は求めていません。
よろしくおねがいいいたします。

jkpawapuro · Accepted Answer

なぜ”原子炉”の出力調整が難しいかと言うと、核燃料棒の特性だと思います。
核燃料棒は二酸化ウランを酸化ジルコニウムで覆ったもので、これは火力と違って燃料が固形で最後まで強度を維持しないといけません。ですが固体ですので、温度を高くしたり低くしたりすると強度的に劣化していきます。（ガラスに水をかけたり熱したりするとひびが入りますよね。）それを防ぐためには、極力同じ出力で安定運転させるのが望ましいです。

次に反応度の問題があります。核燃料は二酸化ウランを核分裂させて熱を生むわけですが、その結果徐々に高次化プルトニウムや（一時的なものも含め）キセノンが溜まります。これは核分裂を阻害するもので、これが溜まることにより燃料棒は（二酸化ウランが残ってても）核分裂しにくくなります。ですが頻繁に出力を調整するとこういった余計なものがたまりやすくなり反応がしにくくなったり運転が不安定になったりします。

この辺の話は核燃料の性質ですので、原子炉の大きさ（燃料棒の数）はあまり関係無いと思います。

技術的に解決できるかできないかと言えばできない問題ではないので、結局問題となるのはコストです。
原子炉は常にフル稼働させて揚水発電所で電気を別の形で溜めたほうが、経済的には一番なんです。原発の場合、出力を落とすことが燃料コストの節約にはつながらずデメリットばかりですので。

なお揚水発電所は昼間水を落として夜間水を溜めるものなので、ダムが巨大である必要はありません。各揚水発電所の調整池を調べればわかると思いますが、小さなダムですよ。通常の水力発電所として建設されたダムに調整池を付け足したものがほとんどです。それにもはやいまさらダムを作らなくても、ピーク電力の頭打ちでたなざらしになった揚水発電機増設計画はいくつもあります。
原発による出力追従運転は、揚水発電で余剰発電を吸収しきれないフランスだから必要なのであって、私は日本で必要とは思っていません。下手したら火力発電所で発電のみをとめたほうが効率がいいかもしれません。

ytrewq · Answer

火力や水力でも中間出力での運転に問題が無いわけではありません。
ボイラーによっては、燃焼状態が変化して排ガス中にNOxが増えるものもあります。
水力でも出力を絞ると振動が発生してしまうものもあります。
いずれにしても、頻繁に出力を変化させると、熱ストレスが加わったり、機械的な動きが多くなったりして、メンテナンス費用増大につながります。

原子力でも出力調整はある程度可能です。
原子力の燃料は火力の燃料と違って、経理上固定資産となっていますので、出力を絞っても燃料費がその分少なくなるということはありません。発電出力をしぼれば、発電単価が上昇します。

jkpawapuro · Answer

発電単価で見るのが一番わかりやすいと思います。
中電によると発電コストにおける通常の核燃料棒の価格は1割
原子力発電の発電単価は4.8～6.2円/kWh、ざっくり燃料コスト0,6円といったところでしょうか？
ＬＮＧ火力が5.8～7.1円、燃料コスト5割と見積もって3,5円でしょうか？

極めておおざっぱな計算ですが、それでも核燃料棒の取得コストの安さと原発はまわし続けたほうがコスト面で有利であることは言えると思います。

メンテナンスフリーの原子炉は、GEに作れるかどうかは知りませんが、原子力艦が似たようなものですので技術上は似たようなことはできるでしょうね。
ただしその場合20年使える燃料棒、つまり兵器級ウランが必要になります。
民生用としてはあまりに物騒に思いますが。

原子炉の解体や放射性廃棄物の処理費用については、計算に入っているとの事です。
ですが原発推進派の机上の空論によるものなので、私は全然信用しておりません。
あなたのおっしゃるとおり計算の中身も見れませんしね。

jkpawapuro · Answer

>核燃料棒が安いというのは何に比べて安いということなのでしょう。
核燃料の購入費用が火力の燃料や原子力発電コストにおける占める割合として安いということです。
必然どこの国でも原子力発電は減力運転などせず定格運転をするようになります。
例外は原子力発電の発電に占める割合があまりに多くて他の方法で余剰電力を吸収できないフランスだけです。

それでなぜ揚水発電を嫌うのでしょうか？
参考にサイズを並べてみます。
京極発電所は、まだ存在しない発電所ですが純粋揚水発電所として計画概要が載ってたので引っ張ってきました。

黒四ダム　
有効貯水容量 148,843,000 m³ 
黒部川第四発電所　
認可出力　335,000kW

京極発電所建設計画概要
有効貯水容量 上部調整池4,120千m3 　京極ダム調整池4,120千m3 
最大出力 600,000kW

出力が倍ですが、ダムのサイズは桁違いに小さいです。

Mokuzo100nenn · Answer

沸騰水型軽水炉ですから、制御棒を抜き差しして中間の位置で止めれば、水蒸気の発生量は制御できますが、その水蒸気を使って発電するタービンの方は、直径固定でフィンのピッチも固定であれば、定格出力時にもっとも効率よく発電しますね。

この世に原発一機だけがある状態を想像すると、一機の発電量を可変にすることの合理性が、タービンの発電効率を下げることの不合理性を上まわることも考えられますが、系として考えると54基の原発と100基以上の化石燃料発電が稼働しているので、それぞれのユニットを０か１００かでコントロールし、系全体として受注調整をする方が効率的だからでしょう。

原子力空母など、「この世に原発一機だけがある状態」に類似される環境では、制御棒による出力制御が必要な技術になってくると思います。

jkpawapuro · Answer

> 出力を下げても燃料は通常とおり分裂し続けるということでしょうか。
そこは全然別の話です。軽水炉の燃料棒は最初に炉に並べてあとは補充できません。
非常に大雑把な一例ですが、一度炉に入れたら一年運転・出して点検して入れて一年運転、点検して3年目運転、これで交換です。
ちょっとやそっと出力抑制したところで、結局3年しか使えません。
これを4年使おうと思ったら総発電量を3分の2以下くらいに抑えないといけないです。
3年使ったらあと3ヶ月みたいな運転の仕方は非効率で現実にはできないので、結局出力抑えてたからといって燃料棒が長持ちはしません。
さらにいうと核燃料棒は安いので、節約してもしょうがないって話もあります。（処理費は？）

あと揚水発電の話ですが、揚水発電所の調整池はほとんどが2,3日分の貯水量です。黒部や佐久間のように大量の水を溜めるようには作っていませんし、夜間電力で昼発電するだけならそれで十分です。梅雨や冬の水を溜めて数ヶ月かけて落とす一方の通常の水力発電とは貯水量が全然違います。
ただし今回の地震のように急に長期にわたって電力不足が生じると、2,3日で干上がって使い物にならなくなります。

多くの揚水発電所は既存のダムに調整池を設ける形で作っています。そのため揚水発電には巨大ダムが必要と勘違いされるかもしれませんが、揚水発電には原理上”巨大”ダムは必要ありません。

最後の行、はしょりすぎましたね。
日本では負荷追従運転をすべきでは無いと思っています。
これは原子力発電所のエネルギーを捨てる方法の無い時の最後の手段だと思っています。
そんなことをするくらいなら既存のダムにどんどん揚水発電機の増設でもしたほうがいいと思います。

f-zebra · Answer

質問者さんもおっしゃるとおりフランスでは原子力で約8割の電力を発電しており、他で吸収することはできないので原子力発電で出力調整運転を行っています。技術的にはフランスの原子炉が特に優れているわけではなく、技術的には日本でも十分に可能です。
原子力でも火力でも、熱出力が何度も上がったり下がったりすれば鋳鋼製の機器などは疲労が蓄積し、機器の寿命は短くなります。また、負荷に合わせて細かく出力を調整するような運転は大出力の発電所では難しく、小型で小回りのきくガスタービンなどは得意です。現在日本の発電量に占める原子力の割合は3割程度で、原子力発電は大出力のものばかりです。そのため、原子力を一定出力で運転して、他で負荷に合わせて調整する方が簡単で、コスト的にも有利なのです。
細かく調整するのでなく、昼間100%、夜50%程度でゆっくり出力を変動させるくらいなら機器の寿命や安全性にはほとんど影響しませんが、これをしないのは技術的な理由ではなく、正にイデオロギーによる反対のためです。

MVX250F001 · Answer

巨大か小さいかの問題ではなく、原子炉そのものの特徴です

連鎖核反応は、放って置くとどんどんと連鎖的に核反応が増進され、手に負えない巨大な熱が発生してしまいます
なので、発電のための蒸気を作るのにちょうど良い”火加減”に、絶妙・微妙・ぎりぎり・綱渡り的なコントロールが必要です

コントロールを誤ると、火加減が弱すぎて発電できませんし、強すぎると融けちゃいます

出力調整が全く不可能ではないのかもしれませんが、もっと調整が楽な火力や、更に簡単な水力と併用させる方が、リスクを低減できるからです

リスクを増やしてでも原発の出力調整を行うメリットがありません

tadys · Answer

やはり大きいのが原因でしょう。

水の量が多いので温度を変化させようとしても時間がかかる。
核反応を止めても熱の発生がすぐには止まらない。
などの問題が有ります。

とかく、応答時間が遅いものは不安定になりがちです。
応答時間より早い変化には追従できないし、応答時間に等しい変化が有る場合は不安定になることが有ります。
追従できない場合は大規模停電になる恐れが有ります。

小さいものを作らないのはコストが高くなるからでしょう。

toshi1758 · Answer

こんにちは、原子炉事態は、本来出力調整出来る様に設計されていますので、技術的には可能。
伊方原子力発電所で、出力調制実験が行われましたが、チェルノブイリ原発事故が出力調整実験中の事故により、日本では原発反対運動の署名活動や過激な反対運動により、頓挫している。　
　検索されればその辺の経緯が分りますので検索してみてください。

出力調整

なぜ”原子炉”の出力調整が難しいかと言うと、核燃料棒の特性だと思います。

火力や水力でも中間出力での運転に問題が無いわけではありません。

発電単価で見るのが一番わかりやすいと思います。

>核燃料棒が安いというのは何に比べて安いということなのでしょう。

> 出力を下げても燃料は通常とおり分裂し続けるということでしょうか。

質問者さんもおっしゃるとおりフランスでは原子力で約8割の電力を発電しており、他で吸収することはできないので原子力発電で出力調整運転を行っています。

巨大か小さいかの問題ではなく、原子炉そのものの特徴です

やはり大きいのが原因でしょう。

こんにちは、原子炉事態は、本来出力調整出来る様に設計されていますので、技術的には可能。

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