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いまさら人に聞けない核燃料サイクル

最近よく聞く言葉に「核燃料サイクル」というものがあります。これは原子力政策を理解するために非常に重要な概念なので、ここでおさらいしましょう。

まず、核燃料ですが、これはウランを使います。天然ウラン(U)は質量数(陽子と中性子の数の和)が235のものと238のものが存在します。235というのがマジックナンバーで、これが核分裂しやすいことから、この235Uの濃度をいかに高めるかが重要になります。天然ウランには235Uが0.7%しか存在せず、残りの99.3%は238Uです。235Uを3%ほどに濃縮して、ようやく原子力発電に使えるウラン核燃料になります。原爆にはこれを非常に高濃度にする必要があり、この濃縮技術が核兵器開発で非常に重要になってきますから、アメリカなどはならず者国家がそういった設備を作らないように厳しく監視しています。

この3%の235Uを含む核燃料を、核分裂反応を起こさせ、その莫大な熱を利用して発電するのが原子力発電です。要するに原発とは、核分裂反応の熱を利用してお湯を沸かし、その圧力でボイラーを回して発電する、核ヤカンみたいなものです。

この核燃料はなんと4年間も燃え続け、それが使用済み核燃料に変わります。このときに、235Uは核分裂により1%まで低下しています。しかしプルトニウム(Pu)も1%生成されているのです。実はこのプルトニウムは238Uに中性子が打ち込まれ、さまざまな核反応を経て生成されたものなのです。最初に97%もあった238Uは95%程度まで減少しています。一部はPuに変わり、残りはさまざまな核分裂片(3%)に変化しました。

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それで、使用済み核燃料ですが、これをどうすればいいのか、というのが核燃料サイクルの肝です。現在のウラン価格だと、実はウランを使い捨てして、この使用済み核燃料をそのまま捨てる(どこかに埋めておく)というのが一番安上がりです。しかしウランも将来的には枯渇する可能性があり、天然資源に恵まれない日本は、これを再利用する技術の確立を目指しています。

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Puは別の種類の原子炉で燃料として利用することができますし、ある程度簡単に分離することができるのでこれを取り出します。また、既存の軽水炉の核燃料にPuを混ぜて性能を上げることもやっています。これをMOX燃料といい、そのような発電方法をプルサーマル発電といいます。

また核分裂片の中にも、ロジウム、ルテニウム、パラジウムといった有用な金属や、放射線源として利用できる様々な放射性同位体が含まれており、それらを分離し有効活用するためのさまざまな研究が試みられています。

将来、使用済み核燃料として捨てるにしろ、再利用するにせよ、中間貯蔵施設に貯めておく必要があるわけですが、現在、これが非常に不足していて、日本はたいへん困っているわけです。そのため原子炉建屋内の貯蔵プールに膨大な数の使用済み核燃料が貯めこまれており、それが非常に危険だというのは、福島第一原子力発電所の水素爆発により浮き彫りになりましたね。

実は、この核燃料サイクルには、すさまじいポテンシャルがあります。それは高速増殖炉というタイプの原子炉を実用化すれば、半永久的にエネルギーを生み出し続けることができるのです。高速増殖炉は、核変換により、自らが使う以上のPuを、核反応の過程で238Uから作り出す原子炉です。実は、すでに実験段階は終わっていて、実際の発電のためのテスト炉もできています。まだ、コスト的に既存の軽水炉には対抗できませんが、原子力にはこのような強力なワイルド・カードがあるということは、大変魅力的なポイントでしょう。

それでは次回は、この核燃料サイクルの現状と課題を見ていきましょう。


参考資料
中学生でもわかる原子爆弾と原子力発電所の作り方

原子力発電がよくわかる本、榎本聰明画像を見る
この本は大変わかりやすい原子力発電の教科書です。非常に勉強になりました。簡単に読めます。

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