原子力分野における積層造形：認定基盤の構築、部品供給の確保、イノベーションの実現

2026年7月28日 | 読了時間：8分

原子力業界は現在、非常に現実的な課題に直面しています。多くの原子力発電所が当初の計画よりも大幅な長期運転が見込まれる一方で、交換部品や認定済みサプライチェーン、完全な技術文書の確保がますます困難になっています。同時に、補機設備やプラント付帯設備（BOP）を含むあらゆる技術的変更は、安全性、トレーサビリティ、認証に関する極めて厳格な要件を満たす必要があります。このような状況の中で、積層造形（AM）が注目を集めています。それは実験的な技術としてではなく、交換部品の安定供給を確保し、保守・メンテナンスの柔軟性を高め、厳格な規制要件のもとで技術的改善を実現するための有望な手段として注目されています。

AMが原子力分野で注目を集めている理由

その背景にある重要な要因の一つは、原子力設備の老朽化です。世界中の原子力発電所の多くが運転開始から長期間を経過しており、設備保全は継続的に取り組むべき重要課題となっています。例えばフランスでは、58基の原子炉のうち39基^{が2025年に}運転開始から40年を迎えました¹。その結果、部品の供給体制が大きな課題として注目されています。これは交換部品そのものだけでなく、関連する技術文書、製造治工具、さらには安定したサプライチェーンの確保も含まれます。こうしたボトルネックは原子炉周辺の機器だけで発生するものではありません。補機設備や周辺システムも、保守機関、計画停止期間、さらには発電所の経済的な運用に大きな影響を与えています。

AMは、主にデジタル化されたプロセスチェーンを通じて、これらの課題に対応します。部品は既存のデジタルデータに基に再製造できるほか、現物をスキャンしてリバースエンジニアリングを行うことも可能です。これは生産終了品や調達困難な部品への対応に大きなメリットがあります。さらに、AMは新たな設計自由度をもたらします。機能統合、内部流路、流体特性を最適化した形状など、従来の製造方法では実現が困難な設計を可能にします。また、迅速な設計反復が可能なため、開発や最適化に要する期間を大幅に短縮できます。加えて、AMはより高性能な材料への移行も容易にします。従来工法と比較して、材料変更に伴うコストへの影響が小さいため、次世代材料の適用をより柔軟に進めることが可能です。

部品供給と保守性の課題：AMが実現する柔軟な保守メンテナンスサイクル

部品は摩耗し、元の製造元は事業を終了し、金型や必要な技術文書が入手できなくなるケースも少なくありません。一方で、部品調達に要するリードタイムはますます重要な課題となっています。これ問題は、原子炉の安全機能に直接かかわる機器だけでなく、補機設備や周辺システムにも大きく影響します。これらの設備は安全上重要ではない場合もありますが、設備の稼働率、保守計画、プラントライフサイクル全体の性能に大きな影響をおよぼします。特に課題となるのが、いわゆる「陳腐化部品」です。これは運転・保守に必要であるにもかかわらず、通常の調達ルートでは入手できなくなった部品を指します。例えば、ポンプ、バルブ、補助タービンシステムに使用される機能部品や、特定のハウジング、ブラケットなどが該当します。こうした部品の多くは金属製ですが、同様の傾向は樹脂部品にも見られます。例えば、電気制御システムやスイッチ関連部品などにおいても、部品供給や保守性の課題が顕在化しています。

このような課題に対して、AMは新たな選択肢を提供します。既存の設計データを活用した再製造だけでなく、現物からのリバースエンジニアリングによって必要な部品を再現することも可能です。さらにそれらの部品は単なる再現ではなく、設計の改善を加えることも出来ます。例えば、冷却性能の向上、機械的強度の向上、さらには寿命の延長が挙げられます。このように、AMは従来の製造手法の単なる代替手段にとどまりません。既存部品を現在の運用要件に合わせて最適化するための有効なツールへと進化しています。

実際の産業事例として、エネルギー企業のエクイノール（Equinor）が挙げられます。同社は数年前から積層造形（AM）を体系的に活用し、部品の生産中止（陳腐化）やスペアパーツ供給に関するリスクへの対応を進めてきました。積層造形で製造された部品は、リードタイムを短縮し、必要なタイミングでスペアパーツを製造できます。また、物理的な在庫をデジタル化し部品データへと置き換える取り組みも進めています。ある事例では、樹脂製のネジなど、一見些細に見える部品であっても積層造形による置き換えを行い、大幅なコスト削減につながりました。²

このアプローチは、3Dスキャン、デジタルモデリング、そして積層造形を組み合わせたものです。金属部品および樹脂部品の両方を再現し、再製造することが可能になります。特に、予備部品の入手が難しい老朽化プラントにおいては、保守・メンテナンス上の大きな課題の解消に貢献します。このように、積層造形は単なる製造技術にとどまらず、デジタルメンテナンスやスペアパーツの管理戦略を支える重要な技術として活用されるようになっており、遠隔地やアクセスが難しい設備では特にその効果を発揮します。

この例は、補助システムがなぜアディティブ製造の応用における入り口としてよく利用されるのかという理由も示しています。補助システムは、規制の観点から見て一般的に扱いやすい一方で、プラントの運用においても極めて重要な役割を果たしています。また、アディティブ製造（AM）がいかに柔軟な保守・修理サイクルを支えることができるかも明らかになります。入手困難な予備部品や、複雑で脆弱なサプライチェーンに依存する代わりに、必要に応じて認定済みの部品を製造する能力が、より現実的なものになりつつあるのです。

安全性に関わる用途と性能：AMが単に代替するだけでなく、性能を向上させる場合

アディティブ・マニュファクチャリングは、予備部品の確保に加え、原子力分野においてもう一つの重要な可能性を秘めています。それは、安全性に関わる機能の的を絞った改善です。機械加工や鋳造といった従来の製造プロセスとは異なり、アディティブ・マニュファクチャリングで製造される部品は、金属やポリマーの粉末から直接造形されます。工具や金型を必要とせずに複雑な形状を実現できるため、設計の自由度が飛躍的に高まり、部品を根本から再考することが可能になります。

核燃料集合体の冷却においてよく知られているリスクの一つに、いわゆる「漏れ問題」がある。これは、冷却系内のごく微細な粒子であっても、時間の経過とともに漸進的な摩耗を引き起こし、極端な場合には燃料棒の損傷につながる可能性があるものである。リークは、冷却ループ内の微細な異物が燃料棒を摩耗させてウランペレットを露出させることで発生し、わずか5 mmのワイヤーの断片1本でも、このような故障を引き起こすのに十分である。頻発する問題ではないものの、このリスクを低減することは極めて重要である。従来、ろ過効率を高めるには圧力損失の増加というトレードオフが伴い、発電所全体の効率を低下させていた。³

幾何学的に最適化された積層造形部品は、この課題に直接対処します。流路の最適化、フィルター機能の統合、あるいは機能的な部品設計により、リスクを低減し、運転の安全性を高めることができます。よく知られた例として、ウェスティングハウス社が開発した沸騰水型原子炉用「Stronghold AM」フィルターが挙げられます。AMを活用して複雑で曲がりくねった内部流路を形成することで、5 mmの破片を効果的にろ過しつつ、効率の低い従来の設計と同等の圧力レベルを維持しており、AMがいかに安全性と性能の要件を両立させることができるかを実証しています。

さまざまなタイプの反応器において、目的を明確にした幾何学的改良により、測定可能な改善がもたらされています。例えば、異物の除去効率の向上や、追加の圧力損失を伴わない性能向上などが挙げられます。最も重要なのは個々の構成要素ではなく、その根底にある原理です。すなわち、設計の自由度と機能の統合により、新たなレベルの性能を実現できるのです。ただし、その前提として、初期段階から一貫して適合性評価と検査性を考慮することが不可欠です。

AMは、複雑な耐圧部品においても新たな可能性を切り開いています。流路の最適化、効率的な熱伝達、多様な形状を備えた積層造形による耐圧部品は、高い機械的要件を満たしつつ、いかに性能を向上させることができるかを実証しています。このような用途は、積層造形の利点と原子力分野の認定要件という現実を融合させ、認定済みAMソリューションの産業化に向けた確固たる展望を示しています。原子力産業は、定義された基準や規制の枠組みの中で厳格に運営されているため、こうした部品の採用を可能にするには、調和のとれたガイドラインが不可欠です。この文脈における重要な進展の一つが、まもなく制定されるEN 13445-14規格です。この規格は、積層造形された圧力容器機器のための適切な枠組みを提供し、さらなる産業化を後押しすることになります。

資格：原子力分野におけるAMの不可欠な基盤

アディティブ・マニュファクチャリングが原子力分野における可用性、保守性、および性能にますます貢献しているからこそ、適格性評価は必然的に注目の的となっています。原子力工学において、安全性は機能的な性能のみによって保証されるのではなく、透明性があり検証可能な証拠によって保証されるものです。材料、製造プロセス、検査方法、および文書化は、一貫して連携し、ライフサイクル全体を通じてトレーサビリティが確保されなければならない。これは特に積層造形プロセスにおいて当てはまる。なぜなら、部品の特性は、パラメータ設定、使用材料、造形プロセス自体、後処理工程といったプロセスの安定性に大きく依存するからである。

認定は障害として捉えるべきではなく、原子力環境において積層造形技術の潜在能力を活用するための必要な前提条件として捉えるべきである。実際には、多くの場合、段階的に進められます。初期の適用では、規制上の管理が比較的容易な部品や、安全上重要な炉心システムの外部に位置する部品に重点が置かれます。経験の蓄積、信頼性の高いデータ、明確に定義されたプロセスウィンドウが得られれば、適用範囲を徐々に拡大することができます。国際的な標準化が進み、利用可能な規範の数が増えるにつれて、運用方法に関するこの側面はより明確になっていきます。

プロセスモニタリングは、原子力環境における積層造形（AM）の信頼性を高める上で重要な役割を果たすことができます。光学トモグラフィー（OT）フィンガープリンティングなどの技術により、造形プロセス中の層ごとのモニタリングが可能となり、部品の製造に関する包括的なデジタル記録が作成されます。これにより透明性が向上し、定義された品質要件に対する検証が支援されます。OTフィンガープリンティングは、プロセスの安定性と再現性に関する追跡可能なデータに基づく証拠を提供することで、認定を促進し、原子力産業のような規制の厳しい業界におけるAMの導入を加速させるのに役立ちます。

積層造形は、単なる製造ツールにとどまらず、初期段階のエンジニアリングを可能にする技術である

原子力分野における積層造形（AM）の影響は、部品やシステムのライフサイクルのどの段階で導入されるかによって大きく左右されます。AMが最終段階での代替製造手法としてのみ適用される場合、その効果は主に稼働率の向上とリードタイムの短縮に限定されます。一方、AMがより早い段階、すなわちエンジニアリングや設計の段階から導入されれば、部品の構想、検証、および改良のあり方に根本的な影響を与えることができます。

特に原子力分野では、ライフサイクルの後半における設計変更はコストがかさみ、その正当性を立証することも困難であるため、初期段階での設計決定が極めて大きな影響を及ぼします。AM（アディティブ・マニュファクチャリング）を活用することで、エンジニアは、迅速な反復設計と実物による検証に支えられ、機能の統合、最適化された流路、材料の削減、材料選定、あるいは材料効率に優れた形状について、はるかに早い段階で検討を行うことが可能になります。その結果、エンジニアリング上の意思決定はよりデータに基づいたものとなり、従来の製造上の前提条件による制約が軽減されます。

この変化は、次世代原子炉のコンセプトにとって特に重要ですが、既存プラントの近代化にも当てはまります。AMを活用したエンジニアリングを早期に導入すれば、イノベーションはプロトタイプ作成のスピードだけに依存するのではなく、認定、検査、トレーサビリティの要件をすでに考慮しつつ、部品を包括的に再考する能力に支えられるようになります。このようにして、積層造形は、生産開始のずっと前から開発の道筋を形作るエンジニアリングの推進力となるのです。

次世代原子炉：なぜAMは安全性を損なうことなくイノベーションの自由度を拡大するのか

既存の原子力発電所の安全確保と並行して、開発の取り組みは小型モジュール炉（SMR）や第4世代原子炉のコンセプトにますます注がれています。これらの設計では、一般的に、より高度なシステム統合、コンパクトなレイアウト、簡素化されたプラント周辺設備の構成、そして先進的な冷却・材料コンセプトが追求されています。積層造形（AM）は、従来の製造方法では実現が困難あるいは非現実的な、高度に統合された部品、コンパクトなアセンブリ、および複雑な内部形状の早期評価を可能にすることで、こうした目標を支援できる。同時に、将来的なサプライチェーンの俊敏性と回復力を念頭に置いて製品を設計することを可能にし、スピードと部品の入手可能性を向上させる。とはいえ、期待は現実的な範囲にとどめる必要がある。SMRや第4世代原子炉の開発サイクルは、広範な分析、試験、認定によって規定されており、規制要件を省略して短縮することはできない。しかし、AMは初期の研究およびコンセプト段階を大幅に強化することができる。ラピッドプロトタイピング、機能実証機、および形状に基づく反復設計により、流動挙動、熱性能、機能統合といった設計上の仮定を、開発プロセスのはるかに早い段階で検証することが可能になる。

これにより、認定の重要性が改めて浮き彫りになります。SMRや先進炉コンセプト向けの積層造形設計を、当初の段階から「試験可能性」「プロセスの安定性」「検査可能性」「証拠の創出」と整合させることで、イノベーションと規制対応の準備を並行して進めることが可能になります。このように、積層造形は安全マージンを低下させることなく、次世代原子力システムの厳格な安全要件や認定要件と完全に整合した枠組みの中で、設計の自由度を拡大するものです。

結論：原子力分野におけるAM――野心と実現可能性の間

結局のところ、積層造形技術は、原子力産業が直面する現実的な課題、すなわち老朽化、予備部品の入手可能性、保守の負担、そして安全性に関連する性能向上の要請といった課題に対応するものです。同時に、この技術は、新たな設計手法や高度な製造能力がますます重要な役割を果たすようになっている、小型モジュール炉（SMR）や第4世代原子炉システムといった新興の原子炉コンセプトにおいて、効率をさらに高め、イノベーションを可能にする可能性を秘めています。

朗報なのは、要件は厳しいものの、対応は可能だということです。ただし、AMを戦略的に、段階的に、データに基づいた方法で、かつ規制面でも運用面でも現実的な応用分野に沿って導入することが前提となります。このアプローチは、継続的な標準化および体系化の取り組みによってさらに後押しされており、こうした取り組みにより、産業界での導入に向けたより明確な枠組みが引き続き構築されています。

結局のところ、積層造形は、原子力産業が直面する現実的な課題、すなわち老朽化、予備部品の入手可能性、保守の負担、そして安全性に関連する性能向上の要請といった課題に対応するものです。

著者：ポーラ・カイヌ、エネルギー業界マネージャー

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¹https://www.lesechos.fr/industrie-services/energie-environnement/nucleaire-quel-age-ont-nos-centrales-1140104
² https://www.equinor.com/magazine/3d-printing
³neimagazine.com/news/3d-printed-nuclear-fuel-parts-tested-in-alabama-power-plant/およびhttps://www.eos.info/content/blog/2026/how-am-is-re-energizing-the-worlds-power-grids