使用済み核燃料

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原子炉内の貯蔵プールに格納された使用済み核燃料

使用済み核燃料(しようずみかくねんりょう、: spent nuclear fuel)とは、ある期間原子炉内で使用したのちに取り出した核燃料を言う[1]。日本においては、低濃縮ウラン[2]を核燃料として軽水炉で核反応させたあとのものを指す。

使用済み核燃料には超寿命核種である超ウラン核種や大量の核分裂生成物などが含まれており、その危険性と処理の困難さのため、その処理処分が世界的な問題となっている。なお、日本においては使用済み核燃料自体は再処理を行うため廃棄するものではない。

概要[編集]

核燃料は、原子炉に装填し燃焼させる(核分裂反応を持続させる[3])ことでその核エネルギーを取り出すまたはプルトニウム239を生成する[4]ことができる。しかしながら核燃料は、

  • 燃焼が進むにつれて、核分裂性のウランやプルトニウムが減少することによって中性子発生数と発熱量が低下し、核分裂生成物(特に希ガスや希土類)が大量に蓄積し、核分裂の持続的な燃えやすさ(余剰反応度)が低下する
  • 核燃料被覆材には、腐食や応力によるクリープ変形からくる寿命が存在する

といった理由から、核分裂性物質[5]を使い果たす前の適当な時期に原子炉から取り出し、新しい核燃料と交換する必要がある[6]。この取り出された核燃料を使用済み核燃料(spent nuclear fuel)[7]と呼ぶ。

3%濃縮ウラン燃料 1t が燃える前の組成はウラン238が 970kg、ウラン235が 30kg であるが、燃焼後は、ウラン238が 950kg、ウラン235が 10kg、プルトニウム 10kg、生成物 30kg となる[8]

上記からわかるように使用済み核燃料の中には、大量の核分裂生成物と共に核分裂性物質や親物質[9]が残存していることから、これらを回収して再び核燃料として利用するということが考えられる。天然ウランなどの原料を精製・加工することで核燃料を作り、それを原子炉で燃焼させ、その使用済み核燃料を再処理して再び核燃料として利用する[10]という一連の核燃料循環過程は核燃料サイクル(nuclear fuel cycle)と呼ばれる[11]

一般的には原子炉で使用された後、冷却するために原子力発電所内にある貯蔵プールで3年~5年ほど保管される。その後、核燃料サイクルに用いるために再処理工場に輸送されて処理が行われるか、高レベル放射性廃棄物処理場での長期保管が行われる。処理に関しては再処理工場の記事に詳しい説明がある。

日本においては青森県六ヶ所村六ヶ所村核燃料再処理施設の建設が行われている。

主な国の使用済み核燃料の保有量[編集]

米国:61,000 カナダ:38,400 日本:19,000[12] フランス:13,500 ロシア:13,000 韓国:10,900 ドイツ:5,850 英国:5,850 スウェーデン:5,400 フィンランド:1,600

※単位 トン(07年末時点) このうち日本、フランス、ロシア、英国は再処理を実施している。[13]

処理・処分[編集]

原子力発電の核燃料サイクルにおいては、様々な放射性廃棄物が各工程で発生する。その内比較的低レベルの放射性廃棄物の一部は処分に付されているが、大半は最終処分待ちの状態で各原発、核燃料施設、研究施設などで保管されている[14]

使用済み核燃料の再処理[編集]

原子炉の燃料である核燃料として使用できる物質は主にウラン235とプルトニウム239である。そのうち、プルトニウムは天然にほぼ存在せず、原子炉の中でウラン238から生成される。さらに、石炭や石油による火力発電とは異なり、核燃料は原子炉中ですべて核分裂反応してエネルギーに変換されるわけではなく、大部分はそのまま使用済み核燃料中に存在している。

そこで、これらを核燃料として再利用するために回収することが考えられるが、それを使用済み核燃料の再処理(spent nuclear fuel reprocessing)と呼ぶ[15]

使用済み核燃料の再処理の方法としては、ピューレックス法(PUREX : Plutonium and Uranium Recovery by EXtraction)が実績もあることから主に用いられる。ただし、この方法では使用済み核燃料をいちど硝酸によって溶解させて水溶液にする必要があり、高いレベルの放射性廃液(高レベル廃液;High-level liquid waste)が発生することになる[16]。この高レベル廃液は、液体であるので取り扱いやすくするようにガラスで固められ(ガラス固化体)、高レベル放射性廃棄物と呼ばれることになる[17]

日本においては、この高レベル放射性廃棄物は地上管理施設で冷却・保管(30年-50年)した後、地層処分(第一種廃棄物埋設)することとなっている。

直接処分(ワンス・スルー方式)[編集]

日本以外の国(米国など)においては、コスト追求と、他国に再処理をやめるように勧告するなどのために、使用済み燃料を再処理しないでそのまま冷却保管し、地中のコンクリート構造物で保管するというワンス・スルー方式(once throw method)の処分(直接処分)がとられることがある。日本においては、使用済み核燃料は廃棄するものではないため直接処分は実施されていないものの、平成25年度から研究開発は進められている[18]

この方式の場合、再処理コストがかからないので 0.7円弱/kwh とコストが再処理をするのに比べて安くなる。なお、この方法で処分される放射性廃棄物は放射能の低いウラン238が大部分を占めるために、再処理で濃縮された高レベル廃棄物よりは初期の質量あたりの放射能は小さい。ただし半減期数万年の MA やウランやプルトニウムが混じっているので半減期は長い。

プルトニウム抽出による核兵器製造[編集]

一般に、低濃縮ウランからなる核燃料を原子炉で「燃焼」させると 238U が中性子を吸収することでプルトニウムが生成される。再処理はそのプルトニウムを抽出する処理であることから、使用済み核燃料と再処理施設を保有することは、核兵器の原料であるプルトニウムを得ることができることを意味する。

ただし、プルトニウムと一口に言っても、その同位体組成の違いが爆弾としての性能に影響する[19]238U からできる 239Pu は核分裂しやすいが、原子炉の中に長くおいておくと、さらに中性子を吸収して核分裂しにくく半減期も短い 240Pu などになる。したがって、軍事用プルトニウム生産原子炉では、なるべく 239Pu の純度が高くなるように短期間で再処理にまわす[20]。一方で、発電用原子炉では高出力を目的とするため 239Pu が他の同位体に変化する割合が多くなる[21][22]

そのため、原子力発電所の使用済み核燃料から分離したプルトニウムは原子爆弾に使用することができないということが主張されることがある[23][24]

しかしながら、240Pu の割合の増加などは爆弾の設計や作業工程を複雑にすることはあっても、不可能にする要因ではなく、実際に、使用済み核燃料から抽出した金属プルトニウムが8kgあれば臨界を起こすと言われる[25][26]

ウラン原爆は経年劣化がなく取り扱いやすい優秀な兵器が作れる半面、ウラン濃縮に大変な電力と時間が必要されるため、核兵器を大量に作るには不適切である、というより非実用的である。そのため、5大国の核兵器は実験用を除くほとんどすべてがプルトニウム爆弾であり、北朝鮮も黒鉛炉で兵器級プルトニウムを生産している。

脚注[編集]

  1. ^ 用語辞典(1974) p.164『使用ずみ核燃料』
  2. ^ 天然ウランよりウラン235 235U の含有量が2〜4%程度に濃縮されたウランを低濃縮ウランと呼ぶ。発電工学(2003) p.194
  3. ^ 普通の燃焼の場合、たとえば石炭を普通に燃焼させる場合は、温度がある程度高ければ酸素 O2 さえ供給すれば燃焼が続く。核燃料の場合は、中性子の供給が必要となる。発電工学(2003) p.188
  4. ^ 原子炉内ではウラン238 238U は中性子を吸収してプルトニウム239 239Pu に核変換する。239Pu は 235U 同様に核分裂を起こす核種である。
  5. ^ 核分裂反応を起こす核種である 235U や 239Pu を核分裂性物質(fissile material)と呼ぶ。発電工学(2003) p.186
  6. ^ 発生工学(1980) p.236
  7. ^ 使用済燃料(spent fuel)とも呼ばれる。
  8. ^ 生成物 30kg の内訳は、下記の通り。
  9. ^ 238U のように中性子照射によって核分裂性物質に転換するものを親物質(fertile material)と呼ぶ。発電工学(2003) p.186
  10. ^ ただし、プルトニウムについては、高速増殖炉の燃料として貯蔵されており、本当の意味でのリサイクルはしていない。 発生工学(1980) p.237 (なお、現在においてはMOX燃料としての利用活用の方法も存在する。)
    日本において、使用済み核燃料から抽出されたプルトニウムは 240Pu の割合が高いため核兵器の材料としては品質が悪いが危険性はあるため大量に貯蔵することは好ましくないとされている。
  11. ^ 発生工学(1980) p.236
  12. ^ NHKスペシャル “核のゴミ”はどこへ~検証・使用済み核燃料 - NHK名作選(動画・静止画) NHKアーカイブス
  13. ^ 毎日新聞13面(2012年3月13日付朝刊)
  14. ^ 以下は2007年時点での日本における放射性廃棄物の在庫である

    L1 使用済み核燃料 14,870トン

    L2 放射性廃棄物の貯蔵量

    • L2.1 高レベル放射性廃棄物 ガラス固化体(120リットル容器)1,614本(原研247,原燃1,367)、高レベル液体廃棄物404m3

    L2.2 発電所廃棄物

    • L2.2.1 均質固化体、充填固化体、雑個体 625,169本(200リットルドラム缶換算)
    • L2.2.2 蒸気発生器 29基
    • L2.2.3 制御棒、チャンネルボックス等
    • 制御棒 91m3(東海発電所)、8,987本(その他の原発)
    • チャンネルボックス等 62,183本
    • その他 1,665m3
    • 樹脂など 17,370m3

    L2.3 長半減期低発熱放射性廃棄物

    • 103,933本(200リットルドラム缶換算)、濃縮廃液、スラッジ、廃溶媒など3,908m3

    L2.4 ウラン廃棄物

    • 44,139本(200リットルドラム缶換算)、低レベル液体廃棄物21.29m3

    L2.5 研究施設等での廃棄物

    • 固体廃棄物 332,033本(200リットルドラム缶換算)
    • 液体廃棄物 62.33m3

    L2.5.2 廃棄業者が保管している廃棄物

    • 固体・液体廃棄物 119,011本(200リットルドラム缶換算)

    資源エネルギー庁による集計値 平成19年度 (2007) 、「L附属書」

    なお、上記の数値に関しては誤報が頻発している状況なので、随時確認・更新が必要である。参考:経済産業省「平成22年度原子力施設における放射性廃棄物の管理状況及び放射線業務従事者の線量管理状況等に係るデータの誤りについて」

  15. ^ 館野・野口・吉田(2007) p.78
  16. ^ 長崎・中山(2011) pp.22-23
  17. ^ この高レベル放射性廃棄物 (HLW) に対して、群分離した上で、超長半減期の MA(アメリシウムなど)と長半減期核分裂生成物 LLFP(ヨウ素など)を、高速炉加速器駆動未臨界炉で中性子照射して核分裂させ、すべて短半減期の同位体に核種変換(消滅処理)する分離変換技術の研究開発の試みが存在する。なお、群分離においては、高発熱量核分裂生成物(ストロンチウム・セシウム)を分離して熱利用・放射線利用に転用し、有用高価な白金族やレアメタルは回収する。残った残渣の「低発熱・短半減期核分裂生成物」だけをガラス固化して 100-500年保管し、天然ウラン並みに放射線が低下した時点で再利用または廃棄する。 工程は複雑になるが、数万年も監視する必要はなくなり、100-500年の監視で天然ウラン並みに放射線が低下して廃棄/資源利用が可能になる。FP から熱を蒸気発生用に回収でき、低温になったガラス固化体は稠密に保管でき貯蔵スペースを大幅に節減できるとして日本でもオメガ計画として技術開発が進められている。
  18. ^ 使用済燃料の直接処分研究開発の進捗状況, (2015), https://www.jaea.go.jp/04/tisou/iinkai/hyouka_iinkai/21-3-5.pdf 
  19. ^ プルトニウムにはさまざまな同位体(質量数 238、239、240、241、242、244)があり、このうち使用済み核燃料では 239Puと240Pu が主体で 241Pu と 242Pu も少し生まれる。241Pu と 242Pu はともに核兵器の爆発には影響しない。241Pu は半減期14.4年で 241Am へ崩壊するため比較的早期に減少し、Am が発熱するのであまり多く含むと完成した核兵器に放熱が必要になってしまう。242Pu は体積をとるだけである。核兵器製造時には 240Pu は少なければ少ないほうが良い。
  20. ^ 一般的な兵器用プルトニウムの生産では、パイルとよばれる専用の黒鉛炉で新しいウラン燃料を使って短期間(おそらく数か月など)燃焼させた核燃料を取り出して利用する。必要なプルトニウム 239Pu がある程度できており、反面、不要なプルトニウム 240Pu が非常に少ない。
  21. ^ 市川・館野(1986) p.184
  22. ^ 軽水炉の使用済み核燃料に含まれるプルトニウムには 240Pu が全プルトニウム中の20%から40%も含まれる。
  23. ^ 市川・館野(1986) p.184
  24. ^ 発電用原子炉の中でも高速増殖炉からは、炉心の周囲のブランケット部分で、240Pu が非常に少ない 239Pu が97%以上の兵器級プルトニウムを生産できる。
  25. ^ 市川・館野(1986) p.184
  26. ^ ただし、爆弾はサイズだけは巨大化するが爆発力はせいぜい1キロトン止まりとなり、兵器としては現実的でないと言われる。兵器として十分使えるプルトニウムを得るには、240Pu の含有量を減らすため、経済性を無視して、原子炉から燃料棒を早く抜き出さなくてはならない。このためIAEAは商用原子炉の核燃料交換作業に非常に注意を払っている。

参考文献[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]