グリーンエネルギーは世界のエネルギー構成の中で最も急速に成長している分野であり、その存在感は高まり続けていますが、効率性や容量の面での課題から、依然として従来の高炭素エネルギー源に大きく遅れをとっています。こうした制約が、グリーンエネルギーが主流のエネルギー源となることを妨げています。グリーンエネルギーが大規模に普及するまでの間、そのギャップを埋めるために役立つ、スケーラブルでCO2 を排出しないエネルギー源は他に何があるでしょうか。原子力エネルギーが持つカーボンフリーの特性、実証済みの効率性、そして拡張性は、原子力発電を移行期の選択肢として、さらには将来的に広く受け入れられる実行可能なエネルギー源へと変えることができるのでしょうか。
原子力発電所は、排出ゼロという特徴に加え、現在稼働中の約450基が90%以上の稼働率を維持しています。これに対し、石炭火力発電所は50%、太陽光発電所は25%にとどまります。しかし、世界の総電力需要のうち、原子力発電によって供給されているのはわずか10%に過ぎません（図1）。なぜ原子力エネルギーは長年にわたり、より急速に成長してこなかったのでしょうか。
原子力エネルギーは、実証済みで経済的なエネルギー生産手段であるにもかかわらず、放射能に関連するリスクや環境への影響から、物議を醸すイメージを持たれています。チェルノブイリや福島の事故は、核分裂には完璧な制御と警戒が必要であり、小さな事故が重大な災害に発展し得ることを私たちに再認識させました。
核反応と放射能
18,000炉年を超える経験を持つ原子力発電技術は十分に確立され、多様化しており、数十年にわたる技術改良の恩恵を受けて、より安全で信頼性が高く、耐久性に優れた効率的なものとなっています。
原子力発電所では、発電のために主に238Uと235Uの混合ウラン同位体を燃料として使用します。ほとんどの商用原子力発電所は、低濃縮ウラン（LEU）燃料を使用しています。これは235Uの濃度を3〜5%に濃縮したウランであり、兵器級に必要な235U濃度約90%の高濃縮ウラン（HEU）とは異なります。
LEU燃料として原子炉に装荷されると、235Uと238Uは図3に示すように2つの異なる原子変換経路をたどります。中性子の捕獲を経て、238Uの場合は核分裂性物質である239Puに変換され、239Puと235Uの双方が核分裂を起こして、より小さな原子核、すなわち核分裂生成物になります。それぞれの核分裂反応では、3つの中性子と、熱および電離放射線の形で膨大なエネルギーが放出されます。
この原子変換や崩壊は、恩恵であると同時に災いでもあります。恩恵である理由は、少量の燃料から膨大なエネルギーを生み出し、それを熱交換器と高圧水タービンを通じて電力に変換できるからです。災いである理由は、変換に伴う原子崩壊が電離放射線や粒子、すなわち放射能を発生させるからです。発電のための原子炉内における放射能は必要なものですが、この放射能は「使用済み燃料」と呼ばれる燃料廃棄物の中に残留し、適切に封じ込められ管理されなければ有害なものとなります。
原子炉内で3〜5年間継続的に核反応が行われると、燃料中の核分裂性同位体の濃度は、発電のための連鎖反応を維持するのに必要な最低レベルを下回ります。使用済み燃料は原子炉から取り出され、「高レベル」放射性廃棄物（HLW）に分類されます。HLWは放射性廃棄物全体の容積のわずか3%に過ぎませんが、放射能の総量の95%を占めています。そのため、HLWは世界中の放射性廃棄物管理戦略において主要な焦点となっています。
1000MWeの容量を持つ平均的な原子力発電所（100万人以上のニーズを満たすのに十分な電力）は、年間25〜30トンのHLWを排出し、二酸化炭素排出量はゼロです。一方、石炭火力発電所は年間30万トンの灰と600万トン以上のCO2を大気中に放出します。しかし、使用済み燃料の再処理と再利用を通じて核廃棄物の量と放射能の強さを低減することは、複雑な有害廃棄物管理の課題に対処する道となるでしょう。
使用済み核燃料のリサイクル選択肢
使用済み核燃料の再処理技術は1940年代後半から存在しており、十分に解明され、技術的にも実証されていますが、再処理に投資を行っている国はごくわずかです。フランスとロシアが、使用済み燃料の再処理と再利用を行っている主要な2カ国です。使用済み燃料廃棄物の平均約95%はウラン（その大部分は238U）であり、1%がプルトニウム、残りは原子番号の小さい多種多様な核分裂生成物およびマイナーアクチノイドです（図4）。使用済み燃料の再処理技術により、ウランおよびプルトニウムの同位体を、他のアクチノイドや核分裂生成物から分離することが可能になります。
最も一般的な再処理の選択肢はPUREX（プルトニウム・ウラン還元抽出）法と呼ばれます。PUREX法では湿式分離技術を用いて、使用済み燃料を以下の3つの相に分離します。
- ウラン同位体
- プルトニウム同位体
- 核分裂生成物およびマイナーアクチノイド
この第3の相は、マイナーアクチノイドおよび放射能が強く中寿命の核分裂生成物（放射性半減期が約30年の90Srや137Csなど）が含まれているため、高レベル放射性廃棄物（HLW）とみなされます。PUREX法の主な利点は、廃棄物とみなされていた大量の有用なウランをリサイクルできること、そしてHLWの量を大幅に削減できることです。
PUREX法は廃棄物の量を削減しますが、その放射能の問題には対処していません。また、239Puを他のアクチノイドから分離することは、核兵器拡散の懸念を生じさせます。
HLWの放射能とプルトニウム拡散のリスクに対処するため、世界中でPUREX法の改良版が提案・実施されています。これらの改良版PUREX法は、239Puをマイナーアクチノイドと混合することで兵器転用を防ぎつつ、再処理されたアクチノイド燃料混合物として利用可能な形にするものです。その他の手法としては、ウラン、プルトニウム、およびすべての超ウラン元素（ウランより原子番号が大きい元素）を混合し、核分裂生成物のみを廃棄物として残すものがあります。
使用済み燃料棒が原子炉から取り出される際、ウランの90%以上が「未燃焼」であることを考慮すると、HLWのリサイクルは理にかなっています。未使用のウランとプルトニウムをリサイクルすることで、発電量を約25～30%増加させることが可能です。2020年末時点で、世界の商業用原子力発電所から発生した使用済み燃料は40万トンに達しており、そのうち約12万トン（30%）が再処理され、核燃料として再利用されています。
原子炉設計の進歩
近年の原子炉設計の進歩により、エネルギー生産の効率と安全性が向上しました。CAS Content Collection™によると、2018年以降、特許および学術誌の活動が著しく増加しており、主にアジアの組織が主導する形で関心が再燃していることが示されています（図5aおよび5b）。
図6は、新しい先進的な原子炉設計に関連する論文数を示しています。このデータは、これらの新しい原子炉技術に関する研究活動が活発化していることを裏付けています。
原子力エネルギーの将来の可能性
原子力エネルギーの復権は長年語られてきたテーマですが、数十年前の期待や約束を果たすことを困難にしている障害や課題が依然として存在します。巨額の初期資本、規制の変化、コスト超過、政治的分断により、原子力発電所の建設は10年がかりの困難な道のりとなっています。その利点や可能性が証明され、否定できないものであるにもかかわらず、政府や投資家が原子力エネルギーを検討する上で深刻な抑止力となっています。最近のウォール・ストリート・ジャーナルの記事でも、これらの課題の一部や、原子力エネルギー技術分野における最近の動向が取り上げられています。
カーボンフリーなエネルギー源の必要性、新しい原子炉技術の進歩、そして使用済み燃料のリサイクルと再利用の新たな選択肢は、地球規模の気候変動という課題に対抗するための重要な手段として、原子力エネルギーを推進する可能性があります。
科学的助言をいただいたElaine McWhirter氏に感謝いたします。
原子力アニメーションの参考文献
IAE, World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (2023年1月9日閲覧)
世界原子力協会 https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx（2022年9月9日閲覧）
NEK https://www.nek.si/en/longevity-for-sustainability/production-performance/high-energy-density-of-uranium-is-one-of-key-advantages-of-nuclear-energy （2022年9月9日閲覧）
世界原子力協会 https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx（2022年9月9日閲覧）IAE、
世界エネルギー見通し https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022（2023年1月9日閲覧）
