増殖性: 原子力の夢を叶える鍵

増殖性: 原子力の夢を叶える鍵

原子炉の燃料と増殖性

原子力発電は、ウランなどの核分裂しやすい物質が原子核分裂を起こす際に発生する莫大なエネルギーを利用しています。この核分裂しやすい物質を「核燃料物質」と呼び、原子炉の炉心に装荷されて熱エネルギーを生み出す役割を担います。
核燃料物質は原子炉の運転に伴い徐々に消費されていきますが、ある種類の原子炉では、消費される量よりも多くの核燃料物質を生み出すことができます。これを「増殖性」と呼びます。
増殖性を有する原子炉は、運転中に発生する中性子を効率的に利用することで、核燃料物質であるウラン238を核分裂可能なプルトニウム239に変換します。この過程を「核変換」と呼びます。
核変換によって生成されたプルトニウム239は、ウラン235と同様に核分裂を起こすことができるため、再び原子炉の燃料として利用することが可能です。このように、増殖性を有する原子炉は、核燃料資源の有効利用に大きく貢献する可能性を秘めています。
代表的な増殖炉として、高速増殖炉が挙げられます。高速増殖炉は、中性子の速度を落とさずに核分裂反応を起こすことで、高い増殖性能を実現しています。日本は、高速増殖炉の開発を長年進めており、高速実験炉「常陽」や原型炉「もんじゅ」などの開発実績があります。

高速増殖炉の仕組み

– 高速増殖炉の仕組み原子力発電には、ウラン燃料を核分裂させて熱エネルギーを取り出す技術が使われています。ウラン燃料には、核分裂しやすいウラン235と、核分裂しにくいウラン238の2種類が存在します。一般的な原子炉では、ウラン235が核分裂の役割を担っていますが、ウラン238はほとんど利用されずに残ってしまいます。高速増殖炉は、このウラン238を有効活用できる画期的な原子炉です。高速増殖炉では、中性子を減速させずに高速のまま炉心にぶつけます。高速の中性子は、ウラン238をプルトニウム239という核分裂しやすい物質に変換する能力が高いのです。高速増殖炉の炉心は、プルトニウム239を燃料として核分裂を起こし、熱エネルギーを生み出します。そして、炉心を囲むブランケットと呼ばれる部分には、ウラン238が配置されています。炉心で発生した高速中性子がブランケットに到達すると、ウラン238がプルトニウム239に変換されるのです。このように、高速増殖炉では、核分裂でエネルギーを生み出すと同時に、燃料となるプルトニウム239を新たに作り出すことができます。高速増殖炉は、消費した以上の燃料を作り出せることから、「夢の原子炉」とも呼ばれているのです。

増殖性のメリット

原子力発電において、燃料であるウラン資源をいかに有効活用するかは重要な課題です。天然ウランのうち、核分裂を起こしてエネルギーを生み出すウラン235は、わずか0.7%しか存在しません。残りの99.3%を占めるウラン238は、そのままでは発電に利用できません。 増殖性を持つ原子炉は、このウラン238を核分裂可能なプルトニウムに変換することができるため、資源の有効利用という点で大きなメリットがあります。ウラン238がプルトニウムに変わることで、天然ウランのほぼすべてを燃料として活用できる可能性を秘めているのです。これは、限られたウラン資源をより長く有効に使うことにつながります。さらに、高速増殖炉と呼ばれるタイプの原子炉は、プルトニウムを燃料として利用することができます。これは、使用済み燃料に含まれるプルトニウムを再利用できることを意味し、核廃棄物の量を減らし、資源の有効利用をさらに促進することにつながります。このように、増殖性の高い原子炉は、将来のエネルギー問題解決への糸口となる可能性を秘めていると言えるでしょう。

軽水炉との違い

– 軽水炉との違い現在、世界中で広く稼働している原子力発電所の大部分は、軽水炉と呼ばれるタイプの原子炉を採用しています。軽水炉も、ウラン燃料からエネルギーを生み出す過程で、ウラン238をプルトニウム239に変換する反応を起こします。これは高速増殖炉と同じ原理ですが、軽水炉ではこの変換の効率が高速増殖炉に比べて低い点が異なります。軽水炉では、核分裂を引き起こしやすいウラン235が燃料の中心となります。ウラン235が中性子を吸収して核分裂を起こすと、膨大なエネルギーと共に新たな中性子が放出されます。この時、一部の中性子はウラン238に吸収され、プルトニウム239に変換されます。しかし、軽水炉で使用される中性子は速度が比較的遅いため、ウラン238に吸収される割合は限られています。そのため、軽水炉では核分裂反応が進むにつれて、核分裂を起こす燃料であるウラン235が減少し、プルトニウム239の生成量は限られます。 結果として、燃料全体の核分裂性物質の量は徐々に減少し、発電を続けるためには定期的に燃料を交換する必要があります。一方、高速増殖炉は、中性子の速度を高く保つことで、ウラン238からプルトニウム239への変換効率を向上させています。これにより、消費する以上のプルトニウム239を生み出すことが可能となり、燃料を有効活用できます。このことから、軽水炉は「増殖炉」とは呼ばれません。

増殖性の将来

– 増殖性の将来

エネルギー問題は、現代社会にとって避けて通れない課題です。その解決策として、原子力発電の中でも、燃料を燃やすだけでなく、増殖する能力を持つ「増殖性」に大きな期待が寄せられています。

増殖性とは、ウラン燃料をよりエネルギー効率の高いプルトニウム燃料へと転換する技術です。この技術を用いることで、理論上は天然ウランの約60倍ものエネルギーを取り出すことが可能となります。これは、限りある資源を有効活用する上で、極めて重要な要素となります。

しかしながら、増殖性を practical に利用するには、高速増殖炉の開発が不可欠です。高速増殖炉は、従来の原子炉とは異なる特殊な構造や冷却システムを必要とするため、技術的に難易度が高い点が課題として挙げられます。

さらに、高速増殖炉の建設には多大な費用と時間を要することも、実用化を阻む要因となっています。加えて、プルトニウムは核兵器に転用される可能性も孕んでおり、その安全性確保についても慎重な検討が必要です。

このように、増殖性の利用には多くの課題が存在するものの、エネルギー問題の解決や資源の有効活用、核廃棄物問題の解決に繋がる可能性を秘めていることも事実です。今後も、安全性と経済性を両立させた高速増殖炉の実現に向けた研究開発が、世界中で進められていくことが期待されます。