エネルギー源の精製: ガス拡散法

エネルギー源の精製: ガス拡散法

ガス拡散法とは

– ガス拡散法とは原子力発電では、燃料となるウランに含まれる核分裂しやすいウラン-235の割合を高める作業が必要不可欠です。天然ウランには、ウラン-235がわずか0.7％しか含まれておらず、残りのほとんどは核分裂しにくいウラン-238だからです。原子力発電を行うためには、ウラン-235の割合を数%程度まで高める必要があり、この作業をウラン濃縮と呼びます。そして、ガス拡散法は、このウラン濃縮を実現する技術の一つです。ガス拡散法では、まずウランを六フッ化ウランという気体状態に変えます。次に、この六フッ化ウランを多数の小さな穴が開いた分離膜に通過させます。すると、わずかに軽いウラン-235を含む六フッ化ウランの方が、重いウラン-238を含む六フッ化ウランよりも、わずかに速く分離膜を通過します。このわずかな差を利用して、分離膜を通過した後の気体を、通過前よりもウラン-235の割合が高い部分と、低い部分に分けることができます。この工程を何段も繰り返すことで、最終的に原子力発電に必要な濃度のウラン-235を得ることができます。ガス拡散法は、確実性の高い技術として長年利用されてきましたが、多くのエネルギーを必要とするという側面もあります。近年では、より効率的な遠心分離法が主流になりつつあります。

目に見えないふるい

原子力発電の燃料となる濃縮ウランを作るには、天然ウランの中にわずかに含まれるウラン235の割合を増やす必要があります。この作業は、ウランを原子レベルで選り分ける、非常に繊細な技術が必要です。

ガス拡散法は、この精緻な分離作業を、まるで目に見えないふるいを使うように実現する方法です。その核となるのが、80～100オングストロームという、想像を絶するほど小さな孔が無数に開いた特殊な膜、「隔膜」です。これは、原子の大きさを基準に物質を選別できる、極小のふるいに例えることができます。

この隔膜を挟んで圧力差を作り、ウランをフッ素と化合させてできる六フッ化ウランという気体を通過させます。すると、わずかに軽いウラン235を含む六フッ化ウランの方が、わずかに速く隔膜を通過することができます。このわずかな差を利用して、何度も繰り返し通過させることで、徐々にウラン235の濃度を高めていくのです。

目に見えないほど小さな孔を持つ隔膜は、ガス拡散法の心臓部と言えるでしょう。

わずかな重さの差が鍵

原子力発電の燃料となるウランには、ウラン-235とウラン-238という、わずかに重さが異なる二つの種類が存在します。この、ほんのわずかな重さの差が、原子力発電において重要な役割を果たしています。

この二つのウランは、原子核を構成する中性子の数が異なるため、質量数が異なり、ウラン-235の方がウラン-238よりわずかに軽くなっています。このわずかな重さの差は、気体となった状態では、ウラン-235の方がわずかに速く動くという性質の違いを生み出します。

この性質を利用したのが、ウラン濃縮という工程です。ウラン濃縮では、まずウランを気体にします。そして、この気体となったウランを、多数の小さな穴が開いた隔膜に通過させます。すると、わずかに軽いウラン-235の方が、より速く動くため、隔膜をより多く通過することができます。この操作を何度も繰り返すことで、徐々にウラン-235の濃度を高めていくことができるのです。

このように、ウラン-235とウラン-238のわずかな重さの差は、原子力発電の燃料を製造する上で、非常に重要な役割を果たしているのです。

隔膜の秘密

原子力発電の分野において、ウラン濃縮は重要なプロセスの一つです。そして、このウラン濃縮に欠かせない技術がガス拡散法です。ガス拡散法では、気体状のウランを特殊な隔膜に通すことで、同位体濃度を変化させていきます。
このガス拡散法の成否を握るのが、まさにこの隔膜の性能なのです。隔膜には、極めて薄い膜に、均一な大きさの孔を数多く形成する必要があります。孔の大きさや分布が少しでも不均一になると、ウラン濃縮の効率が著しく低下してしまうからです。
これまで、隔膜の材質には、ニッケル、アルミナ、ポリフッ化エチレンなど、様々な素材が検討されてきました。そして、試行錯誤の末、高い濃縮性能を持つ隔膜が開発されました。しかし、その製造方法は、長年トップシークレットとして厳重に守られています。これは、この技術が、原子力発電の平和利用だけでなく、軍事転用にもつながりかねないためです。
隔膜の製造技術は、日本の原子力技術の粋を集めた結晶と言えるでしょう。

巨大なプラント

原子力発電所の心臓部ともいえるウラン濃縮施設は、想像を絶するほどの巨大なプラントです。無数のパイプが迷路のように張り巡らされたその様は、まさに工場と巨大建造物を組み合わせたような圧巻の光景です。
このパイプこそが、ウラン濃縮の心臓部である遠心分離機を構成する主要部品の一つです。
遠心分離機は、回転によってウラン235とウラン238を分離する装置ですが、単体では十分な濃縮度を達成できません。そこで、濃縮度を段階的に高めるために、数千台もの遠心分離機を直列に接続し、巨大なカスケードを構築するのです。
こうして、気の遠くなるような数のパイプと遠心分離機によって構成された巨大プラントは、膨大なエネルギーを消費しながら、日々ウラン濃縮という重要な役割を担っています。