気候変動の解決に核エネルギーは不可欠か

Gilles Georges, Vice President Content Operations, CAS
photo showing nuclear power plant stacks

グリーンエネルギーは、世界的なエネルギーミックスの枠組みの中で最も急速に成長している分野としてその普及が進んでいるものの、効率と生産能力というハードルもあり、従来の高炭素型エネルギー選択肢には到底及びません。 こういった制約が、グリーンエネルギーが主流のエネルギー選択肢になることを阻んでいます。 では、グリーンエネルギーの大規模導入が実現するまでの間、そのギャップを縮めることのできる、CO2を排出しないスケーラブルエネルギー源としては、他に何があるでしょうか。 核エネルギーは、そのカーボンフリーの特性や実証済みの効率とスケーラビリティから、移行段階での候補のひとつとして、またはもしかすると将来的に広く受け入れられる可能性のある代替エネルギーの選択肢となり得るでしょうか。 

排出ガスゼロということに加え、現在約450基の原子力発電所がフル稼働している期間は90%を超えています。それに対し石炭は50%、そして太陽光発電は25%になっています。 にもかかわらず、世界の総電力需要のうち、原子力発電所による電力供給はわずか10%に過ぎません(図1)。 なぜ核エネルギーはこの間、もっと早い成長をしてこなかったのでしょうか。

2021年の電力供給源を示すグラフ
図1. 供給源別の電力生産の割合、2021年。 

エネルギー生産の選択肢として実績があり経済的でありながら、放射能によるリスクや環境への影響などから、核エネルギーには物議を醸すイメージがつきまといます。 チェルノブイリや福島の事故により、核分裂には完璧な管理と警戒が必要とされること、そしてごく小さな事故でも大惨事になり得ることを思い知らされました。 

核反応と放射能 

18,000を超える原子炉・イヤー(年)の実績を踏まえると、原子炉テクノロジーは十分に確立され、多様化されているだけでなく、数十年にわたる技術改良の恩恵を受けて、現在の原子炉はより安全で信頼性も耐久性も高く、効率的になっています。 

原子力発電では、ウランの同位体、主に238Uと235Uの混合体を燃料として使用しています。ほとんどの商用原子力発電所では、燃料として235Uの濃度が3~5%程度の低濃縮ウラン(LEU)が使用されています。これに対し、兵器級の用途に必要な高濃縮ウラン(HEU)は、235Uの濃度が~90%になっています。  

ウラン濃縮の反応図
図2. ウラン濃縮 - ウラン235同位体の濃度が0.3%から3%に増加する。

原子炉にLEU燃料として入った235Uと238Uは、図3に示すように2つの異なった原子変換経路をとります。燃料、この場合238Uですが、これが中性子を吸収すると核分裂性物質239Puに変化します。同様に、239Puと235Uも核分裂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。 核分裂反応によってそれぞれ3個の中性子が放出され、同時に熱と電離放射線という形で大量のエネルギーが放出されます。

核分裂反応の図
図3. 核燃料の核分裂反応。

この原子の変換や崩壊は恵みであり、呪いでもあります。 恵みなのは、その少ない量の燃料の割に、膨大なエネルギーを生み出され、それを熱交換器や高圧水力タービンで取り出して電気を生み出せるためです。 そして呪われているのは、変形に伴う原子崩壊が電離放射線や粒子、つまり総称して放射能と呼ばれるものを生成させるからです。 発電のための原子炉内の放射能は望ましいものですが、この放射能は「使用済燃料」と呼ばれる燃料廃棄物の中に残留するため、これをきちんと封じ込めて制御しないければ、有害なものになります。 

原子炉内で3~5年間核反応を続けると、核分裂性同位体の燃料の濃度は、やがて発電目的の連鎖反応を維持するのに必要な最低レベルを下回るようになります。 使用済燃料は原子炉から抜き取られ、「高レベル」放射性廃棄物(HLW)として分類されます。 HLWは放射性廃棄物総量の3%に過ぎませんが、廃棄物全体の放射能の95%を占めています。 そこで、HLWは世界中の放射性廃棄物管理戦略の大きな焦点になっています。   

1000MWeの平均的な原子力発電所(これは100万人以上の需要を満たすのに十分な供給量です)では、年間25〜30トンのHLWが生成される一方、炭素排出はゼロです。 それに対し石炭火力発電所では、年間30万トンの灰と600万トン以上のCO2が大気中に放出されます。 ただし、使用済燃料の再処理と再利用で核廃棄物の量と放射能レベルを減少させれば、有害廃棄物管理というこの複雑な課題の対策になるのです。

使用済核燃料のリサイクル選択肢

使用済核燃料の再処理技術は、1940年代後半から存在しています。 十分に理解されており、また技術的にも実績がありますが、再処理に投資を行っている国はごくわずかです。 使用済核燃料の再処理と再利用を行っている主要2か国は、フランスとロシアです。 平均して、使用済燃料廃棄物の約95%がウラン(大半が238U)、1%がプルトニウム、残りは原子番号が小さい多種多様な核分裂生成物とマイナーアクチニドです(図4)。 使用済燃料の再処理技術により、ウランとプルトニウムの同位体を他のアクチニドや核分裂生成物から分離することができます。  

PUREX核分離プロセスの図
図4. PUREXは使用済燃料を3つの相に分離する。 


再処理の選択肢における主流はPUREX(プルトニウムとウランの還元抽出)と呼ばれる方法です。 PUREXでは、湿式製錬分離技術により使用済燃料を3つの相に分離します。

  1. ウラン同位体
  2. プルトニウム同位体
  3. マイナーアクチニドを含む核分裂生成物 

この第3相は、これらのマイナーアクチニドと高放射能の中寿命核分裂生成物(つまり半減期が約30年の90Srと137Cs)が存在するため、HLWとみなされます。 PUREXの最大の利点は、従来は廃棄物とされてきた使用可能なウランを大量にリサイクルし、HLWの量を大幅に削減できることです。 

PUREXは廃棄物の量を減らす一方、その放射能には対処しません。 また、239Puを他のアクチニドから分離するため、核兵器拡散の懸念も発生します。 

この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、改良型のPUREXプロセスが世界中で提案され、実施されています。 これら改良型のPUREXは、239Puをマイナーアクチノイドと混合することで兵器への転用を防ぐ一方、燃料として許容可能なレベルの再処理アクチノイドの混合物にします。 また、他の改良型として、ウランやプルトニウム、そして超ウラン(ウランより原子番号の大きい元素)を混ぜ合わせ、廃棄物は核分裂生成物だけになるようなものもあります。

使用済燃料棒を原子炉から取り出しても、そのウランの90%以上がまだ「不焼成」であることを考えると、HLWリサイクルは理にかなっていると言えます。 未使用のウランやプルトニウムをリサイクルすることで、最高25~30%の電気が得られます。 2020年末時点で、商用原子炉から全世界で40万トンの使用済燃料が発生し、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。  


原子炉設計の進展

最近の原子炉設計の進歩により、エネルギー生産効率と安全性は向上しています。 CAS コンテンツコレクション™ では、特許と文献における活動が2018年以降大幅に増加し、新たな関心が高まっていることを示しています。これは、主にアジアの組織が牽引してきています(図5aと5b)。  

原子力技術の特許譲受人の上位
図5a. 2000年以降の原子力技術の特許譲受人の上位。
2000年以降で原子力関連文献の出版件数が最も多い組織
図5b. 2000年以降で原子力関連文献の出版件数が最も多い組織。


図6は、新しい先進的な原子炉の設計に関連する出版物の量を示しています。 このデータから、新しい原子炉技術に関する研究活動が活発になっていることが確認できます。  

原子炉設計の種類別の文献出版量のグラフ
図6. 先進的な原子炉の設計とその文献出版量の関連性。

 

核エネルギーの将来性 

核エネルギーの復興は長年のテーマですが、いくつかの障害や課題がまだ残っており、数十年前の核エネルギーの希望と約束を果たすことを、今もなお困難にしています。 多額の初期投資、変化する規制、コスト超過、政治の分極化などにより、新規原子力発電所の実現は10年に及ぶ紆余曲折の道のりになっています。 原子力の利点と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、政府や投資家にとっては、こういったことが核エネルギー推進への大きな妨げとなっています。  最近のウォール・ストリート・ジャーナルの記事でもこの課題が論じられているほか、原子力技術分野の最近の進展も紹介されています。

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、使用済燃料の新しいリサイクルと再利用の方法などにより、グローバルな気候変動という課題に立ち向かうために、まだ核エネルギーは重要な武器として台頭してくる可能性を秘めています。 



(科学的な助言をしていただいたElaine McWhirter氏に謝意を表します )

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