海洋生態環境に対する海上浮体式原子力発電所の温排水の影響

2018年4月5日

　原発の発展は、エネルギー資源の節約や温室ガスの排出削減、経済と生態環境の協調発展の実現の有効な手段となる。またエネルギー需要を満たし、エネルギー構造を最適化し、エネルギー安全を保障し、経済の持続可能発展を促進するために世界の強国が取るべき重要な戦略措置でもある。原発の立地選択の条件は極めて厳格で、運用には大量の冷却水が最終ヒートシンクとして必要となることから、海上の浮体式原子力発電所の建設と運用は、原発発展の有効な手段となる。

　海上浮体式原子力発電所は、良好な海域適応性と柔軟な移動性を備えている上、陸上から離れていることから、放射性物質の漏洩事故が起こったとしても、本土に放射能汚染を生み、深刻な生態上の危機を引き起こすことはない。同時に海洋は天然の限りないヒートシンクとなる。海洋にある海上原子力発電所は水がなくなるということがなく、炉心溶融事故の発生を有効に回避することができる。ロシアは数年前から浮体式原子力発電所の開発を始めている。建設中の最初の浮動原子力発電所は「ロモノソフ」と名付けられた。35MWのKLT-40S原子炉2基を搭載し、ロシア国内の極東地域に必要な電源を提供するものとなる。米国も浮体式原子力発電所に興味を示している。マサチューセッツ工科大学原子力科学・工学部のJacopo Buongiorno博士の研究チームは、地震と津波に耐えられる浮体式原子力発電所の案を設計した。この案は、海上石油探査プラットフォーム技術を採用し、地震や津波の襲撃に有効に耐えることができる。図1は、ロシアのロモノソフ海上原発船と米MITの海上浮体式原発プラットフォームの概念設計図である。中国の関連部門は、海上浮体式原子力発電所の発想を非常に重視し、一部の設計研究機関も関連技術の研究を開始している。とりわけ渤海油田への原発による電源供給の実行可能性には大量の事前研究がなされた。

図1 海上浮体式原子力発電所の概念設計図

Fig.1 Conceptual design of offshore nuclear power plant

a. ロシアのロモノソフ海上原発船　b. 米MITの海上浮体式原発プラットフォーム

a. Russia's floating nuclear power plantLomonosov; b. MIT offshore floating nuclear power plant

　海上原発はその運用の過程で、海洋環境に一定の影響を生む。そのうち冷却循環系統が産出する温排水は、海域の水文条件や海水の質、生態環境、生物群集の組成と構造などの多くの面で影響を及ぼす［1-2］。原発は熱効率が火力発電より低く、より多くの廃熱を周囲環境に排出する。このため原子力発電所の熱汚染はより際立ち、環境に対する影響もより大きい。例えば米フロリダ州ビスケーン湾にある原子力発電所では、排出する温排水が付近の水域の水温を8℃高め、1.5km海域内の生物が消失した。このため放射性の影響を除き、海上原子力発電所の温排水も海上原発事業の環境影響評価の重点となる［3-4］。渤海は、中国の海洋経済活動の密集区であり、中国で唯一の半分閉じられた内海で、中国の海洋生態系において重要な作用と独特な機能を持っている。閉鎖性が高いことから、水交換の周期は長く、環境収容力は弱く、巨大な環境圧力に直面している。このため渤海の海洋生態環境に対する海上浮動式原発の温排水の潜在的な影響をはっきりさせることは、渤海海域での海上原子力の科学的な開発と利用を確保するための必要条件の一つとなる。

1 海上原発の温排水の特徴

　工場から水塊に排出され、温度がその水塊の環境温度よりも高い冷却水も温排水と呼ばれる。原子力発電所の発電時、核分裂エネルギーのうち電気エネルギーとなるのはわずかで、残りのほとんどの核分裂エネルギーは熱エネルギーに変わる。このため原発の稼動過程では、大量の廃熱が冷却系統を通じて温排水の形で水環境に放出される。原子力発電所の温排水は海水に入った後、水塊でプルームを形成し、海水の力を受け、希釈や拡散などの過程を通じて海水と混合し、排出口付近で混合区を形成する。同時に浮力の働きで、水面に上昇して温かい層を形成し、蒸発と放射を通じて海面で大気と熱交換する。温排水の物理的な混合エリアは近区と遠区に分けられる。近区は、書記の排出流と浮力によって制御される典型的なエリアで、遠区は、周囲の環境条件によって制御されるエリアを指す。混合過程の空間範囲と昇温は主に、温排水の運動量と浮力、排出口の構造・位置、深さや水流など排出口付近の水塊の特性によって决定される。温排水は一種の汚染源であり、排出は一定の範囲に限定する必要がある。範囲の設置にあたっては、▽水塊の機能の完全性を損なわない▽生態学的に敏感なエリアを危険にさらさない▽海洋機能区近くの水質を下げない▽海域環境機能の元の等級と生態系の完全性、生態構造の相対的な安定を確保する――を原則とする［5］。このため環境保護と監督管理の角度から考えると、混合区は、水域の水質目標の制限値を水温が超えてもよい限られた範囲を指す。この範囲の大きさに影響する排出側の要素には、温排水の排出量や排出口の流速、温排水と周囲の水塊の温度差などが含まれる［6］。

　中国で稼動している沿岸部の原子力発電所ではいずれも、一次循環冷却と直接排出という方式で原子力発電所の冷却水が処理されている。排気の余熱を吸収した冷却水を自然水域に直接排出し、自然の水への浸透を通じて余熱を周囲の水塊に伝える。火力発電と比べると、原子力発電所の効率は比較的低く、約30％～35％にすぎない。その上、原発ユニットの循環水量は火力発電ユニットの1.2～1.5倍で［7］、稼動の過程では、60％を超える熱量が冷却水とともに水中に排出される。1000MWの原発ユニット1基は、2000MWの熱量を環境に発散する。直接水流冷却方式を取った場合は、温排水の流量は約50m3/sである。夏には8℃昇温すると考えれば、毎日水中に排出される熱量は1.45×1011kJ、冬期には10℃昇温するとすれば、排出される熱量は1.81×1011kJとなる。このため発電出力で同レベルの火力発電所と比べると、原発には、温排水の排出量が大きく、廃熱の排出が多いという特徴がある。

2 海洋環境に対する海上原発温排水の影響

　水温は、海水の水質や水の動力環境、とりわけ水生生物の生長繁殖と分布に影響する重要な環境因子となる。欧米などは1940年代からすでに、水環境に対する温排水の影響の研究を展開している。これには温排水モデルの研究、浮游動植物と底生生物に対する温排水中の残留塩素と昇温の影響などの研究が含まれる。研究によると、適温範囲内では、生物の生長速度と温度とは正の比をなす。適温の範囲を超えると、生物の行動と生長繁殖は抑制され、死亡に至ることもある。また研究によると、水域の生態環境に対する温排水の影響の多くは潜在的・累積的なものであり、深刻な場合には、水塊の理化学的特徴を根本から完全に変えてしまい、水生態系の構造と機能に著しく影響する［8］。中国国内の研究者は水生生物に対する熱の影響の実験研究を行い、海洋生物に対する温排水の影響と促進作用を研究し、魚類に対して昇温が致死的または亜致死的な効果を生むことを確かめた。さらに季節や上昇温度の違いに応じて、植物プランクトンと動物プランクトンの種類と数量にどのような変化が起こるかも研究した［9］。温度影響指標の確立では、異なる生物の初期致死温度（ILT）や最高初期致死温度（UUILT）、限界熱最大値（CTMax）、選択/回避温度、生長最適温度（OGT）、最高週平均温度（MWAT）、短期暴露最高温度（MTSE）などの熱影響指標を研究し、大量の生物熱影響の基礎データを獲得した［3］。

　排出水塊に対する海上原発の温排水の影響は主に、以下のいくつかの面に集中する。

2.1 水の力の環境に対する影響

　温排水は排出後、水塊の表面に上昇して温層を形成するか、排出口の前方に直接押し出され、水中でプルームを形成し、大気中に拡散して冷水と混合し、はっきりとした持続的なサーモクラインを混合区で形成し、海水の一部の層構造と流態を変える。温層構造に対する温排水の影響は、冷却水系統の配置と排出水域の水の力の状况によって决定される。温排水がもたらす昇温は分層を深め、冷水の使用による水循環は分層を減らす。温排水の数値シミュレーション研究によると、温排水が産出する温度上昇の影響は表層で最大となり、底層の温度上昇は比較的小さい[10]。このほか水温の上昇後、水塊の粘度は低下し、浮遊物質の沈積性能を変化させる可能性がある上、排出口の水の流速は比較的高いことから、一部の沈積環境に影響を及ぼす。図2は、温排水の形成するプルーム効果の模式図である。

図2 温排水の形成するプルーム効果

Fig. 2 Plume of thermal discharge

2.2 海洋水質に対する影響

　海上原発の温排水がもたらす昇温は、排出される水塊の部分的な理化学的性質、とりわけ水温や溶存酸素などの指標を変化させ、海洋水質環境に影響を及ぼす。主に次の3つの側面に表れる。（1）水塊の酸素不足を生む。溶存酸素量は、水塊の温度が高まると低下する。温排水の排出による昇温は、底層の溶存酸素の含有量を低下させ、酸素欠乏を生む。同時に水温の上昇は、底泥の有機物の生物分解を加速する。分解速度が加速すれば、酸素消費量は高まり、水塊の酸素不足はさらに進む。（2）海水中の有毒物質の毒性を高める。研究によると、熱汚染は、水生生物に対する海水中の有毒物質の毒性を高める。水温が30℃に高まると、動物プランクトンと底生生物に対する一部の重金属イオンの毒性は2～4倍高まる。（3）有害物質に対する生物の濃縮能力を高める。貝類水生生物の体内核種（セシウム、コバルト、ヨウ素、亜鉛）の蓄積量は、温度の高まりとともに増大する。コバルトやセシウムの放射性アイソトープの一部の藻類による吸収も温度の上昇につれて高まる［2］。

　温排水の排出はさらに、水塊を濁らせ、透明度を低下させ、アンモニア性窒素や全リン、全窒素などの含有量を高め、水塊の富栄養化をもたらす［11］。赤潮に影響する多くの要因のうち、栄養化水準は最も基本的な要因である。渤海とりわけ遼東湾海域のモニタリング結果によると、その富栄養化水準はすでに、赤潮発生の基本的な条件を備えている。その他の要因が整えば、赤潮が勃発する可能性がある［12-13］。このため海上原発の運用にあたっては、温排水の排出量を厳しく制限し、水質のさらなる悪化と赤潮の発生を回避する必要がある。

2.3 プランクトンに対する影響

　海洋プランクトンは、海洋生態系の物質循環とエネルギー伝達の重要な一部をなし、海洋生態系の構造と機能に重要な役割を果たしている。海洋プランクトンは、海洋生物の生産力の土台であり、海洋の一次生産力を制御すると同時に、魚類とその他の動物の生物量にも影響する。

　研究によると、環境水温の上昇が海洋生物の生長に適した温度の範囲を超えれば、海洋生物の生長は抑制されるか損なわれ、この温度の範囲を超えなければ、海洋生物の生長と繁殖は促される。まず昇温は水塊の溶存酸素を低下させ、微小な嫌気性細菌の繁殖と海洋中にたまった生物残物の生物分解を激化させ、有機物の窒素やリンの分解速度の加速と海水の富栄養化をもたらし、水中の富栄養化藻類の生長を促し、優占種を際立たせ、多様度指数を低下させる。同時に昇温によってもたらされた富栄養化は、浮遊物質の濃度を高め、植物プランクトンにとって重要な生息条件である光の照射と温度を大きく変化させ、植物プランクトンの生物量と個体群の構造も変化させる。研究によると、植物プランクトンは20℃の水生環境では生長が最も遅く、30～35℃では最も速かった。だが35℃を超えると生長速度は下がり始めた。30℃以上の高い水温は、植物プランクトンの生長を加速させるが、植物プランクトンの多様性を低下させ、汚染耐性種を増加させる。動物プランクトンにとっては、水温が35℃を超えると、とりわけ夏季の温度上昇が高い（ΔT>4℃）エリアでは、生存条件が明らかに脅威にさらされ、種類と数量はいずれも減少し、群集の種の多様性は低下し、群集の種の組成は変化し、一部の熱耐性種が増え始め、明らかな優占種となる。各動物プランクトンの耐温特性からは、35℃の時には原生動物と輪形動物の数が増え、枝角類の数は少なくなり、カイアシ類はほぼ消失する。温排水は海洋プランクトンに直接作用し、その分布と習性に影響する。ボトムアップ効果の作用を受け、食物連鎖の上層に属する魚類や哺乳類動物、甲殻類は、直接的または間接的な影響を受ける。

2.4 魚類に対する影響

　魚類は変温動物であり、その体温の調節能力は比較的低く、周囲の水温変化に敏感で、温度の適した水域内を選んで活動する。適温の範囲を超えた高温または低温の水塊には回避反応を示す。適温範囲では、水温の上昇は魚類の摂食能力を高め、性成熟と身体の生長を促進する。水温が高くなりすぎると、水域中の魚類に熱衝撃が産出し、魚類の生殖腺中の栄養物質の蓄積を阻止し、魚卵の成熟を制限し、魚類の生殖に影響する。さらには魚類の異常発育現象の発生も引き起こし、魚類に明らかな危害をもたらす［14］。同時に水温の変化は、魚類の餌料生物の群集構造を変化させ、魚類の生長に影響する。高温水塊に対する魚類の回避反応は、回遊経路や産卵地、生息地を変化させ、環境と生態バランスに影響する。

2.5 底生生物に対する影響

　底生生物は、海洋生物中の重要な生態群であり、海洋食物連鎖中の重要な一部をなす。その数量は、魚・エビ資源の数量と漁業の発展に影響する。海洋底生生物の分布は主に、海底物質や水温、塩分濃度などの海洋環境要素の影響を受ける。底生生物は長期にわたって海底物質の表面または浅層に生息しており、その生息地は相対的に固定され、移動能力は弱く、熱排出の衝撃の回避は難しい。温度の上昇がその適応できる閾値を超えると、代謝異常や死亡をもたらし、最終的には、温度上昇が高いエリアの底生生物を消失させる。研究によると、高温の衝撃に底生生物は極めて敏感であり［15］、温排水海域でまず出現する海洋生態破壊は往々にして底生生物の絶滅現象である。

　また原発の取排水の過程で形成される引き込み効果は、フィルター系統を通ってコンデンサーに入ってくる小型プランクトンや卵、魚類の幼生などに巨大な被害をもたらす。冷却水の取水口の引き込みと温排水によるプルームは水生生物の回遊経路を遮断する。これらはいずれも温排水が排出される水塊の生態環境にマイナス影響をもたらす。

　上述のような原因から、海洋環境に対する温排水の影響を制御・軽減するため、各国は、温排水の混合区を確立する際、水塊の現在の機能を妨げてはならず、水生種の自然の移動や回遊、繁殖、生長を妨げてもならないとの強制的な要求を規定し、水生生物に対する温排水の影響の最大限の低下をはかっている。

3 結論と提案

　海上浮体式原子力発電所の開発は、海洋工業のエネルギー利用の需要の有効な解決を可能とし、国家のエネルギー発展戦略に合致している。だが海上浮動式原子力発電所は運用の過程で、大量の廃熱を冷却系統を通じて温排水の形で水環境に放出し、排出海域の水文条件や海水の質、生態環境、生物群集の組成と構造などに影響を与えるため、十分にこれを重視することが必要となる。

　環境に対する温排水排出の影響を合理的に制御するには、海上浮体式原子力発電所の建設予定海域の生態群集構造の特徴を考慮し、立地付近の海洋生物の耐温特性やその他の熱影響特性の研究を展開し、熱影響研究データを利用し、該当水域の水の力の特徴とも結びつけ、原子力発電所の温排水混合区の範囲や混合区の縁の昇温上限値、排出口の極端高温値など混合区のパラメーターの論証と確立を進め、より科学的な温排水制御案を確定する必要がある。また原発の温排水は、流量が安定し、水質が清潔であるなどの特性を備えていることから、理想的な低品質熱源となる。海上原発の温排水の資源利用技術の研究を強化し、原発温排水の余熱の総合利用を展開する必要がある。渤海は、中国の海洋石油・天然ガス開発の主戦場であり、その生産能力は国内の海洋石油・天然ガス生産量の50％以上を占める。海上の石油・天然ガス生産の過程では、大量の熱と淡水資源が必要となる。とりわけ渤海は重質油の埋蔵量が大きい。現段階で最も成熟した重質油採掘技術は熱回収技術である。このため海上原発で産出される余熱を重質油の熱回収や石油プラットフォームの冬季の暖房供給、海水淡水化などに用いる技術的な実行可能性を積極的に探り、海上原発を発展させると同時に、石油・天然ガス生産における省エネ・排出削減を実現する必要がある。

※本稿は蘭志剛, 李新仲, 肖鋼, 劉聡「海上浮式核電站温排水対海洋生態環境的影響」（『海洋科学』2016年第40卷第6期、pp.84-88）を『海洋科学』編集部の許可を得て日本語訳／転載したものである。記事提供：同方知網（北京）技術有限公司