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なぜ原子炉建屋で水素が発生・爆発したのか?


(3/19 後半の爆発については訂正があります)

 福島第1原発での水素の発生に関して、福島第1原発1号機での爆発直後はともかく、その後もテレビでは混乱させる言い方をしていることがあったので触れておきます。


 私は最初の爆発時の説明で、水蒸気から水素が発生すると言ったように聞こえたので、不思議でした。

 水(水蒸気)から水素が発生するには、水が還元されねばなりません。それがどのようになっているのか、よくわかりませんでした。


 ただ時間が経過してから一部のテレビ報道などで、その説明がなされました。

 ここでは福島第1原発3号機で水素爆発 化学反応で水素発生か 2011年3月14日 Sponichi Annexを元に書くと、


(1) 冷却水の水位が下がり、核燃料の一部が冷却ができなくなったため、温度が上昇。(「一部で」は私が加えました)

(2) そのため、核燃料が溶ける「炉心溶融」が一部で起きる。

(3) また、原発の核燃料を覆っている金属であるジルコニウムも温度も上昇。(実際にはその合金で、ジルカロイというものみたいです。一部、これらをジルコニアと記載しているところがありますが、これは別の物質です。後述しますので、そちらを参照してください)

(4) このジルコニウムが水蒸気と化学反応し、水素が発生。

 ということになります。


 さらに、

(5) 発生した水素が配管や容器の隙間から漏れ出る。(私は水素を扱う設備で働いていましたが、水素は他の気体より漏れやすかったです。窒素での気密試験で漏れなくて、水素で漏れたことがあった気がします)不思議な考え方ですが、建屋内に直接ガスを放出しているようです。(コメントやMIT原子力理工学部による1、3号炉の水素爆発に関する解説より、写真を見て外部へ配管を探したんですけど、見えないなぁと不思議に思っていました)

(6) 水素は軽いため、原子炉建屋の最上部にたまる。(ご存知だと思いますが、水素ガスH2の分子量は2、窒素ガスN2が28、酸素ガスO2が32です)

(7) 水素が酸素と反応し、爆発。(ここのみ東京大学理学系研究科・早野龍五教授の「原発に関するQ&Aまとめ」で参照したページより)

 となりました。


 ジルコニウム(Zr、金属)の話に戻すと、

ジルコニウム(Zr) + 水(H2O、水) → 酸化ジルコニウム? + 水素(H2)

 ということで、水素が発生したということじゃないかと思います。ジルコニウムは水(水蒸気)に酸化され、水は還元されたわけです。


 酸化ジルコニウムにはジルコニア(二酸化ジルコニウム、ZrO2)という物質があり、専門家の情報がなく定かではないものの、

Zr(ジルコニウム) + 2H2O(水) → ZrO2(ジルコニア) + 2H2(水素)

 となるものと推測されます。


 あと、水素の爆発についてです。

 私はこれについて引火による燃焼を考えていましたので、先に説明します。

 意外に思われるかもしれませんが、可燃性ガスの濃度が高すぎる場合には爆発しません(低すぎても駄目です)。可燃性物質(燃えるもの、この場合水素ガス)の他に、 酸素などと熱源が普通は必要になります。

 酸素については大気中になんぼでもあるので、爆発する範囲内になると思われるものの、熱源についてはよくわかりません。

 ただ物質によってはちょっとした静電気で爆発した事例もあるようですから、今回も何かの拍子に爆発に繋がったのかもしれません。(MIT原子力理工学部による1、3号炉の水素爆発に関する解説では、「稼働している設備のスパーク」という例を挙げていました)


 だったのですが、ウェブで見ているとこの水素爆発は発火点に達してのものとの説明もありました。

 ただ、これには600℃近くに達する必要があり、私は建屋内がそんなに温度が上がっているという記述を読んでいないので考えていませんでした。ちょっと納得しづらいところがあります。


(ここも追記分(3/18か19)ですが、これは発火について考えています。

 後から使用済み核燃料プールの話が出てきました。こちらの説明は全く見ていませんので、確かなことは言えません。ただ、こちらの方がより水素が燃えやすい可能性もあるんじゃないかと思います。と言うのも、

・使用済み核燃料プールは密閉性が低く、酸素が豊富。
・核燃料棒が露出しているので温度が上がり、火を付けることなく出火する。

 といったことが有りうるんじゃないかと思います。ただし、繰り返しますが、これは予想ですのでご留意ください。

3/22 と書いていたんですけど、後から出てきた情報を聞くと「(水位が下がって)核燃料棒が露出」というのを怪しく感じてきて、よくわかりません)


 気になるのは、今回の爆発のような危険性は予め想定されていたのか?というところです。

 いくら格納容器は耐えられるとは言っても、怪我人が出ているようにこれはとても危険なことです。

 放射性物質を扱う設備で建屋をスカスカにするわけにはいきませんが、建屋内に水素が溜まったときに逃す仕組みについては報道されていなかったので、想定されていなかったのかもしれません。

(3/23 3/21にNHKで「ブローアウトパネル」という言葉を初めて聞きました。ちゃんと調べていませんが、どうやら建屋内の圧力が高まったときに開いて逃す機構のようです。ひどい話ですが、あったけど働かなかったってことなんでしょう)


 関連
  ■東京大学理学系研究科・早野龍五教授の「原発に関するQ&Aまとめ」
  ■その他の災害(地震など)について書いた記事
  ■福島第一原子力発電所関連報道は、マスコミによる風説の流布では?
  ■シーベルト、cpm ~被爆、放射線量の単位まとめ~
  ■なぜ原子炉建屋で水素が発生・爆発したのか?
  ■MIT原子力理工学部による福島原発事故に関する解説

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