二号機の温度上昇：熱電対

福島第一原発が爆発して以来、学部時代にやった実験が如何に大事だったか、何度となく思い知らされた。放射線、放射能、ガイガーカウンタやシンチレータの仕組み、γ線のスペクトルに光電ピークとコンプントンの山があること、さらには水酸化物の性質やアルカリ金属の性質、などなど...そして今回は、熱電対。

異なる種類の金属を張り合わせると、温度差によって起電力が生じる。逆に、回路に生じた電圧を測ることで、温度差を計測することができる。これが、原子炉の圧力容器に取り付けられた「温度計」のしくみだ。

学部時代にならった熱電対のしくみの直感的な理解はこうだ。温度差があるということは、物質内に平均的なエネルギー勾配があるということだから、物質中にある粒子は坂を転がるようにエネルギー勾配に沿って流れ出す。このとき、電子などの荷電粒子が一方方向に流れるように調整してやれば（これが多分異なる金属を張り合わせる理由だろう）、勾配の「角度」に応じた荷電粒子の移動が起き電圧が生まれる。この電圧差から温度差を知ることができると言う訳だ。

早野さんの情報によると、東電が使っている熱電対は「銅とコンスタンタン」の熱電対だという。これをT型と言うらしい。（早野さんの情報によると、これは東電の文書でも確認できる。４８ページ。）コンスタンタンは銅とニッケルの合金。面白いことに、このT型熱電対の使用範囲を調べると「-200度から300度」となっていて、「低温測定に向く」とある。つまり、この温度計はもともと水温だけを測るように置かれている温度計で、メルトダウンした２０００度から３０００度近くの超高温物質の温度は測れない。

最初の頃の報道では、温度計の回路が断線して故障とされていたが、腑に落ちない。東電の資料から熱電対の概念図を見てみると、熱電対の回路を閉じて電流を流すようだ。この電流の大きさと、回路を閉じるときに挟んだ抵抗値を使って、オームの法則で電位差を計算していると思われる。

原子炉の温度計の概念図（東電の資料より）

もし、熱電対自体が断線したらどうか？この場合電流は流れないから、温度差は０つまり、温度計の目盛りは低温側にずれていくはず。高温側にぶれていくことはない。

熱電対の回路が生きていて高温側にぶれていく場合をつぎに考えよう。それは電荷移動、つまり電流がたくさん流れる場合だ。例えば、どろどろに融けた核燃料の塊が熱電対の先にあたり、温度差が急上昇する。このとき、荷電粒子の移動は激しいだろうから電流の値は急上昇するだろう。そして最後には測定限界を越えるが、較正が正しくなくなるというだけで電流は流れ続けるはず。ただし、核燃料と接している温度計の周りは、融けてしまうかもしれない。この場合は、温度計は最終的には壊れる。しかし、これは「断線」とは普通言わない。（ちなみに銅の融点は１０００度強、コンスタンタンは１２００度程度。）

断線しているという判断にどうやってたどりついたんだろうか？単純に考えれば、熱電対の開口端に外部電源を繋いでみたが、電流が流れなかったということか？　でも、超高温の物体が熱電対の先についていれば、荷電粒子の移動を引き起こす熱勾配は相当急なはずで、外部電圧が弱ければ電流は流れない可能性もあるだろう。いづれにせよ、上で見たように、断線していれば低温側に値は狂っていくはずだから、今回の振り切れるという現象は説明できないように思う。東電の説明は、腑に落ちない。

実際の回路図。基本的には上の図と同じ。
まさか、記録計が壊れてるなんていってないだろうな？
（記録計が壊れてるなら、交換すればいいのでは？）