原子炉の炉心を3Dプリンターで出力、次世代原発のプロジェクトが米国で進行中
カート・テラーニは、原子力エネルギーの“未来”を加速したいと考えている。そこで、“過去”に注目することにした。
「原子炉の炉心を3Dプリンターで出力、次世代原発のプロジェクトが米国で進行中」の写真・リンク付きの記事はこちらテラーニは、テネシー州にあるオークリッジ国立研究所（ORNL）の物理学者やエンジニア、コンピューター科学者などからなるチームとともに、原子炉の一種であるガス冷却炉の部品の設計と開発に1年半かけてきた。
ガス冷却炉は核時代の最初期から存在してきた技術である。だが、ORNLが開発した最新の原子炉には、21世紀ならではの工夫が盛り込まれている。2023年に実証炉の稼働が実現すれば、3Dプリンティングでつくった炉心を備えた世界初の原子炉になるのだ。
「わたしたちが取り組んでいるのは、性能の優れた原子力システムを、これまでよりも速く構築する方法を見つけることなのです」と、原子炉を3Dプリンターで出力する研究開発プロジェクト「Transformational Challenge Reactor（TCR）」のテクニカルディレクターであるテラーニは言う。「原子力を取り扱う方法を根本的に変えることを目標にしています」
変化を望まない業界
原子力業界は非常に保守的で、変化を望まないことでよく知られている。テラーニは、米国のすべての原子炉で、半世紀も前に考案された技術がいまだに使われていることを嘆かわしく思っているという。
「壊れていないなら直すな」という考え方は、新しい原子力発電所の建設に伴う固有のリスクと高額な費用をうまく処理するためのひとつの方法ではある。だが、それが米国で「炭素を排出しないエネルギー」の大部分を供給する業界において、改革を抑止してきたのだ。
テラーニが懸念するのは、原子力業界が新しい技術を取り入れなければ、近いうちに時代遅れになってしまうということである。
だからといって、十分な努力もせずに実験用原子炉の建設を始めるべきだというわけではない。原子力業界の動きが非常に遅い理由は、判断を誤ったときの代償があまりにも大きいからだ。チェルノブイリや福島で起きた事故は時代を決定づけた大災害であり、二度と繰り返したくない。
だが、同じように融通が利かないことで知られているほかの業界では、リスクを避けたいという理由で新しい技術の導入をやめたりはしていない。航空宇宙産業を見るだけでも、企業はロケット全体を3Dプリンティングで作成したり、自動着陸する飛行機を飛ばしたり、ロケットのブースターを洋上で回収したりしている。
炉心を3Dプリンターで作成
いずれにせよ、開発中の改良型原子炉は完全に新しいものではなく、何十年も前に建造に成功した原子炉を修正した設計である。「こうしたコンセプトは、すべて機能することがわかっています」と、テラーニは言う。「問題は、これらを十分にスピーディーかつ安価に建設できない点なのです」
テラーニたちは、この問題に取り組んでいる。最近では、TCRの中心となる炉心を3Dプリンターで作成するための基本設計を最終決定した。この原子炉のほとんどは従来の部品で構成されるが、炉心は炭化ケイ素を使った3Dプリンティングだけで作成される。炭化ケイ素は、ほぼ溶けることはないとされる堅牢な材料だ。
炉心は円筒形で、色はつや消しのメタリックシルヴァー、中心には不規則な9角形の燃料集合体が複数並べられている。ここは原子炉におけるすべての“魔法”が起きる部分であり、ウラン燃料のほか核分裂反応を制御する部品を保持する役割を果たす。
ORNLが設計して3Dプリンティングで作成した炉心は、高さが1.5フィート（約45cm）足らずで、ビール樽よりも少し大きい程度の原子炉に収まる。それでも23年に実証炉として稼働するときには、最大で3MWを発電できるのだと、テラーニは説明する。これは平均的な家庭1,000世帯分を超えるエネルギー需要を満たせる発電能力だ。
炉心内部へのセンサーの埋め込みも可能に
このTCRは冷却剤にヘリウムを使う改良型ガス冷却炉だが、米国で稼働中の原子炉のほとんどは水を使っている。ガス冷却炉はかなりの高温で稼働するので（ORNLのTCRの場合は約650℃）、燃料効率が非常に高い。テラーニによると、原子炉を3Dプリンティングすることによって、効率がさらに高まるという。
それに従来の機械加工技術では、原子炉の炉心設計に制約がある。ORNLが設計した炉心には冷却水路が複雑に張り巡らされており、あまりに細かく入り組んでいることから、従来のいかなる機械加工技術でも対応できない。そこで、溶かした金属を1層ずつ積み重ねて物体をつくる3Dプリンティング技術を使うことで、これまでは不可能だった炉心設計が可能になった。
「細かな幾何学的な問題に行き詰まることもなくなりました」と、テラーニは言う。「すべてが同じように見えるものをずらりと並べるのではなく、炉心全体にわたる設計を変更してシステムを環境に対応させることができるのです」
3Dプリンティング技術の利用は、原子炉の稼働後に炉心の内部で起きることをより正確に把握する際にも役立つ。従来の原子炉では、炉心の挙動を外側から監視せざるを得ない。これに対して3Dプリンティングで可能になる新しい設計では、センサーを埋め込むことができることから、炉心内部からもデータを得られる。さらに3Dプリンティングの利用によって、製造工程にこれまで以上に手を入れることも可能になる。
TCRの炉心の個々の部品の作成には8〜24時間かかる。炉心全体なら数週間で作成できると、テラーニは説明する。3Dプリンティングでの部品の作成中は、赤外線カメラやセンサーからのデータがマシンヴィジョンのアルゴリズムに送り込まれ、欠陥が生じていないか判断する上で役立つ。
必要になる膨大なコストの理由
問題は、かつてない大変革をもたらそうとするテラーニが直面する「次の段階」だ。従来の原子炉用に新たに部品をつくった場合、多大な費用と時間がかかる認可プロセスを受けなければならない。そのコストは、わずか数セントでつくれるボルト1本に20,000ドル（約215万円）支払わなければならなかったという。原子力システム専用に認可されたボルトだったからだ（テラーニは発電所の名前は明かしていない）。
テネシー大学で原子力工学を研究するニコラス・ブラウンは、「原子炉の炉心の新しい構造部品について、最も費用と時間がかかる段階のひとつが、部品の認可獲得です」と語る。「一般にこの過程には数十年の期間と、数百万ドルから数十億ドルの費用がかかります」
ブラウンによると、新しい部品の費用が非常に高額になるのは、認可を得るために「つくっては確認する」プロセスが必要になるからだという。つまり、新しい部品を試験用原子炉に入れて性能を確認し、そのデータに基づいて部品を変更するというプロセスを、性能が期待にかなうまで繰り返すのだ。原子炉の技術自体もそうだが、その技術が使用に適していることを認可するプロセスも、1970年代から進歩していない。
原子炉を構成する部品のうち、核燃料に関する最小単位である燃料要素の写真。二重壁構造の被覆と広い表面積、らせん状のガイドが組み込まれた冷却経路を備えている。PHOTOGRAPH BY RYAN DEHOFF/OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY, US DEPARTMENT OF ENERGY
検査プロセスがAIに置き換わる？
テラーニが期待しているのは、3Dプリンティングで部品を作成する際に生まれる大量のデータによって認可がスピーディーになり、原子炉を稼働させるために必要なコストが減少することだ。テラーニによると、3Dプリンティングで作成した部品の場合、手のひらに乗るほどの大きさであっても品質に関して数百ギガバイトの情報が簡単に得られるという。欠陥があればデータに現れる。超音波などの高価な検査で欠陥を探す必要はない。
ORNLの研究者たちは、3Dプリンティングで生まれる大量のデータを人間に選別させるのではなく、そのデータを使って部品を検証するように機械学習のアルゴリズムを訓練している。「部品をつくったあとで、立ち返って物事の認可に何カ月も費やす必要はありません」と、テラーニは説明する。「部品の作成が完了したら、その部品がいいものか悪いものかを人工知能（AI）が教えてくれるような状況を想像してください。それがわたしたちの目標です」
TCRのガス冷却炉は、基本的には1940年代初めにORNLが建設した「X-10」をパワーアップしたものである。X-10は連続運転できるように設計された世界初の原子炉で、建造が始まってからわずか9カ月で最初の臨界に達した。米国で現在建設中の唯一の原子炉が、完成までに少なくとも12年かかるとされていることを考えると、実に驚くべきペースだ。
3Dプリンティング技術と人工知能、さらにその他の新しい技術によって、こうしたスピーディーな開発・展開のペースが原子力業界に戻ることを、テラーニは望んでいる。「原子力が新しい技術をまったく採用しない唯一の業界になってはなりません」と、テラーニは言う。「わたしたちは“水門”を開き、この国における先進の原子力を見たいと考えているのです」
※『WIRED』による3Dプリンティングの関連記事はこちら。原子力発電の関連記事はこちら。
